煤礦井下電纜選型設計原則分析

時間：2023-05-21 10:23:23

煤礦井下電纜選型設計原則分析

摘要：隨著煤炭行業裝備技術的發展，各類型的用電設備需要配套使用相適宜的電纜，各種類型的煤礦用電纜應該在相應的場合中使用，對保障煤礦安全生產運行，對提高生產效率具有較大的作用。煤礦井下電纜的設計選型應從導體材質、絕緣水平、絕緣類型、護層類型、芯線數量、截面以及特殊需求這幾個方面來進行考慮。在具體設計過程中，每一項都有應該特別注意其規定，尤其是電纜截面的選擇。本文比較系統地講述了電纜截面選擇過程中的注意事項以及在計算過程中采用的方法，并指出了一些選型設計的常見誤區。

關鍵詞：煤礦井下電纜；電纜選型；絕緣水平；電壓損失；電壓偏差；熱穩定

引言

正確選用煤礦井下電纜，對于煤礦安全十分重要。通常煤礦井下電纜的設計選型主要從導體材質、絕緣水平、絕緣類型、外護層類型、截面等幾個方面進行綜合考慮［1－3］。但煤礦井下電氣設備種類繁多、使用環境復雜多樣，煤炭工業礦井電氣工程師在選擇時，考慮的因素全面性并不能得到保障［4－6］。為此，對煤礦井下電纜的導體材質、絕緣水平、絕緣類型、護層類型、芯線數量、截面以及特殊需求幾個方面的選擇進行詳細闡述。

1電纜類型選型設計原則

1．1導體材質

導體材質的選擇應遵循國家現行的規范規定。《煤礦安全規程》中規定，在進風斜井、井底車場及其附近、中央變電所至采區變電所之間，可以采用鋁芯電纜，其他地點必須使用銅芯電纜。《煤礦井下供配電設計規范》中規定，煤礦下井電纜應采用銅芯，嚴禁采用鋁包電纜，采區嚴禁采用鋁芯電纜。鋁包電纜即電纜外皮采用鋁材包裹的電纜，煤礦井下嚴禁采用鋁包電纜主要是由于鋁的化學性質活潑，在空氣中易與氧氣發生氧化反應，煤礦井下濕潤，又常含有酸性氣體，在煤礦井下使用鋁包電纜，會進一步加劇鋁的氧化速度，使電纜因侵蝕而不得不頻繁更換，還可能引發電氣事故，造成重大損失［7－9］。其次，由于電源的三相之間往往不可能絕對平衡，鋁包電纜的鋁包外皮常有一定的電流負載。因為鋁的膨脹系數較大，電纜發燒后其接頭處易松動，發生氧化甚至分斷，形成斷路點，使外皮泛起高電壓，嚴重威脅人身安全，若造成電火花，則有可能引發瓦斯煤塵爆炸事故。最后，在我國，電纜是納入礦用產品安全標志治理的產品，我國從未對任何型號規格的鋁包電纜產品發放安全標志，因此鋁包電纜應強制淘汰。

1．2絕緣水平

煤礦井下電纜的絕緣水平主要根據現場使用條件來確定。煤礦井下電纜導體的相間額定電壓不得低于使用回路的工作線電壓。煤礦井下電纜導體與絕緣屏蔽或金屬套之間的額定電壓的選取常常存在一定誤區［10－12］。在6kV以下的系統中，導體與絕緣屏蔽或金屬套之間的額定電壓基本符合規范規定，但對于6kV及10kV系統中導體與絕緣屏蔽或金屬套之間的額定電壓，大部分工程技術人員均選用6kV和8．7kV，這種選擇也有一定根據。IEC規定，當中性點非有效接地系統中系統單相接地故障持續時間超過1min時，導體與絕緣屏蔽或金屬套之間的額定電壓應選用第Ⅱ類，即6kV和8．7kV。但《煤礦安全規程》中規定，向移動變電站和電動機供電的高壓饋線上必須裝設具有選擇性應用于跳閘的單相接地保護。因此，除上述2種情況之外的電纜才有必要選擇第II類導體與絕緣屏蔽或金屬套之間的額定電壓。所以，6／6和8．7／10的電纜僅局限應用于井下未實現單相接地動作于跳閘的饋出回路，其他回路的電纜應該選用0．38／0．66、0．66／1.14、1.9／3．3、3．6／6、6／10絕緣等級的電纜。

1．3絕緣類型

煤礦電纜常用的絕緣類型主要有2種，交聯聚乙烯絕緣和橡皮絕緣。2種絕緣類型應根據以下使用環境及條件確定。交聯聚乙烯絕緣電纜：纜芯長期允許工作溫度90℃，短路熱穩定允許溫度250℃。該材料不含鹵素，燃燒時不會產生毒氣及煙，被稱為清潔電纜。該材料不具備阻燃性能，因此一般做法是在該材料當中添加阻燃劑，并采取輻照工藝以提高機械及電氣性能。該材料對紫外線照射比較敏感，通常采用聚氯乙烯作為外護套材料。橡皮絕緣電纜：也稱橡套電纜，纜芯長期允許工作溫度60℃，短路熱穩定允許溫度200℃。該材料彎曲性能較好，特別適合用于煤礦井下需要定期移動的地方。《煤礦安全規程》中規定，固定敷設的高壓電纜，應選用電力電纜，即交聯聚乙烯絕緣電纜。固定敷設的低壓電纜，應選用煤礦用電力電纜或橡套軟電纜。非固定敷設的高低壓電纜，必須采用煤礦用橡套軟電纜。因此，一般情況下，對于井下變電所的進線電纜、固定敷設的設備電源電纜均選用交聯聚乙烯絕緣電纜，除此之外，應盡量選用橡皮絕緣電纜。當選用交聯聚乙烯絕緣電纜時，應注意電纜引入裝置的類型選擇，不能選用密封圈引入方式，而應選擇環氧樹脂澆筑型式的電纜引入裝置。

1．4外護層及鎧裝類型

對于煤礦用交聯聚乙烯絕緣電纜的外護層，一般為聚氯乙烯護套，鎧裝層分別有鋼帶護層和鋼絲護層。對于鎧裝層的選用，在《煤礦安全規程》中有詳細規定。橡皮絕緣電纜的外護層一般為橡皮護套，煤礦井下移動設備，如采煤機、梭車等設備的電纜，為滿足使用的機械強度要求，可在內外護套之間增加加強層，加強層的結構主要有纖維編織層、鋼絲股線編織層、鋼絲繞包編織層。對于采煤機電纜在保護鏈板內使用時，可采用鋼絲繞包加強型。對于錨桿機、梭車等直接拖拽使用時，可采用鋼絲編織加強型。

1．5芯線數量

井下供電系統均為中性點非有效接地系統，因此主要功能芯線就是相導體與接地芯。交聯聚乙烯電纜一般將鎧裝層兼做接地芯，一般只有3芯相導體，例如MYJV22－6／10kV3×95mm2。當交聯聚乙烯電纜無鎧裝層時，仍應設置4芯導體（含接地芯），例如MYJV－1kV3×95＋1×50mm2。《礦山電力設計規范》中規定，移動變電站的電源電纜應采用監視型屏蔽橡套電纜，因此井下高壓橡套電纜還應配置絕緣監視線芯，例如MYPTJ－6／103×95＋3×50／3＋3×2．5mm2。上述型號中的地線芯、監視線芯根據電纜結構的設置，地線芯、監視線芯是纏繞相導體布置的。采煤機等設備配置先導回路時，電纜應配置控制線芯，例如MCPTJ－1．9／3．33×95＋1×50＋3×6mm2。對于錨桿機、梭車等移動拖拽使用的電纜，其電纜的使用過程是卷繞－拉直－卷繞周期性的運動狀態，該電纜應配置監視芯線導體，該型電纜制造標準參考的是英國BS6078標準。這個監視線芯的制造無論從絕緣方式以及屏蔽層等方面均等同于相導體，這樣做的目的是為了加強電纜機械強度，克服梭車電纜使用惡劣工況的困難。國內其他廠家也有改良該電纜結構的做法，電纜配置3芯相導體，2芯地線芯，1芯監視線芯。目前，我國煤炭行業暫未對梭車電纜進行標準規定，還有待國家明確相關標準以及實踐檢驗。例如一些廠家的型號為MSPTJB－0．66／1．143×35＋1×16＋1×35mm2，而有的廠家型號為MSPTJ－0．66／1.143×35＋2×10＋1×6mm2。

1．6電磁屏蔽功能選擇

《礦山電力設計規范》中規定，煤礦用橡套電纜需采用屏蔽電纜。常用的屏蔽方式分為非金屬屏蔽與金屬屏蔽，在型號中分別以P和PT表示。非金屬屏蔽層的作用是為了均勻線芯外表面電場，避免因導體表面不光滑以及線芯絞合產生的氣隙而造成導體和絕緣發生局部放電，而金屬屏蔽層的作用主要起到屏蔽電場的作用，隔絕內外電場的聯系。近些年，由于變頻調速裝置在煤礦井下的廣泛使用造成井下電磁污染嚴重的問題，相關廠家配套開發了變頻裝置用橡套軟電纜。該電纜從結構上采用相地三等分對稱、銅絲編織加鋁塑復合雙層屏蔽技術，有效抑制了諧波含量，降低干擾電場對外部電氣設備的影響。

2電纜截面選型設計原則

電纜截面的選擇應根據安全載流量、經濟電流密度、短路熱穩定、電壓降落方面進行校驗選擇，并宜按上述選擇值中的較大值進行選擇。

2．1安全載流量校驗

井下電纜承擔主排水泵負荷時，截面應按照當一回路不送電，其余回路應能擔負井下礦井最大涌水量時的總計算負荷。井下電纜不承擔主排水泵負荷時，截面應按照當一回路不送電，其余回路擔負井下供電范圍內的總計算負荷。井下其他電纜的截面也應滿足電纜允許持續電流值大于電纜正常工作負荷的計算電流。電纜允許持續電流值應注意按照敷設方式、敷設環境溫度、直埋敷設時土壤熱阻系數的差異、電纜多根并列時的影響、無遮陽時的日照影響多個因素進行綜合校正，經校正后的載流量才為實際的電纜允許持續電流值。在用電設備組電纜選擇時，計算負荷應按照需用系數法進行計算，但在單臺設備電纜選擇時，應按照該設備額定功率進行計算。這個主要是因為采用需要系數法計算負荷時，實際是假想一個與用電設備組的變動負荷產生的熱效應相等的一個計算負荷值。

2．2短路熱穩定校驗

井下電纜應按照電力系統最大運行方式，電纜首段發生三相短路時的熱穩定性要求進行電纜截面。電纜短路熱穩定校驗按照S≥Q／C進行計算。熱穩定系數C的計算雖然按照《電力工程電纜設計標準》附錄E的計算方法稍顯復雜，但在工程計算中，通常銅芯電纜按照137計算。短路電流熱效應Q的計算反而較為復雜，計算過程中應該注意熱效應時間應取保護動作時間與斷路器開斷時間之和，對于電動機變壓器等直饋線應按照后備保護動作時間選取，對于其他饋線應按照主保護動作時間選取。此外，短路電流的熱效應為短路電流周期分量熱效應與非周期分量熱效應之和，往往工程技術人員在計算熱效應時，容易忽略非周期分量熱效應，一個慢速斷路器的開斷時間大約為0．2s，而非周期分量等效時間為0．05s，這個值將會使計算結果產生很大偏差。

2．3正常運行電壓損失校驗

煤礦供電線路壓降不得超過5％在煤炭行業的設計文件編制、審查被廣泛應用，雖然經過多方查詢，翻閱多種國家規范設計手冊，均無強制性規定煤礦供電線路壓降不得超過5％。但是，作為工程技術人員應該弄清楚為什么規范要求進行線路壓降校驗。電器設備端子電壓實際值偏離額定值時，電器設備的性能會直接受到影響，因此，《電能質量供電電壓偏差》中規定了各級電壓允許偏差，在偏差計算中，電壓降落實際是偏差計算的一個關鍵數據。我們日常校驗的電壓降落是在最大負荷情況下的一個電壓降落，例如10kV線路，如果考慮電源系統的供電偏差約±3％，再加上最大負荷時煤礦供電線路壓降5％，最大負偏差將達到8％，超過國家標準規定的±7％。因此，提出煤礦供電線路壓降不得超過5％也具備一定的參考價值，但不能一味的要求煤礦供電線路壓降不得超過5％。目前，解決電壓偏差過大的措施可以使用有載調壓變壓器，進行波峰波谷補償偏差，即逆調壓方式。有載調壓變壓器的使用將使得線路最大壓降即時超過5％時，能夠滿足國標中電器設備端子電壓偏差的要求，對電器設備的影響也會降到最低。《煤礦井下供配電設計規范》中明確規定，采區動力電纜正常運行時電壓允許偏差應為額定電壓的±5％，個別特別遠的電動機允許偏差為額定電壓的－8％～－10％。

2．4電動機啟動時電壓損失校驗

隨著煤礦井下大容量電動機使用越來越頻繁，尤其是重載情況下啟動，線路產生的壓降導致電動機端子電壓無法達到克服凈阻轉矩的要求時，電動機是無法正常啟動的。《煤礦井下供配電設計規范》中規定，對距離最遠、容量最大的電動機，應保證在重載情況下啟動。若無相關機械數據時，可按電動機啟動時端電壓不低于額定電壓的75％校驗。在進行這一項目校驗時，關鍵是電動機啟動電流的選取。鼠籠式異步電動機直接啟動時，啟動電流約為額定電流的4～7倍。晶閘管降壓軟啟動時，啟動電流約為額定電流的2．5～3．5倍。變頻啟動時，啟動電流約為額定電流的2倍以下。在計算壓降時，還應考慮系統提供的短路容量、預接負荷的無功功率這2項條件。往往工程技術人員在校驗電動機端電壓的情況時，會忽略啟動時供電系統母線的電壓降落情況。國家規定接觸器必須使控制電壓在75％～110％額定值之間時，能夠可靠閉合。但采區電動機控制設備的控制電源均通過內置控制變壓器取自電源母線。因此，當配電母線下最大最源電動機啟動時，母線電壓不應低于額定電壓的85％。

2．5經濟電流密度校驗電纜截面的經濟

電流密度校驗應根據《電力工程電纜設計標準》附錄B中的規定進行校驗。在校驗過程中應注意以下3個方面的內容：①選擇經濟電流密度曲線時，應注意區分單一制電價和2部制電價的區別。②對于備用回路、備用電機的電纜，應對其運行小時數進行折算后再選擇對應的經濟電流密度；對一些長期不使用的回路，不宜按照經濟電流密度進行選擇。③當經濟電流密度選擇介于2種標準截面之間時，應按照相鄰較近的一檔進行選擇。

3結語

電纜作為煤礦供配電系統中最重要的電氣設施，在實際使用時，除應滿足上述技術條件外，平時還應注意電纜的維護，如加強通風以降低電纜使用環境溫度、定期除塵和絕緣檢查以及防止電纜機械損傷等。電纜的安全使用關系到煤礦的安全生產，關系到煤礦機電設備的安全使用，關系到煤礦的整體生產效率。因此，電纜的科學選型、使用必須引起工程技術人員的高度重視。

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