Проектирование электроснабжения горных предприятий


И. Т. Сидоренко , К. Н. Маренич, И. В. Ковалёва








            ПРОЕКТИРОВАНИЕ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ ГОРНЫХ ПРЕДПРИЯТИЙ


Учебное пособие












Москва Вологда «Инфра-Инженерия» 2021

УДК 622.012.2:621.316
ББК 33:31.26
     M25

                     Рекомендовано ученым советом ГОУВПО «Донецкий национальный технический университет» в качестве учебного пособия для студентов высших учебных заведений, протокол № 5 от 27.11.2020 г.






Рецензенты:
и. о. председателя Государственного комитета горного
и технического надзора ДНР (г. Донецк) д-р техн. наук, проф. А. М. Брюханов; заведующий кафедрой электроснабжения промышленных предприятий и городов ГОУВПО «Донецкий национальный технический университет» (г. Донецк) д-р техн. наук, проф. А. П. Ковалёв;
и. о. директора ГУ «Макеевский НИИ по безопасности работ в горной промышленности» (г. Макеевка) канд. техн. наук О. А. Демченко









     | Сидоренко, И. Т~|
M25 Проектирование электроснабжения горных предприятий : учебное пособие / |И. Т. Сидоренко ], К. Н. Маренич, И. В. Ковалёва. - Москва ; Вологда : ИнфраИнженерия, 2021. - 160 с. : ил., табл.
          ISBN 978-5-9729-0765-6


          Представлена методика расчета системы электроснабжения шахты, включая комплекс электрооборудования на поверхности. Рассмотрены варианты методов расчета отдельных компонентов системы электроснабжения, обоснования принимаемых допущений. Предложен справочный материал с указанием типов и параметров электротехнического и электромеханического оборудования, применяемого на предприятиях угольной промышленности.
          Для студентов, изучающих горную электротехнику. Может быть полезно инженерно-техническим работникам, занимающимся вопросами электроснабжения горных предприятий.

УДК 622.012.2:621.316
                                                                 ББК 33:31.26




ISBN 978-5-9729-0765-6

     © | Сидоренко И. Т.| , Маренич К. Н., Ковалёва И. В., 2021
     © Издательство «Инфра-Инженерия», 2021
                            © Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2021

СОДЕРЖАНИЕ


ВВЕДЕНИЕ............................................. 6
1 ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ СХЕМЫ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ ГОРНОГО ПРЕДПРИЯТИЯ                  7
2 РАСЧЕТ НАГРУЗОК И ВЫБОР УЧАСТКОВЫХ ТРАНСФОРМАТОРНЫХ ПОДСТАНЦИЙ........................ 12
2.1   Обоснование значения величины рабочих напряжений
      дляподземныхэлектроприемников................. 12
2.2   Расчетные мощности электроприемников
      электроэнергии на напряжение 660/1140 В....... 13
2.3   Определение мощности электроприемников напряжения
      127 В......................................... 18
2.3.1 Точечный метод................................ 20
2.3.2 Методсветовогопотока.......................... 23
2.4   Расчет мощности и выбор подземных участковых передвижных трансформаторных подстанций................. 25
2.4.1 Методкоэффициентаспроса....................... 26
2.4.2 Альтернативные методы расчета и выбора подземных
      участковых передвижных трансформаторных подстанций .......................................... 30
2.4.2.1 Метод коэффициента формы импульсов нагрузки подстанции ............................................ 30
2.4.2.2 Метод коэффициента заполнения суточного графика
      нагрузки трансформаторной подстанции.......... 32
3 ПРОЕКТИРОВАНИЕ НИЗКОВОЛЬТНОЙ КАБЕЛЬНОЙ
  СЕТИУЧАСТКА....................................... 35
3.1   Выборкабелейдляучастка шахты.................. 35
3.2   Расчет и выбор кабелей по нагреву номинальным (расчетным) током и механической прочности.............. 36
3.3   Проверка кабельной сети участка по потере напряжения при номинальной нагрузке электроприемников.........    41
3.4   Проверка кабельной сети участка по критерию устойчивого пуска наиболее мощного электроприемника и его допустимому перегрузу............................... 49
3.5   Проверка принятых кабелей на термическую стойкость к току трехфазного короткого замыкания................ 55
3.6   Выбор кабелей................................. 56

3

РАСЧЕТ И ВЫБОР ШАХТНЫХ НИЗКОВОЛЬТНЫХ АППАРАТОВ........................................ 57
4.1   Выбор низковольтных аппаратов по номинальному напряжению и номинальному току потребителей.....      57
4.2   Проверка принятых низковольтных аппаратов по отключающей способности............................... 58
4.3   Выбор уставок срабатывания максимальной токовой защиты низковольтных аппаратов..................... 59
4.4   Проверка коэффициента чувствительности максимальной токовой защиты низковольтных аппаратов......      60
4.5   Проверка выбранной низковольтной системы электроснабжения участка от недопустимой емкости и снижения сопротивления изоляции сети относительно земли... 61
5 РАСЧЕТ И ВЫБОР ВЫСОКОВОЛЬТНОЙ КАБЕЛЬНОЙ
  СЕТИ ШАХТЫ......................................... 65
5.1   Выбор высоковольтных кабелей по нагреву номинальным током........................................ 65
5.2   Проверка принятых кабелей по термической стойкости и отключенному току короткого замыкания............ 67
5.3   Проверка принятых кабелей по экономической плотности тока......................................... 68
5.4   Проверка кабельной сети шахты по потере напряжения в номинальном режиме............................... 68
6 РАСЧЕТ И ВЫБОР ВЫСОКОВОЛЬТНЫХ
  КОМПЛЕКТНЫХ РАСПРЕДЕЛИТЕЛЬНЫХ УСТРОЙСТВ.......................................... 71
7 ВНУТРЕННЕЕ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЕ ШАХТНОЙ ПОВЕРХНОСТИ...................................... 74
7.1   Расчетивыбортокоограничивающихреакторов........ 74
7.2   Расчет и выбор трансформаторов, питающих шахту. 75
7.3   Компенсация реактивной мощности шахты.......... 77
8 ОБОСНОВАНИЕ ВНЕШНЕГО ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ ГОРНЫХ ПРЕДПРИЯТИЙ............................... 79
8.1   Определение требуемой расчетной электрической нагрузкипредприятия.............................. 79
8.1.1 Определение расчетной нагрузки предприятия по значениям удельных расходов электроэнергии............ 79

4

8.1.2 Определение расчетной нагрузки предприятия по значениям номинальной мощности электроприемников и коэффициента спроса.................................. 80
8.1.3 Определение расчетной нагрузки горного предприятия по средней мощности и коэффициенту максимума......   82
8.2   Обоснование уровня величины питающего напряжения. 88
8.3   Обоснование схемы внешнего электроснабжения горного предприятия..................................... 92
8.4   Проектирование воздушных линий электропередачи, пи- 98 тающих горное предприятие.........................
ПРИЛОЖЕНИЯ........................................ 101
СПИСОКЛИТЕРАТУРЫ.................................. 157

5

ВВЕДЕНИЕ



     Современное горное предприятие оснащено множеством машин и установок, потребляющих электроэнергию. От надежности и качества снабжения электроэнергией этих машин и установок зависит непрерывность и производительность работы, как отдельных звеньев производственного процесса, так и предприятия в целом. В свою очередь, надежность и качество энергоснабжения зависит от правильно спроектированной системы электроснабжения предприятия в целом, расчета и выбора отдельных блоков и элементов системы.
     Понятие «проектирование электроснабжения» включает в себя общие вопросы проектирования требуемых параметров электроснабжения предприятия в целом и отдельных его параметров (мощности, напряжения, коэффициентов запаса, надежности и пр.), а также расчет и выбор отдельных элементов электрической системы (выключателей, трансформаторов, электрических сетей, систем защиты от ненормальных режимов работы и пр.)
     Развитие и усложнение структуры систем электроснабжения горных предприятий, возрастающие требования к экономичности, и надежности их работы, внедрение устройств управления распределением и потреблением электроэнергии на базе современной вычислительной техники ставит проблему подготовки и переподготовки высококвалифицированных инженеров, способных самостоятельно ставить и решать сложные производственные задачи, в том числе по проектированию системы электроснабжения предприятий.
     В пособии рассматриваются общие вопросы проектирования, приводятся методики расчетов и выбора электрооборудования и систем электроснабжения, а также необходимый справочный материал с указанием типов и параметров электротехнического и электромеханического оборудования, применяемого на предприятиях угольной промышленности.
      Подготовка учебного пособия базируется на обобщении и развитии учебно-методических разработок профессора кафедры «Горная электротехника и автоматика» ДонГТУ (ныне ДонНТУ) И.Т. Сидоренко в области содержательного обеспечения учебных курсов по изучению систем электроснабжения горных предприятий.


6

ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ СХЕМЫ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ ГОРНОГО ПРЕДПРИЯТИЯ


    Горное производство в условиях шахты характеризуется совокупностью взаимосвязанных технологических процессов (очистные и проходческие работы, подъём, локомотивный и конвейерный транспорт, водоотлив, вентиляция и др.), каждый из которых предусматривает применение мощного электромеханического оборудования. При этом обязательным условием применения установок шахтного людского подъёма, вентиляции горных выработок, водоотлива, обогрева воздуха в шахтных стволах (в зимний период) является обеспечение непрерывности электроснабжения, что необходимо для обеспечения безопасности персонала. Таким образом, шахта является высокомощным потребителем электрической энергии и, как потребитель, должна быть отнесена к первой категории электроснабжения.
    Задача обеспечения непрерывного электроснабжения шахты решается на основе резервирования источников электропитания и секционирования шин электропотребителей, что реализуется структурой схемы главной поверхностной (ГПП) и центральной подземной (ЦПП) подстанций (рис. 1.1) [1].
    В соответствии со схемой, подача электроэнергии на главную поверхностную подстанцию производится по двум независимым линиям электропередачи трёхфазным напряжением номинального уровня 35 кВ, либо 110 кВ или 220 кВ. Это напряжение подаётся на первичные обмотки трёхобмоточных трансформаторов TV1 и TV2 ГПП, первые вторичные обмотки которых задействованы (в соответствии со схемой) для электропитания напряжением 6 кВ подземных потребителей и подключены к соответствующим вводным распределительным устройствам (В) центральной подземной подстанции. Другие вторичные обмотки трансформаторов ГПП предусмотрены для электропитания напряжением 6 кВ потребителей поверхности.
    Гальваническое разделение подземных потребителей от потребителей поверхности позволяет:
    - избежать параллельного присоединения сопротивлений изоляции поверхностных и подземных электросетей и этим поддержать достаточно высокое сопротивление изоляции как подземной электросети, так и электросети поверхности;

7

Ввод №1
    _|_35 кВ ...220 кВ

Ввод №2
    _|_35 кВ ...220 кВ

Отделитель

  ВР
{ППН"

Отделитель

Короткозамыкатель

гпп

TV1

TV2

6кВ

АВР

6кВ

6кВ

6кВ

КУ

АВР
-Гс]
Потребители поверхности шахты

Короткозамыкатель

цпп

ВФФФФФФСФФФФФФВ

УКРВ-6,3

АВР

УКРВ-6,3

Распределение электроэнергии напряжением 6 кВ на распределительные пункты технологическихучастков, удалённые высоковольтные распределительные пункты, дистанционный пуск/отключение высоковольтных асинхронных двигателей


       Рисунок 1.1 - Схема подачи электроэнергии потребителям шахты

8

     - исключить влияние на режим нейтрали подземных потребителей (обязательно - режим изолированной нейтрали) со стороны электротехнических комплексов поверхности.
     Применение секционных выключателей (С) между системами сборных шин потребителей поверхности, а также секционных высоковольтных распределительных устройств ЦПП обеспечивает выполнение функции автоматического включения резерва (АВР). В случае обесточивания одной из секций потребителей (например, в случае отказа трансформатора TV1 ГПП) секционный выключатель подключит эту секцию к источнику электропитания другой секции (выход трансформатора TV2 ГПП) и этим восстановит электропитание.
     Защита высоковольтных линий электропередачи (ЛЭП) от грозовых перенапряжений осуществляется высоковольтными разрядниками (ВР), которые создают в искровом промежутке цепь повышенной проводимости на землю в случае возникновения чрезмерно высоких (в сравнении с номинальным) напряжений между ЛЭП и землёй.
     Компенсация реактивной мощности (создаваемой асинхронными двигателями потребителей) осуществляется установками косинусных конденсаторов (КУ) общепромышленного исполнения (на ГПП) и рудничного исполнения (типа УКРВ-6,3) на ЦПП, а питание низковольтных потребителей выполняется посредством соответствующих понижающих силовых трёхфазных трансформаторов (TV3 - TV5, соответственно со схемой по рис. 1.1).
     Реакторы L1 и L2 применяют в случае необходимости для ограничения токов короткого замыкания на вводах ЦПП. Вероятным аварийным состоянием ЦПП следует считать короткое замыкание в силовых присоединениях, что требует применения устройств максимальной токовой защиты (МТЗ) в составе схем фидерных (Ф) комплектных высоковольтных распределительных устройств.
     Основными объектами электроснабжения подземных горных работ являются технологические комплексы (очистные, подготовительные, транспортные и т.п.). Их электромеханические установки оснащены электроприводами, обычно, - средней или большой мощности. Таким образом, электротехнические комплексы технологических участков и установок шахты являются важнейшими объектами, обеспечивающими выполнение всех производственных процессов.
     Структура системы электроснабжения потребителей участка по добыче угля (проходческий и очистной забои) строится в соответствии с требованиями и нормами, которые приведены в нормативных


9

документах [2 - 4] и содержит источник питания (подземная участковая передвижная трансформаторная подстанция (ПУПП)), распредпункт участка (РП) и асинхронные электродвигатели (М) потребителей (рис. 1.2). В свою очередь, участковый распредпункт может быть представлен совокупностью магнитных пускателей (П), от которых по радиальной схеме к асинхронным двигателям соответствующих потребителей ведёт разветвлённая сеть гибких кабелей (ГК) [3].



ПУПП

Рисунок 1.2 - Типовая схема электроснабжения очистного участка шахты на основе применения пускателей (а); станций управления (б)

     Групповой автоматический выключатель (АВ) применяется на вводе участкового распредпункта с целью подачи (снятия) напряжений на РП вручную и отключения его в автоматическом режиме при условии исчезновения напряжения в сети, возникновении короткого замыкания в присоединении или наличии команды внешней технологической защиты (например, газовая защита). Подача напряжения от участковой подстанции на ввод группового автоматического выключателя распределительного пункта осуществляется по магистральному кабелю (МК), в качестве которого принимают бронированные или гибкие экранированные кабели.
     Наряду с применением магнитных пускателей, вся совокупность силовых коммутационных аппаратов РП участка может быть размещена в комплектном распределительном устройстве - станции управления (СУ) (рис. 1.3).


10

     Таким образом, объектами, подлежащими расчёту и выбору в системе электроснабжения шахты являются высоковольтные и низковольтные коммутационные аппараты, трансформаторы ГПП и комплектных трансформаторных подстанций, высоковольтная и низковольтная (участковая) кабельная сеть, уставки срабатывания устройств защиты от токов короткого замыкания.

11

РАСЧЕТ НАГРУЗОК И ВЫБОР УЧАСТКОВЫХ ТРАНСФОРМАТОРНЫХ ПОДСТАНЦИЙ


2.1 Обоснование значения величины рабочих напряжений для подземных электроприемников

    Номинальное напряжение потребителей электрической энергии в угольных шахтах определяется необходимой мощностью для выполнения работы в соответствии с назначением. Для питания ручных электрических машин, участковых сетевых светильников, пультов управления и средств автоматизации и защиты технологических процессов достаточным является номинальное напряжение до 127 В. При этом номинальные напряжения могут принимать следующие значения: 12;24; 36; 60; 110; 127 В.
    Для более мощных потребителей номинальное напряжение может быть выбрано из ряда значений: 660; 1140; 3300; 6000 В. Выбор значения номинального напряжения осуществляется на основании технико-экономического сравнения вариантов. Основными техническими параметрами, которые наиболее существенно влияют на выбор уровня напряжения, являются мощность электропривода наиболее мощного потребителя, питаемого от данного низковольтного распредпункта и его удаленность от источника питания. Чем выше мощность электропривода (или суммарная мощность распредпункта) и расстояние до источника питания, тем более высокий уровень рабочего напряжения требуется для нормальной работы горных машин.
    Горные машины оснащены асинхронными двигателями, вращающий момент которых пропорционален квадрату приложенного к ним напряжения, а пусковой ток превышает номинальный в 6,5-7,5 раз. При работе таких электродвигателей потребляемый ток вызывает в питающей кабельной сети некоторую потерю напряжения, причем, чем больше мощность двигателя, тем больше потеря напряжения, и меньше напряжение, приложенное непосредственно к двигателю. Особенно снижается это напряжение при пуске двигателя, из-за чего его пусковой момент может оказаться меньше внешнего момента сопротивления. В этом случае ротор двигателя не вращается, хотя его статор обтекается пусковым током.
    При увеличении рабочего напряжения и неизменной мощности двигателя его токи (рабочий и пусковой) снижаются, как следствие

12

уменьшается потеря напряжения в кабельной сети и возрастает напряжение, приложенное к статору. При этом возрастают фактические пусковой и критический моменты двигателя, что способствует устойчивости работы электропривода.
     На основании изложенного и технико-экономических расчетов рекомендуются следующие допустимые области применения напряжений 660 В и 1140 В. При мощности двигателя наиболее мощной горной машины более 150 кВт и приведенной длине кабеля к этому двигателю свыше 150 м, предпочтительно напряжение 1140 В, при меньшей мощности более приемлемо напряжение 660 В.
     Применение напряжения более высокого номинального уровня (1140 В) позволяет на технологическом участке иметь более длинный магистральный кабель. В этом случае по мере перемещения очистного забоя можно реже передвигать комплектную трансформаторную подстанцию участка. Это дает существенный экономический эффект в случаях, когда для расположения подстанции необходимо делать расширение выработки или специальную камеру. Особо эффективным может оказаться применение напряжения 1140 В при прохождении тупиков выработок. Трансформаторную подстанцию располагают в этом случае на свежей струе воздуха, т.е. вначале тупиковой выработки, а низковольтный распредпункт - у забоя этой выработки. При суммарной мощности электроприемников тупиковой выработки 350 кВт, длина магистрального кабеля может достигать 800 м.
     В высоковольтных распределительных системах горных предприятий в настоящее время общепринятым является напряжение 6000 В. Однако при достаточно высокой мощности горного предприятия может применяться напряжение 10000 В. Приемлемая величина напряжения определяется на основании технико-экономического сравнения вариантов.


2.2 Расчетные мощности электроприемников электроэнергии на напряжение 660/1140 В

     Расчетная мощность электроприемников является основным параметром, по которому выбирается кабельная сеть, низковольтные коммутационные аппараты, подземные участковые передвижные трансформаторные подстанции и другие элементы системы электроснабжения.

13