煤矿井下电缆选型设计原则分析

摘要：随着煤炭行业装备技术的发展，各类型的用电设备需要配套使用相适宜的电缆，各种类型的煤矿用电缆应该在相应的场合中使用，对保障煤矿安全生产运行，对提高生产效率具有较大的作用。煤矿井下电缆的设计选型应从导体材质、绝缘水平、绝缘类型、护层类型、芯线数量、截面以及特殊需求这几个方面来进行考虑。在具体设计过程中，每一项都有应该特别注意其规定，尤其是电缆截面的选择。本文比较系统地讲述了电缆截面选择过程中的注意事项以及在计算过程中采用的方法，并指出了一些选型设计的常见误区。

关键词：煤矿井下电缆；电缆选型；绝缘水平；电压损失；电压偏差；热稳定

引言

正确选用煤矿井下电缆，对于煤矿安全十分重要。通常煤矿井下电缆的设计选型主要从导体材质、绝缘水平、绝缘类型、外护层类型、截面等几个方面进行综合考虑［1－3］。但煤矿井下电气设备种类繁多、使用环境复杂多样，煤炭工业矿井电气工程师在选择时，考虑的因素全面性并不能得到保障［4－6］。为此，对煤矿井下电缆的导体材质、绝缘水平、绝缘类型、护层类型、芯线数量、截面以及特殊需求几个方面的选择进行详细阐述。

1电缆类型选型设计原则

1．1导体材质

导体材质的选择应遵循国家现行的规范规定。《煤矿安全规程》中规定，在进风斜井、井底车场及其附近、中央变电所至采区变电所之间，可以采用铝芯电缆，其他地点必须使用铜芯电缆。《煤矿井下供配电设计规范》中规定，煤矿下井电缆应采用铜芯，严禁采用铝包电缆，采区严禁采用铝芯电缆。铝包电缆即电缆外皮采用铝材包裹的电缆，煤矿井下严禁采用铝包电缆主要是由于铝的化学性质活泼，在空气中易与氧气发生氧化反应，煤矿井下湿润，又常含有酸性气体，在煤矿井下使用铝包电缆，会进一步加剧铝的氧化速度，使电缆因侵蚀而不得不频繁更换，还可能引发电气事故，造成重大损失［7－9］。其次，由于电源的三相之间往往不可能绝对平衡，铝包电缆的铝包外皮常有一定的电流负载。因为铝的膨胀系数较大，电缆发烧后其接头处易松动，发生氧化甚至分断，形成断路点，使外皮泛起高电压，严重威胁人身安全，若造成电火花，则有可能引发瓦斯煤尘爆炸事故。最后，在我国，电缆是纳入矿用产品安全标志治理的产品，我国从未对任何型号规格的铝包电缆产品发放安全标志，因此铝包电缆应强制淘汰。

1．2绝缘水平

煤矿井下电缆的绝缘水平主要根据现场使用条件来确定。煤矿井下电缆导体的相间额定电压不得低于使用回路的工作线电压。煤矿井下电缆导体与绝缘屏蔽或金属套之间的额定电压的选取常常存在一定误区［10－12］。在6kV以下的系统中，导体与绝缘屏蔽或金属套之间的额定电压基本符合规范规定，但对于6kV及10kV系统中导体与绝缘屏蔽或金属套之间的额定电压，大部分工程技术人员均选用6kV和8．7kV，这种选择也有一定根据。IEC规定，当中性点非有效接地系统中系统单相接地故障持续时间超过1min时，导体与绝缘屏蔽或金属套之间的额定电压应选用第Ⅱ类，即6kV和8．7kV。但《煤矿安全规程》中规定，向移动变电站和电动机供电的高压馈线上必须装设具有选择性应用于跳闸的单相接地保护。因此，除上述2种情况之外的电缆才有必要选择第II类导体与绝缘屏蔽或金属套之间的额定电压。所以，6／6和8．7／10的电缆仅局限应用于井下未实现单相接地动作于跳闸的馈出回路，其他回路的电缆应该选用0．38／0．66、0．66／1.14、1.9／3．3、3．6／6、6／10绝缘等级的电缆。

1．3绝缘类型

煤矿电缆常用的绝缘类型主要有2种，交联聚乙烯绝缘和橡皮绝缘。2种绝缘类型应根据以下使用环境及条件确定。交联聚乙烯绝缘电缆：缆芯长期允许工作温度90℃，短路热稳定允许温度250℃。该材料不含卤素，燃烧时不会产生毒气及烟，被称为清洁电缆。该材料不具备阻燃性能，因此一般做法是在该材料当中添加阻燃剂，并采取辐照工艺以提高机械及电气性能。该材料对紫外线照射比较敏感，通常采用聚氯乙烯作为外护套材料。橡皮绝缘电缆：也称橡套电缆，缆芯长期允许工作温度60℃，短路热稳定允许温度200℃。该材料弯曲性能较好，特别适合用于煤矿井下需要定期移动的地方。《煤矿安全规程》中规定，固定敷设的高压电缆，应选用电力电缆，即交联聚乙烯绝缘电缆。固定敷设的低压电缆，应选用煤矿用电力电缆或橡套软电缆。非固定敷设的高低压电缆，必须采用煤矿用橡套软电缆。因此，一般情况下，对于井下变电所的进线电缆、固定敷设的设备电源电缆均选用交联聚乙烯绝缘电缆，除此之外，应尽量选用橡皮绝缘电缆。当选用交联聚乙烯绝缘电缆时，应注意电缆引入装置的类型选择，不能选用密封圈引入方式，而应选择环氧树脂浇筑型式的电缆引入装置。

1．4外护层及铠装类型

对于煤矿用交联聚乙烯绝缘电缆的外护层，一般为聚氯乙烯护套，铠装层分别有钢带护层和钢丝护层。对于铠装层的选用，在《煤矿安全规程》中有详细规定。橡皮绝缘电缆的外护层一般为橡皮护套，煤矿井下移动设备，如采煤机、梭车等设备的电缆，为满足使用的机械强度要求，可在内外护套之间增加加强层，加强层的结构主要有纤维编织层、钢丝股线编织层、钢丝绕包编织层。对于采煤机电缆在保护链板内使用时，可采用钢丝绕包加强型。对于锚杆机、梭车等直接拖拽使用时，可采用钢丝编织加强型。

1．5芯线数量

井下供电系统均为中性点非有效接地系统，因此主要功能芯线就是相导体与接地芯。交联聚乙烯电缆一般将铠装层兼做接地芯，一般只有3芯相导体，例如MYJV22－6／10kV3×95mm2。当交联聚乙烯电缆无铠装层时，仍应设置4芯导体（含接地芯），例如MYJV－1kV3×95＋1×50mm2。《矿山电力设计规范》中规定，移动变电站的电源电缆应采用监视型屏蔽橡套电缆，因此井下高压橡套电缆还应配置绝缘监视线芯，例如MYPTJ－6／103×95＋3×50／3＋3×2．5mm2。上述型号中的地线芯、监视线芯根据电缆结构的设置，地线芯、监视线芯是缠绕相导体布置的。采煤机等设备配置先导回路时，电缆应配置控制线芯，例如MCPTJ－1．9／3．33×95＋1×50＋3×6mm2。对于锚杆机、梭车等移动拖拽使用的电缆，其电缆的使用过程是卷绕－拉直－卷绕周期性的运动状态，该电缆应配置监视芯线导体，该型电缆制造标准参考的是英国BS6078标准。这个监视线芯的制造无论从绝缘方式以及屏蔽层等方面均等同于相导体，这样做的目的是为了加强电缆机械强度，克服梭车电缆使用恶劣工况的困难。国内其他厂家也有改良该电缆结构的做法，电缆配置3芯相导体，2芯地线芯，1芯监视线芯。目前，我国煤炭行业暂未对梭车电缆进行标准规定，还有待国家明确相关标准以及实践检验。例如一些厂家的型号为MSPTJB－0．66／1．143×35＋1×16＋1×35mm2，而有的厂家型号为MSPTJ－0．66／1.143×35＋2×10＋1×6mm2。

1．6电磁屏蔽功能选择

《矿山电力设计规范》中规定，煤矿用橡套电缆需采用屏蔽电缆。常用的屏蔽方式分为非金属屏蔽与金属屏蔽，在型号中分别以P和PT表示。非金属屏蔽层的作用是为了均匀线芯外表面电场，避免因导体表面不光滑以及线芯绞合产生的气隙而造成导体和绝缘发生局部放电，而金属屏蔽层的作用主要起到屏蔽电场的作用，隔绝内外电场的联系。近些年，由于变频调速装置在煤矿井下的广泛使用造成井下电磁污染严重的问题，相关厂家配套开发了变频装置用橡套软电缆。该电缆从结构上采用相地三等分对称、铜丝编织加铝塑复合双层屏蔽技术，有效抑制了谐波含量，降低干扰电场对外部电气设备的影响。

2电缆截面选型设计原则

电缆截面的选择应根据安全载流量、经济电流密度、短路热稳定、电压降落方面进行校验选择，并宜按上述选择值中的较大值进行选择。

2．1安全载流量校验

井下电缆承担主排水泵负荷时，截面应按照当一回路不送电，其余回路应能担负井下矿井最大涌水量时的总计算负荷。井下电缆不承担主排水泵负荷时，截面应按照当一回路不送电，其余回路担负井下供电范围内的总计算负荷。井下其他电缆的截面也应满足电缆允许持续电流值大于电缆正常工作负荷的计算电流。电缆允许持续电流值应注意按照敷设方式、敷设环境温度、直埋敷设时土壤热阻系数的差异、电缆多根并列时的影响、无遮阳时的日照影响多个因素进行综合校正，经校正后的载流量才为实际的电缆允许持续电流值。在用电设备组电缆选择时，计算负荷应按照需用系数法进行计算，但在单台设备电缆选择时，应按照该设备额定功率进行计算。这个主要是因为采用需要系数法计算负荷时，实际是假想一个与用电设备组的变动负荷产生的热效应相等的一个计算负荷值。

2．2短路热稳定校验

井下电缆应按照电力系统最大运行方式，电缆首段发生三相短路时的热稳定性要求进行电缆截面。电缆短路热稳定校验按照S≥Q／C进行计算。热稳定系数C的计算虽然按照《电力工程电缆设计标准》附录E的计算方法稍显复杂，但在工程计算中，通常铜芯电缆按照137计算。短路电流热效应Q的计算反而较为复杂，计算过程中应该注意热效应时间应取保护动作时间与断路器开断时间之和，对于电动机变压器等直馈线应按照后备保护动作时间选取，对于其他馈线应按照主保护动作时间选取。此外，短路电流的热效应为短路电流周期分量热效应与非周期分量热效应之和，往往工程技术人员在计算热效应时，容易忽略非周期分量热效应，一个慢速断路器的开断时间大约为0．2s，而非周期分量等效时间为0．05s，这个值将会使计算结果产生很大偏差。

2．3正常运行电压损失校验

煤矿供电线路压降不得超过5％在煤炭行业的设计文件编制、审查被广泛应用，虽然经过多方查询，翻阅多种国家规范设计手册，均无强制性规定煤矿供电线路压降不得超过5％。但是，作为工程技术人员应该弄清楚为什么规范要求进行线路压降校验。电器设备端子电压实际值偏离额定值时，电器设备的性能会直接受到影响，因此，《电能质量供电电压偏差》中规定了各级电压允许偏差，在偏差计算中，电压降落实际是偏差计算的一个关键数据。我们日常校验的电压降落是在最大负荷情况下的一个电压降落，例如10kV线路，如果考虑电源系统的供电偏差约±3％，再加上最大负荷时煤矿供电线路压降5％，最大负偏差将达到8％，超过国家标准规定的±7％。因此，提出煤矿供电线路压降不得超过5％也具备一定的参考价值，但不能一味的要求煤矿供电线路压降不得超过5％。目前，解决电压偏差过大的措施可以使用有载调压变压器，进行波峰波谷补偿偏差，即逆调压方式。有载调压变压器的使用将使得线路最大压降即时超过5％时，能够满足国标中电器设备端子电压偏差的要求，对电器设备的影响也会降到最低。《煤矿井下供配电设计规范》中明确规定，采区动力电缆正常运行时电压允许偏差应为额定电压的±5％，个别特别远的电动机允许偏差为额定电压的－8％～－10％。

2．4电动机启动时电压损失校验

随着煤矿井下大容量电动机使用越来越频繁，尤其是重载情况下启动，线路产生的压降导致电动机端子电压无法达到克服净阻转矩的要求时，电动机是无法正常启动的。《煤矿井下供配电设计规范》中规定，对距离最远、容量最大的电动机，应保证在重载情况下启动。若无相关机械数据时，可按电动机启动时端电压不低于额定电压的75％校验。在进行这一项目校验时，关键是电动机启动电流的选取。鼠笼式异步电动机直接启动时，启动电流约为额定电流的4～7倍。晶闸管降压软启动时，启动电流约为额定电流的2．5～3．5倍。变频启动时，启动电流约为额定电流的2倍以下。在计算压降时，还应考虑系统提供的短路容量、预接负荷的无功功率这2项条件。往往工程技术人员在校验电动机端电压的情况时，会忽略启动时供电系统母线的电压降落情况。国家规定接触器必须使控制电压在75％～110％额定值之间时，能够可靠闭合。但采区电动机控制设备的控制电源均通过内置控制变压器取自电源母线。因此，当配电母线下最大最源电动机启动时，母线电压不应低于额定电压的85％。

2．5经济电流密度校验电缆截面的经济

电流密度校验应根据《电力工程电缆设计标准》附录B中的规定进行校验。在校验过程中应注意以下3个方面的内容：①选择经济电流密度曲线时，应注意区分单一制电价和2部制电价的区别。②对于备用回路、备用电机的电缆，应对其运行小时数进行折算后再选择对应的经济电流密度；对一些长期不使用的回路，不宜按照经济电流密度进行选择。③当经济电流密度选择介于2种标准截面之间时，应按照相邻较近的一档进行选择。

3结语

电缆作为煤矿供配电系统中最重要的电气设施，在实际使用时，除应满足上述技术条件外，平时还应注意电缆的维护，如加强通风以降低电缆使用环境温度、定期除尘和绝缘检查以及防止电缆机械损伤等。电缆的安全使用关系到煤矿的安全生产，关系到煤矿机电设备的安全使用，关系到煤矿的整体生产效率。因此，电缆的科学选型、使用必须引起工程技术人员的高度重视。

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作者：万孟合 单位：国能神东煤炭集团有限责任公司