4. ЭЛЕКТРОПРИВОД И ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЕ ВОДООТЛИВНЫХ УСТАНОВОК

Водоотливные установки являются крупными потребителями электроэнергии. Расход ее возрастает при увеличении глубины откачки и производительности водоотливных установок. Для экономии электроэнергии важно правильно выбрать тип при­ водного двигателя насоса, определяющий структуру схемы уп­ равления насосными агрегатами, стоимость всего комплекта электрооборудования и к.п.д. привода, от которого зависит рас­ ход электроэнергии на водоотлив.

Электродвигатели насосных агрегатов в горной промышлен­ ности работают с постоянной частотой вращения при изменяю­ щемся моменте в период переходных процессов и незначитель­ ном изменении момента в период нормальной работы.

и фазным ротором. Реже применяют синхронные двигатели. Асинхронные двигатели с короткозамкнутым ротором отли­

чаются простотой конструкции, меньшей стоимостью, высокой надежностью в работе и пониженным расходом электроэнергии в пусковых режимах. Пуск этих двигателей осуществляется пря­ мым включением обмотки статора двигателя в сеть на полное напряжение, что выполняется с помощью релейно-контакторной аппаратуры. Для удовлетворения условий пуска установленная мощность двигателя (в кВт) должна быть не более 3 % мощ­ ности (в кВ • А) установившегося трехфазного к.з. сети.

К недостаткам применения асинхронных двигателей с корот­ козамкнутым рот.ором следует отнести: перегрев обмоток и ава­ рийное отключение установок при длительном понижении напря­ жения ниже 80% . Чтобы устранить эти недостатки, выбирают для каждой установки наиболее рациональную схему энерго­ снабжения и переводят на автоматическое управление подстан­ ции, питающие главные водоотливные установки. Применять ав­ тотрансформаторный пуск этих двигателей нецелесообразно в связи с усложнением схемы пуска, увеличением числа аппа­ ратов и возможностью возникновения аварийных пусковых ре­ жимов.

На некоторых рудниках для насосов применяют асинхрон­ ные двигатели с фазным ротором, что снижает надежность

работы насосных агрегатов. Применять их следует только в част­ ном случае, когда мощность местных электростанций недоста­ точна для прямого пуска электродвигателей с короткозамкну­ тым ротором.

Сравнивая электропривод насоса с синхронными и асинхрон­ ными двигателями, необходимо учитывать, что стоимость пер­ вых примерно вдвое выше.

Установки с синхронными двигателями имеют усложненную схему автоматического управления. Синхронный двигатель ста­ бильно поддерживает частоту вращения даже при пониженном напряжении до (0,5-ь0,8)£/Ном. Выпадение из синхронизма дви­ гателя происходит крайне редко при глубоких и длительных по­ садках напряжения. Синхронные двигатели все более широко применяют для привода мощных водоотливных установок Миргалимсайского, Лениногорского и других рудников.

Другим важным преимуществом синхронного двигателя (кроме строго постоянной частоты вращения) является возмож­ ность, регулируя ток возбуждения, изменять коэффициент мощ­ ности (cos<p) и знак угла <р, т. е. работать с отстающим или опе­ режающим током статора.

При работе с отстающим током путем увеличения тока воз­ буждения повышается коэффициент мощности, а реактивная мощность уменьшается. При дальнейшем увеличении тока воз­ буждения (режим перевозбуждения) ток опережает напряже­ ние и двигатель, помимо своей основной функции выполняет функцию синхронного компенсатора, что дает большой эконо­ мический эффект энергохозяйству рудников.

Наиболее распространенной схемой пуска синхронных дви­ гателей водоотливных установок является пуск с наглухо под­ ключенным возбудителем, когда обмотка возбуждения непо­ средственно соединена с обмоткой якоря возбудителя и при пуске возбудитель разгоняется с ним вместе.

Расширение номенклатуры синхронных двигателей по ди­ апазону мощности, а также выпуск двигателей с надежными демпферными обмотками и упрощенными схемами пуска позво­ лит более широко использовать синхронный электропривод в ав­ томатизированных водоотливных установках и, следовательно, повысить показатели энергохозяйств рудников.

Недостатками синхронных двигателей являются: большие га­ бариты и трудность их транспортировки по горным выработ­ кам, а защищенная форма исполнения требует применения спе­ циальных средств для обогрева двигателей после их отклю­ чения.

В настоящее время проводятся работы по применению гид­ ромуфт, преобразователей частоты и других устройств для ре­ гулирования частоты вращения насоса с целью получения опти­ мальных режимов. Однако эти работы пока не вышли из ста­ дии лабораторных исследований.

4.2. Характеристики электродвигателей

Водоотливные установки на шахтах угольной промышленно­ сти в большинстве случаев оборудуются электродвигателями во взрывобезопасном исполнении; для установок горнорудной про­ мышленности применяют электродвигатели в закрытом и защи­ щенном исполнении.

В современных водоотливных установках асинхронные дви­ гатели с короткозамкнутым ротором независимо от мощности, частоты вращения и формы исполнения включаются на полное напряжение, что объясняется ростом мощности шахтных под­ станций. Для мощных электродвигателей (примерно 1000— 3000 кВт) пусковые токи, мощность и время разгона достигают значительных величин, что необходимо учитывать при расчете кабельной сети, настройке схем автоматического управления и защиты.

Электродвигатели насосов малой и средней подачи и напора имеют достаточные значения пускового момента и благоприят­ ные условия пуска.

Проанализируем работу и характеристики электродвигате­ лей, исходя из горнотехнических условий работы водоотливных установок.

На малообводненных рудниках и шахтах, а также участко­ вом водоотливе угольной промышленности применяют асин­ хронные электродвигатели с короткозамкнутым ротором мощ­ ностью от 38 до 200 кВт, выполненные в закрытом, защищен­

1000 В (табл. 4.1).

В условиях откачки кислотных шахтных вод на участковых водоотливах и установках средней мощности для насосов 4МСК-Ю и ЦНСК 60 применяются электродвигатели А2, А02, ВАО мощностью от 22 до 75 кВт при синхронной частоте вра­ щения 3000 и 1500 об/мин. Для насосов с более высокой пода­ чей (8МСК-7, ЦНСК 500) применяются двигатели мощностью от 250 до 1600 кВт в зависимости от характеристики насосов (табл. 4.2). В этих условиях на детали и обмотки электродви­ гателей оказывает коррозирующее влияние шахтная атмосфера и капеж кислотной воды. Для борьбы с коррозией применяют: окраску корпусов электродвигателей специальными красками, герметизацию и обогрев электроаппаратуры, а также защитные антикоррозионные материалы.

Для мощных водоотливных установок в условиях глубоких шахт и обводненных рудных месторождений используются асин­ хронные электродвигатели с короткозамкнутым ротором во

Электродвигатели секционных насосов ЦНС для участкового водоотлива и установок средней мощности при напоре до 500 м

взрывобезопасном исполнении: ВАО, «Украина», АЗП, ДАЗ и ДАП мощностью от 350 до 3000 кВт (табл. 4.3).

В условиях горнорудной промышленности применяются элек­ тродвигатели в защищенном исполнении А, АП, ДСП и др. Дви­ гатели рассчитаны на продолжительный режим работы при ча­ стоте сети 50 Гц и напряжении 6000 В. Анализ конструктивных особенностей электродвигателей позволяет более обоснованно выбрать тип двигателя, а также вспомогательные системы смазки и охлаждения. Двигатели АЗП выполняются на щито­ вых подшипниках скольжения с принудительной системой смазки и продуваемые под избыточным давлением. Выводы из кабельной муфты рассчитаны на присоединение кабеля с сече­ нием жилы до 150 мм2. Два водяных воздухоохладителя, уста­ новленных в верхней части, корпуса статора, охлаждают воздух для обмоток двигателя при расходе воды до 30 м3/ч и давлении 0,3 МПа. К камерам воздухоохладителей корпуса статора под­ водится воздух от внешнего источника с расходом 0,04— 0,05 м3/с при температуре от +40 до —45 °С. Для удаления из корпуса взрывоопасной среды и контроля избыточного давле-

ния в систему воздухоснабжения введена блокировка, не позво­ ляющая включить электродвигатель без предварительной про­ дувки его чистым воздухом. Время продувки обмоток электро­ двигателя перед пуском составляет 2 мин. Системы смазки, охлаждения и продувки выполняются централизованной или автономной в зависимости от условий эксплуатации водоотлив­ ных установок.

Т а б л и ц а 4.3

Электродвигатели секционных насосов для водоотлива на глубоких горизонтах

В угольной промышленности применяется преимущественно автономная система смазки, охлаждения и постоянная продувка корпуса электродвигателя с применением гидрозатворов.

Замкнутая система проветривания осуществляется двумя вентиляторами, установленными на валу двигателя, что создает

циркуляционный поток воздуха, охлаждаемого водой в двух встроенных теплообменниках.

Перед пуском система вентиляции двигателя продувается сжатым воздухом при избыточном давлении на выходе не менее 588 кПа, что контролируется мембранными сигнализаторами СПДМ. Смазка осуществляется турбинным маслом марки 30 под давлением 0,03—0,05 МПа специальной маслостанцией, а давление контролируется контактными манометрами.

Опыт эксплуатации показывает, что автономные системы смазки, охлаждения и продувки имеют более высокую надеж­ ность из-за упрощения коммутационных трубопроводов и арма­ туры.

Электродвигатели ВАО мощностью до 2000 кВт использу­ ются в водоотливных установках на глубоких горизонтах при продолжительном режиме, температуре окружающей среды от —40 до + 40°С и относительной влажности до 97 %. Двигатели допускают прямой пуск на полное напряжение 6 кВ. На кор­ пусе двигателя расположены две коробки выводов: высоко­ вольтная — для питания электродвигателя и низковольтная (380 В), в которую вводится кабель сечением до 6 мм2 для пи­ тания электронагревателей. Автоматическое включение подо­ грева обмоток статора повышает надежность работы электро­ двигателей в условиях повышенной влажности насосной ка­ меры.

Высоковольтная коробка выводов предусматривает ввод бро­ нированного кабеля с медными жилами сечением до 150 мм2 с сухой разделкой и заливкой кабельной массой. Охлаждение электродвигателей осуществляется трубчатыми охладителями, через которые проходит наружный поток воздуха, создаваемый радиальным вентилятором и обеспечивающий интенсивный от­ вод тепла.

По энергетическим, весовым и пусковым характеристикам двигатели ВАО-14 и ВАО-15 наиболее соответствуют условиям эксплуатации мощных водоотливных установок. Хорошо заре­ комендовало применение консистентной смазки ЦИАТИМ-203 (ГОСТ 8773—73) или ВНИИНП-242. Смешивание различных сортов смазок ведет к нарушению смазочной системы в узлах взрывозащиты и подшипников.

Применение электродвигателей ВАО в Донецком, Воркутинском и других угольных и горнорудных бассейнах позволило принять бесступенчатую откачку шахтных вод с глубоких гори­ зонтов и сократить число водоотливных установок на промежу­ точных горизонтах. Возросла надежность взрывозащищенного электрооборудования за счет отказа от применения вспомога­ тельного оборудования. Применение термореактивной изоляции и наружных вентиляторов ЦАМЧ-I, не создающих искр при со­ ударении с металлическими предметами, повышает надежность электрооборудования.

Удельный расход энергии характеризует экономичность ра­

где Яуд.з и Яуд.р — удельные затраты электроэнергии насосного агрегата соответственно при регулировании, задвижкой и рабо­ чем режиме.

Удельные затраты электроэнергии на водоотлив можно оп­ ределить аналитическим методом с использованием характерис­ тических кривых центробежных насосов, выраженных интерпо­ ляционными многочленами второй степени (см. гл. 2). Удель­ ные затраты в этом случае выражаются формулой

4.4. Энергоснабжение водоотливных установок

Обеспечение бесперебойной работы электродвигателей насо­ сов предусматривается общим проектом энергоснабжения руд­ ника при напряжении 6 или 10 кВ для главных и 0,38 или 0,66 кВ для вспомогательных водоотливных установок. Двусто­ роннее независимое питание электроэнергией водоотливных установок в подземных условиях возможно только при флан­ говом расположении шахт. Во всех остальных случаях прини­ маются два фидера для питания подстанции главного водоот­ лива. Каждый питающий кабель должен быть рассчитан на воз­ можность нормального энергоснабжения всей водоотливной ус­ тановки по числу одновременно работающих насосов. Парал­ лельная работа обоих фидеров на общие шины с позиций минимальной зоны отключения и усложнения защиты нежела­ тельна (рис. 4.2).

При оборудовании водоотлива широко применяются комп­ лектные распределительные устройства (КРУ) РВД-6, ЯВ-6400, УРВМ-6/3 выкатного и стационарного типов. Применение КРУ позволяет повысить надежность работы подстанций мощных водоотливных установок и обеспечивает расширение и мобиль­ ность при реконструкции водоотливных установок в связи

свозможным увеличением притоков шахтных вод.

Ввыкатных КРУ предусмотрены механические и электриче­ ские блокировки, которые не позволяют включить выключатель при нерабочем положении тележки или выкатить тележку при включенном выключателе и другие блокировки.

Питание электроэнергией насосных агрегатов большой про­ изводительности осуществляется от разных фидеров или источ­ ников питания, что предусматривается конструкцией распреде­ лительного устройства с двумя или тремя секциями одиночной системы шин. Вспомогательные механизмы мощных водоотлив­

ных установок целесообразно питать также от разных фидеров. Для секционирования в отечественных водоотливных установ­ ках применяют межсекционный выключатель с устройством системы автоматического включения резерва (АВР). Это уст­ ройство значительно увеличивает надежность электроснабжения и оперативность управления фидерами насосных агрегатов.

Использование автоматического повторного включения (АПВ) на фидерах насосных агрегатов нецелесообразно, так как АПВ усложняет схему защиты, а повторное включение аг­ регатов при срабатывании защиты без предварительного осмотра может вызвать серьезную аварию.

При использовании низковольтных двигателей для водоот­ лива необходимо устанавливать два силовых трансформатора при их равномерной нагрузке. Защита этих двигателей от пере­ грузки и от коротких замыканий осуществляется с помощью низковольтных автоматических выключателей. Применение

плавких предохранителей часто приводит к работе электродви­ гателей на двух фазах и выходу их из строя.

Питание механизмов собственных нужд на мощных водоот­ ливных установках (вспомогательных насосов, двигателей зад­ вижек и др.) осуществляется со 100-процентным резервом от специальных трансформаторов, число которых должно быть не менее двух.

Большинство автоматизированных водоотливных установок используют переменный оперативный ток для реле защиты, автоматики, сигнализации и питания приводов масляных вы­ ключателей. Применение переменного тока позволяет отказа­ ться от установки аккумуляторных батарей и разного рода вы­ прямителей. Питание аварийного освещения и переносных ламп производится от понизительного трансформатора на 36 В или от специальной линии пониженного напряжения со штепсель­ ными розетками местного освещения. Линия аварийного осве­ щения резервируется от двух источников питания.