Электроснабжеие горных предприятий

ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЕ ГОРНЫХ ПРЕДПРИЯТИЙ (а. power supply of mines; н. Stromversorgung der Bergbaubetriebe; ф. approvisionnement en energie electrique des entreprises minieres, alimentation electrique des entreprises minieres; и. suministro de energia electrica de minas) — обеспечение электрооборудования горных предприятий электрической энергией.

Первое промышленное внедрение электроэнергии на горных предприятиях для сигнализации, связи и стационарного освещения относится к 80-90-м гг. 19 в. Вместе с тем только на базе электрификации стало возможным повысить уровень энерговооружённости горных машин, необходимый для эффективного ведения горных работ. В 1885-1906 в Германии составляются правила изготовления взрывозащищённого электрооборудования (сохранившиеся в своей основе и ставшие прототипом современных правил), начинается его применение на газовых шахтах. На рубеже веков в горных машинах преимущественно использовался электропривод постоянного тока. Начало 20 века характеризуется применением электропривода на основе трёхфазного переменного тока. В этот период созданы электродвигатели, пусковая аппаратура, кабели. В 20-40-е гг. создаётся более совершенная пусковая аппаратура, внедряется дистанционное управление. В 50-х гг. происходит коренной технический переворот в электроснабжении горных предприятий: выпускаются взрывобезопасные трансформаторы, высоковольтные выключатели с безмасляным гашением дуги, пускатели с искробезопасными цепями управления. Рост мощности горного оборудования вызвал необходимость перехода на более высокое напряжение, внедрения передвижных подстанций, негорючих экранированных кабелей, переключательных пунктов, системы опережающего отключения и автоматической газовой защиты.

Установленная мощность современных шахт в зависимости от их производственной мощности, глубины залегания пластов или рудных тел, размеров шахтного поля, водообильности, уровня механизации, автоматизации и др. факторов достигает десятков MBA. В связи с этим структура системы электроснабжения горных предприятий включает несколько блоков, имеющих свою специфику в части технической реализации, технических характеристик и исполнения электрооборудования. По этому принципу можно выделить системы: внешнего электроснабжения, электроснабжения потребителей поверхности, электроснабжения подземных горных работ напряжением выше 1 кВ, стационарных и полустационарных установок, а также участков, которые могут питаться от главной понизительной подстанции (ГПП) по скважинам, штольням или от центральной подземной подстанции (ЦПП). Электроснабжение горных предприятий может осуществляться от энергосистем; автономных источников питания; собственных электростанций, связанных с энергосистемой.

Под системой внешнего электроснабжения понимают комплекс технических устройств, обеспечивающих передачу электроэнергии от источника питания до приёмных подстанций горном предприятия, включающих подстанции глубокого ввода (ПГВ) и линий электропередач, а от них до ГПП. Ввод на ПГВ может осуществляться напряжением 35, 110, 150, 220 кВ, а на ГПП (в зависимости от условий) — от 6 до 220 кВ. Проектируют системы электроснабжения горных предприятий в соответствии с классификацией электропотребителей по надёжности электроснабжения. По характеру ущерба, который может быть нанесён горному предприятию из-за перерывов в электроснабжении, все потребители электроэнергии делятся на 3 категории (I, II, III). Электроснабжение горных предприятий осуществляют не менее чем по двум линиям от двух независимых источников питания (независимо от величины напряжения). Все питающие линии электропередач должны находиться под нагрузкой.

ГПП, входящие в систему электроснабжения горных предприятий, представляют собой, как правило, распределительно-трансформаторную подстанцию, в которой устанавливают 2 трансформатора (рис. 1).

Мощность каждого из них обеспечивает 100%-ную нагрузку, или при аварийном отключении одного из трансформаторов оставшийся обеспечивает питание потребителей I категории и основных потребителей II категории на время ликвидации аварии.

Схемы и конструкции ГПП разнообразны. Независимо от района расположения предусматриваются открытые распредустройства (ОРУ) на напряжение 35-220 кВ с наружной установкой силовых трансформаторов и закрытые распредустройства (ЗРУ) на напряжение 6-10 кВ. Схемы электрических соединений подстанций выбирают исходя из нагрузки предприятия, схемы и прилегающих сетей энергосистемы, количества и мощности силовых трансформаторов и линий, требуемой степени надёжности электроснабжения, уровня токов короткого замыкания, электрооборудования необходимых параметров и надёжности. Схемы первичных соединений ГПП могут выполняться с выключателями на стороне 35-220 кВ. Однако на современных горных предприятиях наибольшее распространение получили упрощённые схемы ОРУ на 35-220 кВ, основанные на "блочном принципе". На таких ГПП отсутствуют сборные шины ОРУ на 35-220 кВ, а трансформаторы питаются по схеме блок "линия — трансформатор". Схемы ОРУ с короткозамыкателями и отделителями применяют на ГПП с трансформаторами мощностью 10 000 кВА и выше. Каждый трансформатор питается по отдельной радиальной линии 35-220 кВ, присоединённой к шинам подстанции энергосистемы через выключатель или к магистральной воздушной линии. Отделитель в этом случае предназначен для отключения только повреждённого трансформатора.

При необходимости иметь на ГПП несколько вторичных напряжений (например, 35 и 10 кВ) на карьерах (разрезах) устанавливают трёхобмоточные трансформаторы и выполняют раздельные РУ. На шахтах, в силу специфики подземных условий, установка трёхобмоточных или разделительных трансформаторов обязательна. При выборе местоположения ГПП на генплане предприятия обеспечивается возможность удобных заходов и выходов линий электропередач всех напряжений, зона ГПП и трасса воздушной линии выбирается с учётом розы ветров, характера и концентрации выделяемой угольной пыли, зоны её оседания.

При строительстве и, особенно, реконструкции шахт в целях экономии земельных отводов используются двухъярусные (двухэтажные) подстанции, в которых на первом этаже располагаются ЗРУ 6-10 кВ, статические конденсаторы, трансформатор собственных нужд, панели защиты и автоматики, служебные помещения, а на втором ярусе (этаже) — открытое распредустройство 35-220 кВ. Понизительные трансформаторы устанавливают рядом на специально спланированной площадке.

В качестве подстанций глубокого ввода напряжения 35-220 кВ могут применяться комплектные трансформаторные подстанции (типа КТП-35 и КТП-110) с одним или двумя трансформаторами. Комплектные подстанции устанавливают при ограниченном времени использования, а также в случаях, когда в процессе эксплуатации целесообразна их переноска. Когда время работы подстанции на одном месте (электроснабжение через скважины, питание во время строительства) не превышает 1-3 (5) лет и возникает необходимость её перемещения, предусматривают передвижные подстанции на напряжение 6-10/0,4; 0,23 кВ, смонтированные на салазках. На подстанциях применяют комплексные распредустройства (КРУ). Для ответственных установок или узлов нагрузки рекомендуется использовать КРУ с выкатными выключателями, а при простых схемах коммутации и на временных электроустановках — КРУ типа KCO. На присоединениях малой и средней мощности неответственных потребителей при напряжении 6-10 кВ применяют выключатели нагрузки в комплекте с предохранителями, когда их параметры удовлетворяют режимам работы установки. Для обеспечения необходимого резервирования подземных электроустановок, вентиляторов главного проветривания, людских и грузолюдских подъёмных установок в распредустройствах 6-10 кВ предусматриваются резервные КРУ.

Электроснабжение подземных горных работ обусловлено горно-геологическими условиями разработки, технологией работ, метанообильностью, запылённостью и повышенной влажностью в горных выработках. Наиболее мощные потребители электроэнергии в подземных выработках шахт, разрабатывающих пологие и наклонные пласты, — водоотливные установки, очистные механизированные комплексы, проходческие комбайны, породопогрузочные машины, электровозный и конвейерный транспорт. Суммарная установленная мощность современных участков 800-1200 кВт. Наиболее распространённый способ питания участков — через ствол. В целях повышения уровня безопасности осуществляют обособленное питание электроприёмников шахт от поверхностных сетей. Схемы обособленного питания выполняются на базе трёхобмоточных трансформаторов ТДТНШ, двухобмоточных с расщеплённой обмоткой низшего напряжения ТРДН и разделительных трансформаторов напряжением 6/6 кВ. Система электроснабжения шахт большой производственной мощности при фланговом расположении вентиляционных стволов строится на основе 2 ГПП с обособленным питанием от трёхобмоточных трансформаторов или трансформаторов с расщеплённой вторичной обмоткой. При питании подземных участков через скважины при напряжении 0,66 кВ понизительные трансформаторы устанавливают возле каждой скважины и, следовательно, разделение сетей происходит автоматически.

В ЦПП, как и на ГПП, для обеспечения надёжности электроснабжения применяют секционированную систему шин. От ЦПП электроэнергия по кабельным линиям передаётся к участковым подстанциям (при незначительном удалении фронта очистных и подготовительных работ от околоствольного двора) или к распределительным подземным пунктам РПП 6 (10) кВ (при значительном удалении работ). Если работы ведутся на несколько горизонтах, то на основном из них сооружают ЦПП, а на остальных — ЦРП.

При питании подземных электропотребителей через скважины или шурфы возможны 2 варианта построения системы электроснабжения горных предприятий — на напряжение до 1200 В и 6-10 кВ. В первом случае на поверхности у скважины устанавливается передвижной трансформаторный киоск или передвижная КТП. От секций шин ГПП электроэнергия подаётся по воздушной линии. Во втором случае электроэнергия напряжением 6-10 кВ от шин ГПП подводится по воздушной линии к скважине или шурфу; в подземных выработках напряжение трансформируется. Распределение и преобразование электроэнергии в подземных выработках осуществляется стационарными и передвижными подстанциями: ЦПП, РПП, участковыми стационарными и передвижными. Основным оборудованием подземных подстанций являются КРУ, силовые трансформаторы, преобразовательные агрегаты, коммутационная аппаратура напряжением до 1 кВ. КРУ предназначены для распределения электроэнергии напряжением 6-10 кВ, а также защиты сетей и управления электроприёмниками напряжением выше 1 кВ. На рудниках и шахтах, не опасных по газу и пыли, применяются КРУ в нормальном (ВЯП-6) или в рудничном (КРУРН-10) исполнении. В шахтах, опасных по газу или пыли, в эксплуатации находятся КРУ РВД-6 (исполнение РП), ЯВ-6400 и КРУВ-6 с электромагнитным выключателем. Для питания очистных и подготовительных участков применяются передвижные трансформаторные подстанции ТСВП (ТСВЭ), а для пластов, опасных по внезапным выбросам угля и газа, — подстанции типа ТСВП-160/6-КП и ТСВП-400/6-КП. Для зарядки аккумуляторных батарей электровозов используют зарядные устройства типа ЗУК и УЗА, а для питания контактных электровозов — тяговые подстанции АТП и АТПШ. Распределение электроэнергии в подземных выработках, питание стационарных и передвижных машин и механизмов производят кабели специального назначения напряжением до и свыше 1 кВ, которые по своей конструкции делятся на бронированные, гибкие повышенной прочности (полугибкие), гибкие и особогибкие. Для аппаратуры опережающего отключения используется кабель с расщеплёнными жилами. Тяжёлые условия эксплуатации в подземных выработках, особенно на шахтах, опасных по газу или пыли, требуют применения специального взрывозащищённого электрооборудования, в котором приняты меры по обеспечению его пригодности для использования во взрывоопасной атмосфере (см. Взрывозащита).

Электрооборудование очистных и проходческих комплексов вместе с электрооборудованием погрузочных пунктов, осветительной сетью, распределительными пунктами, участковыми подстанциями и питающими кабелями составляет систему электроснабжения подземного участка. В зависимости от горно-геологических условий, системы разработки и др. электрооборудование располагают на конвейерном либо на вентиляционном штреке (рис. 2).

Разнообразие систем разработок и способов питания определило и различные схемы электроснабжения подземных электроустановок в различных угольных бассейнах страны.

На рудных шахтах электроэнергия от ГПП через ствол или штольню подаётся к ЦПП, откуда, в зависимости от числа разрабатываемых горизонтов и блоков, распределяется к штрековым подстанциям. При небольшом удалении добычных и подготовительных работ от штольни или околоствольного двора потребители целесообразно питать от трансформаторов ЦПП. Такой способ подвода энергии характерен для марганцевых и ряда железорудных шахт.

Определённую специфику имеет электроснабжение горных предприятий при открытых разработках. Современные карьеры — полностью электрифицированные горные предприятия с установленной мощностью до нескольких десятков MBA. Характерная их особенность — расположение карьерных электроустановок на значительной площади. Экскаваторы, буровые станки непрерывно или периодически перемещаются, эксплуатируются на открытом воздухе, в запылённой среде, подвергаясь значительным механическим воздействиям при взрывах, передвижениях и т.п. Электроприёмники питаются напряжением 6-10 кВ и 0,4 кВ. Основные элементы системы электроснабжения карьера: одна или несколько ГПП, ЦРП, карьерные линии электропередач, карьерные распределительные пункты КРП, передвижные УТП, переключательные пункты ПП и передвижные пункты защиты. Схемы распределительных сетей карьера подразделяют на радиальные, магистральные и комбинированные. В зависимости от расположения линий электропередач относительно фронта работ их разделяют на продольные (рис. 3) и поперечные.

Питание нескольких потребителей или РП в первом случае осуществляется по бортовой линии, располагаемой за пределами рабочих горизонтов. Передвижные приёмники питаются от воздушных линий электропередач гибкими кабелями через стационарные или передвижные ПП, которые располагаются через 200-300 м. Напряжение 0,4 кВ подаётся от ПКТП, для освещения — через общий или местный осветительный трансформатор. При поперечной схеме электроприёмники и ТП карьера питаются через ПП от поперечных линий, соединённых с стационарными линиями электропередач, проложенными вдоль бортов карьера вне границы поля разрабатываемого месторождения. Комбинированная схема карьера представляет собой открытую бортокольцевую систему с воздушными и кабельными линиями электропередач, проложенными в продольном и поперечном направлениях по отношению к фронту работ. Такая схема может иметь одностороннее или двустороннее питание с включением линий электропередач на параллельную работу.

На приисках электроснабжение драг осуществляется от береговой подстанции, к которой подводится воздушная линия электропередач 35 кВ, а отходит линия электропередач 6 кВ с приключательными пунктами. С помощью гибкого дражного кабеля длиной 200 м и более, удерживаемого плотами или понтонами, электроэнергия поступает во вводную камеру драги. Плавучие земснаряды получают питание по линий электропередач 6 кВ, к которой подключён ПП, а гибкий кабель от него к земснаряду прокладывается совместно с напорным трубопроводом на понтонах.

Современные обогатительные фабрики (ОФ) представляют собой высокомеханизированные предприятия с установленной мощностью различного рода машин и механизмов 100-150 МВт. Разнообразные агрегаты объединяются в несколько параллельных технологических линий, работают в строгой последовательности, а при необходимости ещё разветвляются на параллельные тракты. Подобная структура предъявляет жёсткие требования к системам электроснабжения (СЭ).

Концентрация электрических нагрузок, высокая энергоёмкость процессов и особенности технологического цикла в наибольшей степени характерны для железорудных горно-обогатительных комплексов (ГОК), в состав которых, кроме ОФ с комплексом дробления, входят фабрики окомкования и агломерации. Современный ГОК, перерабатывающий, например, 40 млн. т сырой руды в год, оснащён оборудованием с установленной мощностью порядка 700 МВт. Снабжение таких предприятий электроэнергией целесообразно осуществлять напряжением 110-220 кВ с устройством одной — двух подстанций глубокого ввода (ПГВ). Схемные решения подстанций и выбор защитно-коммутационной аппаратуры определяются ТЭО.

Система внутреннего электроснабжения ОФ представляет собой совокупность цеховых подстанций, РП, РУ, кабельных и воздушных линий в пределах промплощадки. Цеховые подстанции и РУ 6-10 кВ пристраиваются к технологическому корпусу или встраиваются в него. Питание РУ осуществляется по кабельным линиям. Для передачи электроэнергии в сетях внутреннего электроснабжения фабрик, наряду с кабелями, широкое распространение получили шинопроводы (нагрузка свыше 1000 А при напряжении 6-10 кВ).

Для распределения электроэнергии внутри производственных корпусов и между ними (если они питаются от одной подстанции) сооружаются распределительные линии по радиальным магистральным и комбинированным (кольцевым) схемам. Широкое распространение получили схемы с шинными магистралями. РУ главных и цеховых подстанций выполняются двухсекционными с устройством ABP.

Для агломерационных фабрик наиболее рациональным и надёжным является "блочный" принцип построения схемы внутреннего электроснабжения, при котором количество секций главной РУ в агломерационном корпусе соответствует числу аглолент и к каждой секции РУ подключаются механизмы одной аглоленты.

Для фабрик окомкования с двумя обжиговыми машинами в одном корпусе характерен тот же принцип построения СЭ. Выполняется она на два напряжения — 6 и 10 кВ: при большом количестве электродвигателей мощностью до 1000 кВт — 6 кВ, а при мощности порядка 4000 кВт — 10 кВ. На ГПП при этом устанавливаются понизительные трансформаторы, например, 110/6 и 110/10 кВ.

Схемы электроснабжения строятся, в основном, с применением гибких токопроводов: двух- и трёхобмоточных трансформаторов, а также с расщеплённой обмоткой низшего напряжения; масляных, электромагнитных и вакуумных выключателей; комплектных распредустройств и комплектных трансформаторных подстанций.