Электрификация горного производства

Москва 2021

Минис терс тво науки и высш его о б ра з о ва н и я рФ

ФеДераЛЬное госуДарственное автоноМное образоватеЛЬное уЧреЖДение 
высшего образования 
«наЦионаЛЬныЙ иссЛеДоватеЛЬскиЙ теХноЛогиЧескиЙ университет «Мисис»

горныЙ институт 
 
Кафедра энергетики и энергоэффективности горной 
промышленности

№ 4113

А.В. Пичуев
А.И. Герасимов

ЭЛЕКТРИФИКАЦИЯ ГОРНОГО  
ПРОИЗВОДСТВА

учебно-методическое пособие по курсовому 
проектированию по дисциплине «Электрификация 
горного производства» для студентов направления 
подготовки 21.05.04 – «горное дело» специализации 
«Электрификация и автоматизация горного 
производства»

рекомендовано редакционно-издательским 
советом университета

УДК 621.311.1:622.86 
 
П36

Р е ц е н з е н т 
д-р техн. наук, проф. Т. Б. Лещинская  
(Московский институт энергобезопасности и энергосбережения)

Пичуев А. В.
П36  
Электрификация горного производства : учеб.-метод. 
пособие по курсовому проектированию по дисциплине 
«Электрификация горного производства» для студентов 
направления подготовки 21.05.04 – «Горное дело» спе-
циализации «Электрификация и автоматизация горно-
го производства» / А. В. Пичуев, А. И. Герасимов. – М. : 
Изд. Дом НИТУ «МИСиС», 2021. – 116 с.

В учебно-методическом пособии изложены цели и задачи кур-
сового проектирования как самостоятельной инженерной работы 
для получения навыков по решению практических задач в области 
электрификации горного производства. Приведены методические 
рекомендации по выполнению курсового проекта; порядку рас-
чета электрической нагрузки, подземных кабельных сетей, токов 
замыкания; выбору и проверке защитной и коммутационной ап-
паратуры в участковых сетях шахт. Дана методика расчета осве-
щения карьеров, определения электрических нагрузок, выбора 
трансформаторов, проводов и кабелей, расчета токов короткого за-
мыкания, релейной защиты и защитного заземления, определения 
основных технико-экономических показателей электрохозяйства 
горного предприятия. В состав учебно-методического пособия вхо-
дят справочный каталог и информация о пакете прикладных про-
грамм ЭВМ. 
Учебно-методическое пособие по курсовому проектированию 
разработано в соответствии с учебной программой дисциплины 
«Электрификация горного производства» для студентов направле-
ния подготовки 21.05.04 – «Горное дело» по специализации «Элек-
трификация и автоматизация горного производства».

УДК 621.311.1:622.86

 А.В. Пичуев,  
А.И. Герасимов, 2021

 НИТУ «МИСиС», 2021

Содержание

Предисловие ..................................................................6

1 Электрификация подземных горных работ .......................8
1.1 Расчет электрического освещения подземных  
выработок .................................................................... 8
1.1.1 Точечный метод .................................................. 8
1.1.2 Метод коэффициента использования светового 
потока..................................................................... 10
1.1.3 Содержание раздела в курсовом проекте .............. 11
1.2 Расчет электрической нагрузки участка  
и выбор силового трансформатора ПУПП ........................ 13
1.2.1 Расчет электрической нагрузки методом 
коэффициента спроса ................................................ 13
1.2.2 Содержание раздела в курсовом проекте .............. 15
1.3 Выбор сечения и проверка кабелей в нормальном  
режиме работы электрооборудования ............................. 16
1.3.1 Основные расчетные соотношения и условия  
выбора кабелей ........................................................ 16
1.3.2 Содержание раздела курсового проекта ............... 18
1.4.1 Основные расчетные соотношения и условия 
проверки  ................................................................ 20
1.4.2 Содержание раздела курсового проекта ............... 22
1.5 Расчет токов замыкания в участковой сети ................ 23
1.5.1 Основные расчетные соотношения и условия 
проверки уставок максимальной защиты .................... 23
1.5.2 Содержание раздела курсового проекта ............... 25
1.6 Расчет высоковольтного участка кабельной сети  
от РПП-6 кВ (ЦПП) шахты до ПУПП участка .................. 26
1.6.1 Основные расчетные соотношения, условия  
выбора и проверки .................................................... 27
1.6.2 Содержание раздела курсового проекта ............... 30
1.6.3 Содержание графического листа курсового  
проекта ................................................................... 30

2 Электрификация открытых горных работ ...................... 32
2.1 Расчет электрического освещения карьеров ............... 32
2.1.1 Расчет освещения светильниками  
с ксеноновыми лампами с помощью изолюкс ............... 32

2.1.2 Точечный метод расчета освещения .................... 33
2.1.3 Метод светового потока ..................................... 35
2.1.4 Содержание раздела курсового проекта ............... 36
2.2 Расчет электрических нагрузок и выбор мощности 
трансформаторов подстанций ........................................ 38
2.2.1 Метод коэффициента спроса ............................... 38
2.2.2 Расчетная мощность трансформатора ГПП 
и участковых КТП .................................................... 40
2.2.3 Содержание раздела курсового проекта ............... 41
2.3 Расчет воздушных и кабельных линий карьера .......... 42
2.3.1 Методика расчета воздушных линий ................... 42
2.3.2 Методика расчета кабельных линий .................... 45
2.3.3 Содержание раздела в курсовом проекте .............. 46
2.4. Расчет токов короткого замыкания в карьерных 
электрических сетях .................................................... 47
2.4.1 Приведение параметров сети к системе 
относительных единиц .............................................. 47
2.4.2 Аналитическое определение токов  
и мощности КЗ ......................................................... 50
2.4.3 Определение токов и мощности КЗ  
по расчетным кривым ............................................... 51
2.4.4 Содержание раздела в курсовом проекте .............. 52
2.5 Выбор аппаратуры управления и защиты 
электроустановок ........................................................ 53
2.5.1 Выбор и проверка выключателей  
и разъединителей ..................................................... 53
2.5.2 Выбор выключателей нагрузки  
и предохранителей ................................................... 54
2.5.3 Выбор и проверка трансформаторов тока ............. 55
2.5.4 Содержание раздела курсового проекта ............... 57
2.6 Расчет защитного заземления карьерных 
электроустановок ........................................................ 58
2.6.1 Методика расчета сети защитного заземления ...... 59
2.6.2 Содержание раздела в курсовом проекте .............. 62
2.6.3 Содержание графического листа курсового  
проекта ................................................................... 63

Библиографический список ............................................ 64

Приложение А.  
Электрооборудование и электроснабжение подземных  
горных работ ................................................................ 65

Приложение Б.  
Электрооборудование и электроснабжение открытых  
горных работ ................................................................ 88

Приложение В.  
Титульный лист и бланк задания курсового проекта .........108

Приложение Г.  
Варианты заданий на курсовой проект ............................110

Предисловие

Учебно-методическое пособие по курсовому проектированию 
разработано в соответствии с программой дисциплины 
«Электрификация горного производства» для студентов специальности 
21.05.04 «Горное дело», обучающихся на специализации «
Электрификация и автоматизация горного производства».

Целью пособия является развитие у студентов практических 
навыков в решении задач при проектировании систем 
электроснабжения шахт и карьеров. 
Учебно-методическое пособие состоит из двух частей, 
каждая из которых представлена в виде тематических разделов, 
содержащих методические принципы проектирования, 
расчетные формулы и соотношения, содержательную часть 
каждого из разделов курсового проекта.
В первой части приведены методические указания по 
расчету электрического освещения подземных выработок, 
расчету электрической нагрузки и выбору мощности силового 
трансформатора передвижной участковой подстанции, выбору 
и проверке сечений силовых кабелей в нормальном режиме 
работы электрооборудования, расчету участковой сети в 
пусковом режиме работы электрооборудования, расчету токов 
замыкания и выбору защитной и коммутационной аппаратуры, 
расчету высоковольтного участка сети.
Во второй части приведены методические указания по 
расчету электрического освещения карьеров, расчету электрических 
нагрузок и выбору мощности трансформаторов под-
станций, расчету воздушных и кабельных линий карьера, рас-
чету токов короткого замыкания в карьерных электрических 
сетях, выбору аппаратуры управления и защиты электроуста-
новок, расчету защитного заземления карьерных установок. 
В состав учебно-методического пособия включены спра-
вочные таблицы, представленные в приложениях А, Б. 
Курсовой проект должен соответствовать современному 
уровню инженерного проектирования, объему теоретических 
знаний и практических навыков, полученных студентами в 
процессе обучения специальности и при прохождении учеб-
ных и производственных практик на предприятиях.

Непременным требованием к выполнению расчетной 
части проекта является использование для проверочных рас-
четов пакета прикладных программ ЭВМ, разработанных 
на кафедре ЭЭГП для данной учебной дисциплины, а также 
лицензионных программ инженерных расчетов MS Exсel, 
MatCAD и др.
Выполнение курсового проекта осуществляется в рам-
ках курса, опубликованного на официальном сайте НИТУ 
«МИСиС» в среде LMS CANVAS.
Графическая часть должна быть представлена в объеме 
1 … 2 листов формата А1, выполнять ее следует в AutoCAD, в 
ней должны быть отражены основные результаты расчетной 
части курсового проекта в виде схем электроснабжения, вы-
полненных на плане горных работ, однолинейных принци-
пиальных схем электроснабжения объекта проектирования и 
соответствующих спецификаций основного электрооборудова-
ния. 
Образец бланка задания к курсовому проекту приведен 
в Приложении В.
Тематика курсового проекта определяется:
 - преподавателем дисциплины для каждого студента 
применительно к предприятию, на котором проводилась про-
изводственная практика, с учетом имеющихся необходимых 
материалов и сведений об объекте проектирования;
 - по совместному согласованию с руководителем ди-
пломного проекта по предприятию, намеченному к дипломно-
му проектированию;
 - преподавателем дисциплины для каждого студента из 
вариантов исходных данных по курсовому проектированию, 
приведенных в Приложении Г.
Учебно-методическое пособие может быть использовано 
при проведении практических занятий, выполнении разделов 
выпускных квалификационных работ и при самостоятельной 
подготовке студентов направлений 21.05.04, 13.03.02. 

1 Электрификация подземных 
горных работ

1.1 Расчет электрического освещения 
подземных выработок

Цель светотехнического расчета – определение числа 
и мощности светильников, места их установки в подземных 
выработках шахт для обеспечения минимальной нормируемой 
освещенности рабочих поверхностей, определение мощности 
пусковых агрегатов и осветительных трансформаторов.
В соответствии со спецификой подземных горных работ 
светотехнические расчеты выполняются точечным методом 
(горные выработки очистных, проходческих участков, вентиляционных 
и откаточных штреков) и методом коэффициента 
использования светового потока (околоствольный двор, специальные 
камеры, подсобные и складские помещения и т.д.).

1.1.1 Точечный метод

Для освещения рабочей поверхности выработки предварительно 
выбираются тип и мощность светильников, определяется 
коэффициент приведения светового потока:

 

л
л

у

Ф
Ф

Ф
1000
с =
=
, 
(1.1.1)

где с – коэффициент, учитывающий отношение светового 
потока лампы к световому потоку условной лампы;
Фл – световой поток лампы, лм;
Фу – световой поток условной лампы, лм.

Определяются геометрические параметры подвеса светильников (
рисунок 1.1.1):
h – высота подвеса светильника над рабочей поверхностью, 
м;
L – расстояние между светильниками, м;
α – угол отклонения луча от вертикальной оси, град.

Рисунок 1.1.1 – Геометрические параметры 
подвеса светильников

По кривым силы света [4] для заданного типа светильника 
определяется сила света Iα под углом α в направлении освещаемой 
точки поверхности.
Горизонтальная и вертикальная освещенности рабочей 
точки поверхности определяются по формулам

 

3

г
2
з

cos
I
E
h k

α
α
=
; 
в
гtg
E
E
=
α , 
(1.1.2)

где Ег – горизонтальная освещенность, лк;
Iα – сила света в направлении луча, кд;
kз – коэффициент запаса (kз = 1,2 … 2,0);
Ев – вертикальная освещенность, лк.

Полученные значения освещенности сравниваются с 
минимально допустимой нормируемой освещенностью Ен для 
данного типа выработки по отношениям

 
г
н
E
E
≥
; 
в
н
E
E
≥
, 
(1.1.3)

Мощность осветительного трансформатора (пускового 
агрегата) определяется по формуле

3
л
тр.осв
с
св
л

10
cos
nP
S

−
= η η
ϕ , 
(1.1.4)

где n – количество светильников, шт.;
Рл – мощность лампы, Вт;
ηс – КПД осветительной сети;
ηсв – КПД светильника;
cosϕл – коэффициент мощности лампы.

Сечение осветительного кабеля определяется по формуле

 

3
л
1

к

10
2
L
nP
l
s
c U

−


+




=
Δ
, 
(1.1.5)

где l1 – расстояние от трансформатора до осветительной 
сети, м;
L – протяженность осветительной сети, м;
с – поправочный коэффициент (с = 8,5 для трехфазной 
линии 127 В при равномерной нагрузке);
ΔU – допустимая потеря напряжения (ΔU = 4 %).

1.1.2 Метод коэффициента использования 
светового потока

Метод предназначен для расчета общего равномерного 
освещения по заданной освещенности горизонтальной рабочей 
поверхности светильниками любого типа при отсутствии затеняющего 
оборудования.
Величина светового потока определяется по формуле

 

з
з
L
L

Ek Sz
F
Nn
=
, 
(1.1.6)

где FL – световой поток лампы (или ламп) в светильнике, 
лм;
E – минимальная нормируемая освещенность, лк (таблица 
А.1);
kз – коэффициент запаса (таблица А.2);
S – площадь помещения, м2;
z – отношение средней освещенности к минимальной 
(для ламп накаливания z = 1,15; для люминесцентных ламп 
z = 1,1 … 1,3);

N – число светильников;
nL – число ламп в светильнике;
η – коэффициент использования светового потока (отношение 
потока, падающего на рабочую поверхность, к суммарному 
потоку всех ламп).

При освещении лампами накаливания вначале намечается 
число светильников, затем по формуле (1.1.6) определяется 
необходимый световой поток одной лампы и по нему подбираются 
ближайшая стандартная лампа и светильник. Если 
невозможно выбрать лампу с допуском в +20 % или –0 %, 
тогда корректируется число светильников N. При освещении 
рядами люминесцентных светильников до начала расчета намечается 
число рядов, а также тип и мощность лампы, для которой 
известен ее световой поток FL. 
Необходимое число светильников определяется по формуле

 


з
з
L
L

Ek Sz
N
F n
=
. 
(1.1.7)

Делением N на число рядов определяются число светильников 
в каждом ряду и полная длина ряда, исходя из габаритов 
светильника. Коэффициент использования светового потока 
η зависит от КПД и формы кривой силы света светильника, 
расчетной высоты h, площади помещения S, отношения длины 
помещения A к ширине B, коэффициентов отражения потолка 
ρп, стен ρс и расчетной поверхности ρр.п, принимаемых по таблице 
А.3 и справочным данным. Значение η для некоторых типов 
светильников определяется по справочной литературе как 
функция индекса помещения i и значений ρп, ρc, и ρр.п. 
Индекс помещения рассчитывается по формуле

 
(
)

S
i
h A
B
=
+
. 
(1.1.8)

1.1.3 Содержание раздела в курсовом проекте

Для расчета электрического освещения откаточного 
штрека протяженностью L, м, люминесцентными светильниками 
определяется минимальная нормируемая освещенность 

рабочей поверхности по таблице А.1. Порядок выполнения 
расчетов следующий.
1 Предварительно принимается к установке тип светильника 
и приводятся его светотехнические характеристики.
2 Определяются геометрические параметры подвеса светильников 
в штреке. 
3 Рассчитывается коэффициент приведения светового 
потока по формуле (1.1.1).
4 Горизонтальная освещенность в точке, равноудаленной 
от двух светильников, рассчитывается по формуле (1.1.2).
5 При выполнении условия (1.1.3) к установке принимается 
изначально выбранный тип светильника. Если условие 
не выполняется, то меняются или тип светильников, или геометрические 
размеры их установки в штреке.
6 Рассчитывается количество светильников по формуле 
N = (L – l)/l.
7 Рассчитывается сечение осветительного кабеля по 
формуле (1.1.5) и выбираются тип и марка кабеля осветитель-
ной сети.
8 По формуле (1.1.4) рассчитывается мощность освети-
тельного трансформатора, к установке принимается соответ-
ствующий пусковой агрегат (таблица А.8).
9 Составляется таблица 1.1.1 с технической характери-
стикой осветительного агрегата и силового трансформатора 
(трансформаторов – при раздельном питании групп потребите-
лей участка).

Таблица 1.1.1 – Техническая характеристика пусковых 
агрегатов и осветительных трансформаторов

Параметр
Тип агрегата
Тип трансформатора

Номинальная мощность, кВ·А

Номинальное напряжение, В:
ВН
НН

Номинальный ток, А:
ВН
НН

КПД

Расчет освещения закрытых помещений выполняется 
методом коэффициента использования светового потока, как 
показано ниже.
1 Определяются параметры помещения (длина, шири-
на) и высота подвеса светильников, их тип, количество и раз-
мещение, а также задается минимальная нормируемая осве-
щенность рабочей поверхности (см. таблицу А.1).
2 Рассчитывается индекс помещения (см. формулу 
(1.1.8)), по величине которого по таблицам А.5 … А.6 опреде-
ляется соответствующий коэффициент использования.
3 По формуле (1.1.6) определяется расчетный световой 
поток от одного светильника, величина которого сравнивается 
с его технической характеристикой, приведенной в таблицах 
А.4 и А.7.
4 По формуле (1.1.7) определяется необходимое число 
светильников.
5 В разделе приводится план помещения с указанием 
места установки светильников, осветительного щита, способ 
прокладки проводки и места установки выключателей.

1.2 Расчет электрической нагрузки 
участка и выбор силового 
трансформатора ПУПП

Электроснабжение электроустановок очистных и про-
ходческих механизированных комплексов осуществляется от 
силовых трансформаторов типа ТСШВ и ТСВ передвижных 
участковых понизительных подстанций (ПУПП) напряжени-
ем 6/1,14–0,66 кВ.
Цель расчета – определение расчетной нагрузки и вы-
бор мощности силового трансформатора ПУПП, от которой 
осуществляется питание машин и механизмов, установлен-
ных на участке.

1.2.1 Расчет электрической нагрузки методом 
коэффициента спроса

При механизированной добыче угля или проведении 
подготовительных работ машинами с индивидуальной крепью