煤矿机电设备教案

煤矿机电设备（讲义）职教中心谢万安2008.9.4本课程的特点：煤矿采煤专业具有所学课程种类多，覆盖面大的特点，机电内容更是包含到煤矿生产的方方面面。设备种类繁多工作原理牵连到许多相关学科，学习上有一定难度，但大家来自现场、对生产设备有一定了解可帮助大家学习。由于课时少内容多对一些内容只能作介绍性简介。希望大家加强预习，一加快学习和理解。本课程的内容包括：煤矿电器设备和煤矿机械设备两大部分。第一章矿山供电与矿用电气设备概述第一节煤矿企业对供电的要求一、煤矿生产的环境煤矿生产主要是地下开采,矿井的一些主要用电设备,如煤矿副井的提升机、向井下供风的主通风机、井下的主排水泵等,它们不但用电量大,而且不允许中断供电。因为一旦中断供电,不仅会造成减产,还可能引起人身伤亡和设备损坏的重大事故,严重时可能会毁坏整个矿井。煤矿井下生产场地狭小,而且又有顶板压力的作用,常有冒顶、片帮等现象发生,容易砸坏设备;有淋水、滴水现象,空气潮湿,使电气设备受潮,侵蚀电气设备的金属部件和绝缘材料。随着采掘工作面的向前推进,电网和电气设备也需经常移动,使电缆和电气设备容易受到机械损伤。煤矿井下空气中有瓦斯、煤尘等可燃、易爆性混合物。当遇到地质条件的变化(如煤岩)层硬度不均匀、有夹矸等,采掘机械经常有冲击负荷,所以负荷变化大,易引起设备过载。二、煤矿企业对供电有如下要求。由于煤矿生产环境的特殊性,对供电有如下要求。（一）、供电可靠(二)、供电安全（三)、供电质量(四)、供电经济三、电力负荷的分类电力负荷是决定电力系统规划、设计、运行以及发电、送电、变电布局的主要依据。根据对供电可靠性要求的不同,矿山电力负荷可分成以下三类。(一)一类负荷(一级负荷)凡因突然中断供电可能造成人身伤亡或重大设备损坏,给国民经济造成重大损失的或在政治上产生不良影响的负荷,均属一类负荷。例如,煤矿主通风机、主副井提升机、主水泵、井上及井下中央变电所、矿区医院的手术室等用户。对这类负荷应有两个独立电源供电,对有特殊要求的一类负荷,两个独立电源应来自不同地点,以保证供电的绝对可靠。(二)二类负荷(二级负荷)凡因突然停电造成大量减产和较大经济损失的负荷,为二类负荷。例如压风机、采区变电所、露天矿变电所等都属于这类负荷。对二类负荷供电,是否需要备用电源,应根据企业规模和技术经济指标决定。对于中小型煤矿的二类负荷一般由专用线路供电,但需在仓库里储备一套设备,以备故障时临时更换;对于大型煤矿则需要备用电源。(三)三类负荷(三级负荷)三类负荷是指除一类、二类负荷外的其他负荷。例如辅助车间的用电及公用事业用电设备等都属于这类负荷。对三类负荷一般采用单一回路供电方式,对这类负荷不需要备用电源。四、供电电压等级电气设备都是按照一定的标准电压设计和制造的,这个标准电压称为电气设备的额定电压。为了便于批量生产和统一供电,国家规定了标准的额定电压等级。煤矿企业供电电压的选择,取决于企业附近电源电压、用电设备容量、电压及供电距离,应通过技术经济比较确定。我国煤矿企业通常使用的电压等级及用途见表1-1。第二节矿山供电系统一、矿山供电电源煤矿用电来自电力系统或矿区发电厂。所谓电力系统,是指由发电厂发电机、输电线路及升压或降压变压器所组成的整体。图l-1所示是一个用于煤矿供电的典型电力系统。发电厂是把其他形式能量转换成电能的场所。常根据所用能源的不同,将发电厂加以分类。例如:使用热力作动力的,称为火力发电厂;使用水力作动力的,称为水力发电厂等等。在发电厂中,由发电机产生的电能电压较低(1OkV或2OKV),它除供给附近用户直接使用外,必须先经升压变压器转换成高压,才能送至外界的高压电力网。变电所是汇集电能、变换电压的中间环节，它由各种电力变压器和配电设备组成。不含电力变压器的变电所称为配电所。矿山供、配电系统中的矿区变电所属于地区变电所,它接受枢纽(或区域)变电所送来的110kV电能,将之降为35kV后送至矿山地面变电所。矿山地面变电所多属终端或穿越变电所,它将电压降为6～10kV后,向额定电压为6～l0kV及以下的用电设备供电。电力网主要由各种变电所及各种等级的电力线路组成,是电力系统的重要组成部分,担负着送电、变换和分配电能的任务。一般根据电压等级的高低,将电力网分成低压、高压、超高压和特高压几种。电压在1kV以下的电力网为低压电网;3kV～330kV的电力网为高压电网;330kV～100OkV的电力网为超高压电网;1000kV以上的为特高压电网。二、矿山供电系统矿山供电系统是由煤矿内各级变电所的变压器、配电装置、电力线路以及用户按照一定的方式互相连接起来的一个整体。矿井供电方式取决于矿区范围、采用的机械化方式、矿层结构、采煤方法、矿层埋藏深浅、井下涌水量大小等因素。目前主要有深井、浅井、平硐三种典型供电方式,下面分述它们的构成和特点。(一)深井供电系统对于矿层埋藏深、倾角小、采用立井和斜井开拓、生产能力大的矿井,多采用如图1-2所示的供电系统,它属于深井供电系统。(二)浅井供电系统对矿井煤层埋藏不深(距地表100~20Om),且涌水量不大,而采区又离井底车场较远时,出于经济和运行方便的考虑,井下电力设备多用低压供电,此时多采用借助钻孔或辅助风井将电能送至井下的浅井供电系统,如图1-3所示。(三)平硐开采的供电系统当矿层埋藏较浅(100m以内)、分布范围较广时,往往采用平硐开采的供电系统。此时，对于其深部的用电设备,可利用在小风井、斜井或钻孔附近设置的地面变电亭提供低压电能。当需要向平硐提供直流电时,可先经地面变电所整流,再用电缆下送。至于对平硐开拓且井深在150m的用电设备供电,其系统则与深井供电系统相同,此时往往在盲井口附近没立一个地面主变(配)电所,其各道(段)是否设置井下变(配)电所,需视具体情况而定。矿山供电究竟采用哪种供电方式,应根据矿井的具体情况经技术、经济比较后确定。三、矿井各级变电所及配电点(一)煤矿地面变电所矿山地面变电所是全矿供电的枢纽,担负着受电、变电、配电以及测量、保护和对主要电气设备工作状态监视等任务。图13中的上面一部分是一个典型的矿山地面供电系统图。矿山企业属于一类用户,为了保证供电的可靠性,每个矿山必须具有两个独立的电源。根据具体情况,两个独立电源可采用平行双回路供电或环形供电,也可采用其他具有备用电源的专用线供电方式。矿山地面变电所一般设有两台主变压器,分别经高压开关与相应的一次母线段相连接,以保证矿山重要用电负荷的双电源供电。主变压器将电压降为6（10）kV后,分别经高压开关与变电所相应的二次母线段相连接,然后通过接于各个母线段上的成套高压开关设备将电能分配到地面各高压用户和井下中央变电所。此外,为了防止雷电入侵对电气设备的危害,各段母线均装有避雷器;为了提高功率因数,在两段6（10）kV母线上分别装有并联电容器组;为了测量、保护和监视电力系统运行情况,在变压器的两段母线上均装有电压互感器;为了限制井下短路电流,下井电缆应串接电抗器。(二)井下变(配)电所井下中央变电所是井下供电的枢纽,它担负着向井下供电的重要任务,其主结构如图1-4所示。井下变(配)电所的位置应尽量靠近负荷中心,并根据通风良好、交通方便、进出线易于敷设、顶底板条件及保安煤柱的位置等因素综合考虑。根据现行开采方法,一般设在靠副井的井底车场范围内。根据《煤矿安全规程》的规定,对井下中央变电所和主排水泵房的供电线路,不得少于两个回路,当任一回路停止供电时,另一回路应能担负矿井全部负荷。所以,为了保证井下供电的可靠性,由地面变电所引自中央变电所的电缆数目至少应有两条,并分别引自地面变电所的两段6(10)kV母线上。水泵是井下中央变电所的重要负荷,应保证其供电绝对可靠,由于水泵总数中已包括备用水泵,因此每台水泵可用一条专用电缆供电。水泵、采区用电、向电机车供电的硅整流装置的整流变压器、低压动力和照明用的配电变压器,应分散接在各段母线上,防止由于母线故障降低供电的可靠性和造成大范围停电,影响安全和生产。(三)采区变电所采区变电所是采区供电的中心,其任务是将井下中央变电所送来的高压6(10)kV经高压防爆配电箱,由矿用变压器变为660V(或380V)后,分配或直接配给采掘工作面配电点或用电设备,这是一种传统的采区供电方式,即采区变电所→工作面配电点方式,如图1-5所示。另外,随着综合机械化采煤工作面的大量出现单机容量和设备的总容量都很大,其回采速度又快,若仍采用传统的采区供电方式,既不经济,又不易保证供电质量。因此必须采用移动变电站供电,以缩短低压供电距离,使高压深入负荷中心,将综采工作面供电电压提高到1140V,以利于保证供电的经济性和供电质量。目前我国高产高效工作面使用的设备,其额定电压已达3300V。这种采区供电方式为:采区变电所→移动变电站→工作面配电点。第三节矿用电气设备概述矿用电气设备是指煤矿井下所使用的电气设备。由于煤矿井下的工作条件与地面有很大差别,因而对矿用电气设备的结构有特殊要求。根据其结构与使用场所的不同,对矿用电气设备进行分类。一、对矿用电气设备的结构要求(1)由于煤矿井下的空气中含有瓦斯气体和煤尘,在一定条件下有爆炸的危险,所以矿用电气设备必须具有防爆性能。(2)井下巷道、硐室和工作面空间狭小,为节省硐室建筑费用且搬迁设备方便,要求矿用电气设备体积小,重量轻。(3)井下存在冒顶、片帮、滴水及淋水等现象,所以矿用电气设备的外壳要有足够的机械强度和较好的防潮、防锈性能。(4)井下电气设备工作任务繁重,起动频繁,负载变化较大,设备易过载,因此要求矿用电气设备应有较大的过载能力。(5)井下空气潮湿,易触电,故矿用电气设备外壳应封闭良好,有机械、电气闭锁及专用接地螺丝;对煤电钻、照明信号及控制电器采用127V及36V低压,以防触电。二、防爆原理为了满足矿用电气设备的防爆性能,常采用如下三种措施。(一)隔爆外壳隔爆型电气设备必须具有隔爆外壳,即当壳内发生爆炸时,绝不会引起壳外的可燃性混合物燃烧和爆炸,同时外壳也不会破裂或变形,即外壳必须具有耐爆和隔爆性能。(二)本质安全型电路本质安全型电路简称本安型电路(亦称安全火花型电路)。它是指电路系统或设备在正常工作或在规定的故障状态下,产生的火花和火花效应均不能点燃瓦斯和煤尘。实验证明,当瓦斯在空气中的浓度为8.2%~8.5%时,最容易发生爆炸,其所需要的最小能量为0.28mJ以下。因此恰当选择电路参数或采取一定的保护措施,把火花能量限制在0.28mJ以下,它就不会引起瓦斯爆炸。电火花分为电阻性、电容性和电感性三种。电路开关在开、合过程中或发生短路时,均能产生电火花,其能量大小取决于电源电压和回路阻抗。对纯电阻电路,火花的能量取决于电压和电流;对电感电路主要取决于电流和电感;对电容电路主要取决于电压和电容。电火花能量是决定能否点燃瓦斯的主要参数,因此在设计本质安全型电路时,必须限制电火花能量。其方法主要有:(1)合理选择电气元件,尽量降低电源电压;(2)增大电路中的电阻或利用导线电阻来限制电路中的故障电流;(3)采取消能措施,消耗或衰减电感元件或电容元件中的能量。(三)超前切断电源和采用快速断电系统当电气设备出现故障时,在可能点燃瓦斯之前,利用自动断电装置将电源切断。这种方法已用于矿用照明灯、矿用屏蔽电缆和放炮器。现以屏蔽电缆为例说明其工作原理。矿用屏蔽电缆与检漏继电器配合使用,可做到超前切断电源。当屏蔽电缆受到机械损伤时,相间绝缘被破坏,电缆芯线首先与屏蔽层接触造成漏电,检漏继电器动作使馈电开关跳闸。这样,在电缆内部还未形成短路故障之前即可切断电源。快速断电系统的工作原理是,电火花点燃瓦斯和煤尘需要一定的时间,其时间的长短因电路参数和故障原因不同而异,但最短不少于5ms。如果故障切断时间少于5ms,则无论电缆受何损伤,其电火花均不能点燃瓦斯和煤尘。一般快速断电系统的切断时间为2.5~3s。三、矿用电气设备的类型防爆电气设备分为两类。I类:煤矿井下用电气设备,即矿用防爆型;Ⅱ类:除矿井以外的场合使用的电气设备,即矿用一般型。(一)矿用一般型矿用一般型