Chương 2. Nghiên cứu đánh giá tình trạng sử dụng thiết bị điện ở các mỏ hầm lò vùng Uông Bí, Quảng Ninh
3.2. Cấp điện áp hợp lý
3.2.1. Tình hình sử dụng điện năng ở các mỏ trên Thế giới
L−ới cao áp quốc gia của các n−ớc có điện áp (35 ữ 220 ) kV, l−ới phân phối có điện áp 3,0; 3,3; 4,16; 5,0 hoặc 7,2 kV và l−ới hạ áp khu vực có điện
áp 380; 440; 500; 525; 550; 600; 650 V, 660 V, hay 1140 V.
Thực tế phát triển các mỏ than hầm lò cho thấy yêu cầu nâng cao năng suất lò chợ đi kèm với việc gia tăng công suất lắp đặt của các thiết bị. Muốn nâng cao đ−ợc công suất lò chợ bắt buộc phải nâng cao mức độ cơ giới hóa,
điện khí hóa với việc đ−a thêm các máy combai, máy đào lò có công suất
22
động cơ lên đến hàng trăm kW. Ngoài ra khi diện khai thác càng mở rộng thì
khoảng cách từ máy biến áp di động đến các gương lò ngày càng tăng, do vậy tổn thất điện năng càng tăng. Để giảm tổn thất, đảm bảo đủ điều kiện kỹ thuật
để các máy móc thiết bị dùng điện hoạt động, bắt buộc phải đảm bảo điện áp trên cực động cơ đủ giá trị theo yêu cầu. Việc sử dụng điện áp thấp (380V) để cấp điện cho các động cơ, dẫn đến làm tăng tổn thất điện áp, tổn thất công suất và điện năng. Ngoài ra công suất của động cơ cũng bị hạn chế bởi giá trị của điện áp cung cấp. Chẳng hạn với điện áp 380 V thì công suất của động cơ
không quá 250 kW; điện áp 500 V công suất động cơ không quá 350 kW. Số liệu chi tiết cho trong bảng 3.1.
Bảng 3.1. Giới hạn công suất của động cơ sử dụng trong hầm lò theo cấp điện áp Loại động cơ Điện áp làm việc ( V ) Công suất tối đa ( kW )
380 250 500 350 660 500
3.000 850
6.000 1.500
Động cơ không đồng bé ba pha
10.000 5.000
Do vậy, một trong những biện pháp hữu hiệu để làm tăng năng lực thông qua của mạng và giảm tổn hao năng l−ợng trong hệ thống là nâng cao
điện áp trong mạng điện mỏ.
Đặc điểm cung cấp điện cũng nh− quá trình nâng cấp điện áp hạ áp của một số n−ớc trên thế giới đ−ợc khái quát nh− sau:
3.2.1.1. Cộng Hòa Liên Bang Nga
Mô hình cung cấp điện hầm lò của nước Nga là mô hình mà chúng ta đã áp dụng từ hàng chục năm qua. Trạm biến áp chính của mỏ hạ điện áp từ cấp quốc gia (35 kV hoặc 110 kV, 220 kV) xuống cấp điện áp 6 kV cung cấp cho l−ới phân phối của mỏ. Điện áp 6 kV đ−ợc các biến áp khu vực hạ xuống cấp hạ áp 0,4 kV
23
hoặc 0,69 kV để cấp cho các phụ tải 380V hoặc 660 V tương ứng. Tại vùng than Kyзнец số lò chợ khai thác ở độ sâu lớn hơn 350 m đ−ợc cấp điện từ các máy biến
áp di động đặt trên mặt bằng thông qua các đường cáp dọc theo các lò vận tải, lò nghiêng chiếm đến 78 % .
Cấp điện áp 660 V đ−ợc thử nghiệm áp dụng từ năm 1954 tại một số mỏ thuộc khu liên hợp Poctoвуголь và đến năm 1960 đã áp dụng cho 25 % mỏ than hầm lò của Liên Xô. Ngoài ra với những mỏ có công suất lớn ( ≥1,2 triệu tấn/năm ) có công suất trạm phân phối trung tâm hầm lò lên tới 5.000 kW dẫn đến số l−ợng cáp 6 kV từ mặt bằng xuống lò lên đến 6ữ7 sợi rất phức tạp cho công tác lắp đặt, vận hành đã dùng cấp điện áp 10 kV. Ngoài ra còn sử dụng các thiết bị điều khiển để nâng cao chất l−ợng điện năng và sử dụng hiệu quả năng l−ợng điện. Suất tiêu thụ điện năng của các mỏ hầm lò dao động trong phạm vi rộng từ 15 – 80 kW.h/tấn và lớn hơn. Thông th−ờng suất tiêu thụ điện năng cho công nghiệp khai thác than khoảng 30 kW.h/tấn, trong đó khai thác than hầm lò khoảng 35 kW.h/tấn và khai thác than lộ thiên khoảng 12 kW.h/tấn, khai thác bằng sức n−ớc khoảng 105 kW.h/tấn. Ví dụ: Mỏ Đôn- Nhét có suất tiêu thụ điện năng là 40 kW.h/tấn nh−ng mỏ Ku-zơ-nhét có suất tiêu thụ điện năng là 25 kW.h/tấn.
3.2.1.2. Ba Lan
Quá trình điện khí hóa mỏ bắt đầu từ rất lâu và tỷ lệ giữa công suất lắp
đặt của thiết bị điện với tổng công suất của các hệ truyền động gia tăng liên tục (năm 1945 là 48 % thì năm 1963 là 90 % và hiện nay là 98 % ). Cấp điện
áp 500 V là cấp điện áp của l−ới khu vực cấp điện cho các phụ tải có công suất từ 150 kW trở xuống; cấp điện áp 127 V dùng cấp điện cho phụ tải chiếu sáng, khoan điện cầm tay.
Từ các qui định nh−: Công suất các trạm biến áp di động không quá 400 kVA (Qui phạm); tiết diện cáp điện cung cấp cho máy Combai (theo điều kiện tính dẻo) không quá 95 mm2, với cấp điện áp 500 V công suất của động cơ
24
không quá 135 kW, trong khi công suất của các động cơ trang bị cho các máy Combai không ngừng tăng lên: 95 kW, 135 kW, 160 kW, 250 kW và 500 kW, công suất các băng tải phối hợp cũng tăng theo đến 220 kW hoặc 400 kW.
Công suất lắp đặt các thiết bị lò chợ mỏ hầm lò tăng lên đến 1000 kW. Từ đầu những năm 1970 người ta đã xúc tiến thử nghiệm việc nâng cao điện áp hạ áp từ 500 V lên 1000 V và trong 10 năm đầu áp dụng biện pháp này có đến 53 % phụ tải được chuyển đổi sang cấp điện áp mới. Lưới điện phân phối 6 kV với cáp 3 x 95 mm2 có thể truyền tải công suất 2000 kVA đủ cung cấp cho lò chợ công suất 10.000 tấn /ngày đêm, khi công suất của lò chợ tăng lên phải áp dụng cấp điện
áp mới là 10 kV.
3.2.1.3. CHLB Đức
Tại Đức trình độ điện khí hóa đã phát triển từ rất sớm và đã đạt ở mức cao từ những năm 1970. L−ới điện của Đức có cấp 5 hoặc 6 kV, l−ới hạ thế 500V và 1000V, điện chiếu sáng 220 V và mạch điều khiển dùng điện áp hạ
áp 42 V. Do điều kiện khai thác ngày càng xuống sâu, tài nguyên hạn hẹp nên
điện năng tiêu thụ để sản xuất than tăng gấp 3,7 ữ 3,8 lần so với sự gia tăng sản lượng than khai thác. Từ những năm 1963 người ta đã sử dụng máy Combai có điện áp 950 V và sau đó sử dụng động cơ công suất 130 kW, điện
áp 1000 V ( Hãng Simen AG và Eikhof sản xuất). Ngoài ra các động cơ đ−ợc qui định có công suất tối thiểu với cấp điện áp 500/1000V là 7,5 kW. Để sử dụng các động cơ công suất nhỏ người ta sử dụng các máy biếp áp khu vực có hai cấp điện áp là 525 V và 1050 V. Các động cơ có công suất 15 đến 30 kW có hộp chuyển cấp điện áp đ−ợc đặt ngay trong ngăn đấu cáp của động cơ.
Với lưới phân phối, từ những năm 1980 Đức đã thử nghiệm cấp điện áp 10 kV nh−ng do nhiều khó khăn về chế tạo thiết bị phòng nổ, tiếp đất trung tính nên hiện nay cấp điện áp 10 kV vẫn ch−a phải là phổ biến trong các mỏ hầm lò của Đức. Hiện nay Đức đang là n−ớc tiên phong trong việc áp dụng các thiết bị điều khiển công suất để điều khiển các thiết bị điện mỏ làm việc với hiệu
25
suất cao. Các động cơ đ−ợc chế tạo với biến tần cũng đã đ−ợc đ−a vào sử dụng, góp phần nâng cao hiệu quả sử dụng điện năng trong mỏ.
3.2.1.4. Pháp
Các mỏ hầm lò của Pháp sử dụng điện áp l−ới phân phối 6 kV, điện áp lưới hạ áp khu vực là 500 V đến 1000 V. Từ năm 1983 Pháp đã thử nghiệm đưa
điện 5 kV vào gương lò chợ để cấp điện trực tiếp cho máng cào. Đến năm 1985
đã có 6 lò chợ thuộc vùng Lorraine và Provence đ−ợc cung cấp điện áp 5 kV cho lò chợ.
3.2.1.5. Anh
Các mỏ than hầm lò của Anh sử dụng cấp điện áp 3,3 kV và 6,6 kV; điện hạ
áp khu vực là 565 V, điện chiếu sáng lò chính là 250 V và chiếu sáng g−ơng lò chợ là 125 V.
Đến năm 1975 một phần hai số mỏ hầm lò của Anh sử dụng cấp điện áp 3,3 kV. Do nhu cầu tăng công suất, đã ứng dụng điện áp phân phối cấp 11 kV trên mặt bằng của nhiều mỏ. Hệ thống l−ới phân phối trong mỏ hầm lò của Anh là hệ thống có trung tính nối đất qua điện trở hạn chế dòng chạm đất ≤ 15 A.
Việc nâng cấp điện áp các mỏ hầm lò của Anh cũng đ−ợc đặt ra từ những năm 1957, cho đến năm 1963 đã thử nghiệm cho 2 lò chợ mới dài 275 m với cấp
điện áp 1100 V. Từ năm 1968 đã qui định tất cả các thiết bị đo lường - điều khiển, thiết bị điện sử dụng trong ngành than phải có điện áp định mức làm việc là 650/1.100 V. Từ những năm 1980 Anh đã chế tạo combai có công suất 300 kW với điện áp 3,3 kV để làm việc trong lò. Lưới điện hạ thế cũng được tiếp đất qua
điện trở để dòng rò hạn chế không quá 750 mA.
3.2.2. Cấp điện áp hợp lý sử dụng trong các mỏ hầm lò vùng Quảng Ninh Do sản l−ợng ngày càng tăng cao và khả năng khai thác ngày càng xuống sâu, nên chiều dài mạng hạ áp từ máy biến áp đến phụ tải ngày càng tăng, hậu quả là điện áp đặt vào cực phụ tải sẽ giảm thấp hơn giá trị quy định,
ảnh hưởng trực tiếp đến điều kiện làm việc của động cơ. Đồng thời chi phí
26
điện năng và tổn thất điện áp trong máy biến áp và trên đ−ờng dây cũng tăng cao, ảnh hưởng trực tiếp đến giá thành sản phẩm.
Việc nâng cấp điện áp mạng hạ áp mỏ lên 660-1140 V sẽ giải quyết
đ−ợc những bất cập đã nêu ở trên. Tuy nhiên hiệu quả của việc nâng cấp điện
áp còn phụ thuộc vào giới hạn công suất. Khi đơn giá của các thiết bị điện 1140V và 660V nhích lại gần nhau, tất cả nên sử dụng cấp điện áp 1140V sẽ kinh tế hơn cả.
3.2.3. Hiệu quả của việc sử dụng điện áp 1140V
Hệ thống cung cấp điện các thiết bị trong khu vực khai thác với điện áp 660V hoặc 1140V cần phải đảm bảo mức điện áp cần thiết đặt vào các cực
động cơ khi quá tải. Điện áp thực tế đặt lên cực động cơ combai ở chế độ đảo, trong đơn vị tương đối được xác định theo biểu thức sau đây:
( k k k k)
d k
2 d 3 i i i 0
u )
tt ( u
sin X cos . U R 3 I 1
U 10 . )P X R ( K
K
ϕ +
ϕ +
+
−
= ∑
trong đó: Ri, Xi - điện trở và điện kháng của các khâu trong mạng, Ω;
Pi- phụ tải tính toán của khâu, kW;
Rk, Xk - điện trở và điện kháng của máy biến áp và cáp cung cấp cho combai, Ω;
Biến đổi đ−ợc kết quả nh− sau:
3 2
d k dm
k n
* bt 0
u )
tt ( u
10 . 07 , S 0
8 , 18 U
. P S
P 100 1 U
U K K
⎟⎠
⎜ ⎞
⎝
⎛ +
+ +
∆
= −
l (*) Trên cơ sở công thức (*), trên hình 1 xây dựng quan hệ phụ thuộc Pđ = Pk.ηđ= f(S), với Ku(yc)=0,85; điện áp định mức 660V, chiều dài cáp l = 150 ữ 350m theo các điều kiện: Ku0= 1,1; ∆U*bt =0,03; Un = 2,5%; 0,3
S P
d
k =β= ; η® = 0,9.
27
Dựa theo quan hệ phụ thuộc này có thể xác định đ−ợc công suất giới hạn của động cơ combai: ví dụ nếu l=350m; tiết diện cáp S= 50mm2; Ku(yc)= 0,85 , giới hạn cho phép của động cơ combai là 180 kW(điểm A), đường nét gạch thể hiện giới hạn cho phép của động cơ combai theo điều kiện dòng nung nóng cho phép. Khi S=50mm2, giới hạn công suất theo điều kiện dòng nung nóng cho phép là 190 kW; khi S = 70mm2 là 230kW.
Trên thực tế, ở một số lò chợ cơ giới hoá người ta sử dụng sơ đồ cung cấp
điện có hai đường cáp song hành cung cấp cho động cơ combai, tiết diện mỗi
đường cáp là 35mm2 (điểm C), giới hạn công suất của động cơ theo điều kiện dòng nung nóng cho phép khi l=350mtăng lên đến 320 kW, trong khi đó nếu dùng một đ−ờng cáp thì công suất cho phép theo điều kiện này là 230kW (điểm B).
Ngoài ra, công suất động cơ combai còn bị hạn chế bởi dòng khởi động lớn nhất cho phép - không đ−ợc v−ợt quá 1000A. Nh− vậy, nếu bội số dòng khởi động định mức của động cơ 5,5
I K I
d kd
I = = thì giới hạn cho phép của động cơ sẽ là: Iđ = 180A, khi đó công suất định mức cho phép của động cơ :
Hình 3.1: Xác định công suất giới hạn của động cơ combai điện áp 660V.
m 150 l=
200
250 300 350
28
Pd = 3Ud I.d.cosϕd.ηd = 3.0.66.180.0,85.0,9=160kW, (®−êng 6 h×nh 3.1).
Nh− vậy, theo các yêu cầu về kỹ thuật (Ku(yc)=0,85 kết hợp với điều kiện cung cấp bằng đường cáp đơn) thì công suất giới hạn của động cơ điện áp 660V là 220 kW.
Khi công suất định mức của động cơ combai tăng từ 200 kW trở lên, có lợi hơn cả nên chuyển cấp điện áp từ 660V lên 1140V.
Các khả năng về kỹ thuật với điện áp 1140 V đ−ợc thể hiện rõ nét trên hình 3.2 Quan hệ phụ thuộc Pđ = f(S) với điện áp 1140V (đ−ờng 1-4) cũng
đ−ợc xây dựng dựa trên công thức(1) với chiều dài lkhác nhau của cáp.
Đ−ờng 5 là đ−ờng giới hạn công suất của cáp mềm theo điều kiện dòng nung nóng cho phép với điện áp 1140V. Đường 6 (310 kW) xác định công suất giới hạn của động cơ combai (với bội số của dòng mở máy KI = 5) theo điều kiện dòng khởi động lớn nhất cho phép (1000A).
Phân tích các quan hệ phụ thuộc thể hiện trên hình 2 cho phép rút ra kết luận: với cấp điện áp 1140V và chiều dài cáp mềm d−ới 350m, công suất của
động cơ luôn luôn ổn định, bởi vì các đường cong 1-4 luôn nằm ở phía trên
đ−ờng 5 –theo điều kiện dòng nung nóng cho phép. Nh− vậy, khi Uđ=1140V và S = 50mm2, thì công suất giới hạn theo điều kiện dòng nung nóng cho phép là 330 kW, còn theo điều kiện dòng khởi động lớn nhất cho phép là 310kW.
Dải công suất có lợi về mặt kỹ thuật đối với động cơ combai điện áp 1140V dao động trong giới hạn 200 ữ 315kW.
29
Với công suất động cơ combai từ 200kW trở lên (250, 315 và 400kW),
điều kiện so sánh khi đó sẽ khác nhau: với điện áp 660V cần lắp đặt hai đường cáp song hành, đối với điện áp 1140V chỉ cần lắp đặt một đường cáp là đủ.
Khi đơn giá của các thiết bị điện 1140V và 660V nhích lại gần nhau, nếu động cơ có công suất 160 kW cũng nên sử dụng cấp điện áp 1140Vsẽ kinh tế hơn.
NhËn xÐt
- Có thể xác định được bước dịch chuyển của trạm biến áp và trạm phân phối hạ áp hợp lý để chi phí tính toán hàng năm là nhỏ nhất.
- Theo các yêu cầu về kỹ thuật (Ku(yc)=0,85 kết hợp với điều kiện cung cấp bằng đường cáp đơn) thì công suất giới hạn của động cơ điện áp 660V là 220 kW.
- Khi công suất định mức của động cơ combai tăng từ 200 kW trở lên, có lợi hơn cả nên chuyển cấp điện áp từ 660V lên 1140V; khi đơn giá của các thiết bị điện 1140V và 660V nhích lại gần nhau, nên sử dụng cấp điện áp 1140V sẽ có lợi hơn về mặt kinh tế.
Hình 3.2: Xác định công suất giới hạn của động cơ combai điện áp 1140V.
m 200 l=
350 250
300
30
3.2.4 Một số khó khăn tr−ớc mắt cần phải khắc phục
Một số các động cơ hoạt động liên tục như quạt cục bộ, bơm nước và máng cào đều không còn ở dạng nguyên bản, đã từng bị cháy và đ−ợc quấn lại nhiều lần, nên không còn khả năng chuyển đổi cách đấu dây để thích ứng cấp điện áp mới 660 V. Đối với các biến áp điều khiển trong khởi động từ cũng thường đã phải quấn lại nên không còn nấc lấy ra 660 V, do vậy cần phải quấn lại.
Các loại quạt cục bộ WLE, khởi động từ KWSOI, tời EKO, động cơ
máng cào SKAT-80 của Ba Lan chỉ làm việc đ−ợc với cấp điện áp 380 V.
Kinh phí đầu t− thay thế ngay cùng một lúc các máy biến áp thông thường đặt ngoài cửa lò 6/0,4 kV sẽ rất lớn, gây khó khăn cho một số mỏ, do vậy cần tiến hành dần dần qua từng giai đoạn.
Khi nâng cấp điện áp, cần phải chú trọng và nâng cao độ an toàn và hiệu quả sử dụng điện năng ở các mạng l−ới điện mỏ. Các rơle rò hiện đang sử dụng trong mạng 380 V không còn thích hợp đối với mạng mới đ−ợc nâng cấp, do đó cần phải thay thế toàn bộ rơle mới cho phù hợp với điều kiện hiện tại.
3.2.5 Các giải pháp kỹ thuật khi nâng cấp điện áp
1. Chuyển đổi sơ đồ đấu dây các thiết bị điện từ tam giác sang sao, cụ thể là: đối với biến áp di động phòng nổ, chuyển đổi sơ đồ đấu dây cuộn thứ cấp; đối với các biến áp khoan và chiếu sáng, chuyển đổi sơ đồ đấu dây cuộn sơ cấp và chuyển nấc điện áp làm việc cho biến áp điều khiển; còn đối với các
động cơ phòng nổ, chuyển đổi sơ đồ đấu dây.
2. Sửa chữa, cải tạo và thay thế chi tiết: đối với các máy cắt loại AФB, AB của Nga, DW80 của Trung Quốc cần thay thế cuộn cắt cho phù hợp với cấp điện áp mới. Đối với các khởi động từ, cần thay thế cuộn công tắc tơ và chuyển nấc điện áp làm việc cho cuộn sơ cấp biến áp điều khiển để phù hợp với cấp điện áp mới. Riêng khởi động từ loại KWSOI của Ba Lan đ−ợc chế tạo chỉ cho hai cấp điện áp 380 V và 500 V nên sẽ không thể tiếp tục sử dụng
đ−ợc ở cấp điện áp 660 V. Đối với các biến áp và động cơ không thể đổi cách
31
đấu nối đ−ợc thì cần phải đ−a đến đơn vị chuyên ngành quấn lại để phù hợp với cấp điện áp 660 V.
Sau khi sửa chữa xong cần kiểm định lại độ cách điện, các điều kiện an toàn nổ và an toàn tia lửa đối với cấp điện áp 660 V.
3. Bổ sung các thiết bị mới thỏa mãn các yêu cầu về kỹ thuật và an toàn.
3.2.6 Tổ chức thực hiện
Để thực hiện tiến trình chuyển đổi điện hạ áp từ 380 V lên 660 V, các
đơn vị sản xuất than hầm lò cần phải đánh giá cụ thể, tổng hợp tình trạng kỹ thuật và khả năng thích ứng với điện áp 660 V. Trên cơ sở đó, lựa chọn các phân x−ởng sẽ đ−ợc triển khai cải tạo trong giai đoạn đầu, lập ph−ơng án điều chuyển nội bộ các thiết bị có khả năng thích ứng đ−ợc với điện áp 660 V, lập kế hoạch tổ chức cải tạo, sửa chữa và mua sắm thiết bị mới, đáp ứng nhu cầu cÇn thiÕt.
Đối với các thiết bị không thể chuyển đổi đ−ợc cách đấu, vẫn đang hoạt động tốt, sẽ đ−ợc điều chuyển về các khu vực tiếp tục hoạt động ở
điện áp 380 V.
Trong phạm vi ngành, cần theo dõi, tổ chức đánh giá tình trạng an toàn của các khu vực khai thác sau cải tạo; lập báo cáo tổng kết giai đoạn, biên soạn qui trình và h−ớng dẫn tổ chức thực hiện tiếp ở các mỏ còn lại; h−ớng dẫn quy trình kiểm định các thiết bị sau sửa chữa và cải tạo.
3.2.7 NhËn xÐt
Vấn đề nâng cấp điện áp sẽ mang lại hiệu quả kinh tế là đáng kể, làm giảm chi phí điện năng và hạ giá thành sản phẩm. Chính vì thế mà việc nâng cấp điện áp đã được nhiều nước đặt ra và giải quyết từ rất sớm. Xu hướng hiện nay là đ−a sâu cao áp tới gần sát các phụ tải nh−ng vẫn đảm bảo các điều kiện an toàn.