Расчет комбайнового комплекса

ВВЕДЕНИЕ 

     Современные калийные рудники России – крупнейшие в мире горные предприятия по подземной  добыче полезных ископаемых. Объём  выдаваемой руды на некоторых из них  достиг 8 млн. т в год. Ведется проектирование и строительство рудников со значительно  большой производительностью. Это  определило большие размеры шахтных  полей и протяженностью горных выработок, измеряемою десятками километров, а  также быстрое продвижение очистных и горно-подготовительных забоев.

     Невозможность применения на ряде предприятий буровзрывного  метода отбойки руды из-за неустойчивости кровли сильвинитовых пластов и  необходимость более полной механизации  труда горняков потребовали принятия срочных мер по созданию проходческо-очиных комбайновых комплексов.

     На  очистных работах широко применяют  самые мощные в России горные комбайны. Комбайновая технология характеризуется  простотой производственного цикла, сведением до минимума числа людей, непосредственно работающих в забое  и т.д. Для приема руды от комбайна, временного её накопления и перегруза  в самоходный вагон применяют  бункеры-перегружатели типа БП-3 или  БП-14. применение перегружателей значительно  сокращает время простоев комбайнов  в ожидании вагонов в период их разгрузки, что обеспечивает резкое повышение производительности комбайновых  комплексов.

     При значительной длине выработок, когда  время пробега вагона превышает  время наполнения бункера-перегружателя  и комбайн вынужденно простаивает, возможен вариант комплекса с  использованием двух самоходных вагонов. Далее вагон отгружает руду через  скважину на конвейерную систему.     

     В связи с большой энерговооруженностью горного оборудования приходиться  монтировать развитую сеть энергоснабжения, возводить мощные стационарные и  передвижные подстанции.

     Необходимая наиболее высокая техническая производительность комбайнов может быть обеспечена за счет энерговооруженности, выбора оптимальных  параметров резания и конструкции  исполнительного органа. Для повышения  эффективности очистных и проходческих комплексов техническая производительность комбайнов должна возрасти на первом этапе до 7-8 т/мин., а в последующем  до 10-15 т/мин. При этом энерговооруженность  комбайнов также должна возрасти до 800-1000 кВт, что потребует перехода на питающее напряжение 1140 В и в  дальнейшем 6000 В.

     Для эффективного разрушения прочных и  вязких сильвинитовых пластов с  наименьшими энергозатратами необходимы оптимизация параметров разрушения режущим инструментом, увеличении толщины  стружки, снижения выхода мелких фракции  и повышение напорной способности  комбайна.

     Значительное  увеличение производительности и повышение  скоростей движения комбайнов ставит определённый предел возможностям машиниста  в реальных условиях забоя следить  за технологией выемки, работой комплекса  оборудования, приборов и т.п. Эта  тенденция требует введения автоматического  и дистанционно-автоматического  управления комбайном. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

ИСХОДНЫЕ  ДАННЫЕ ДЛЯ РАСЧЕТА 
 

Таблица-1

Принимаем, что:

           - полная мощность трехфазного  тока короткого замыкания, в  базовой точке, на шинах ЦПП  составляет: = 50 МВ.А;

           - электроприемники по степени  надежности питания электроэнергией  относятся ко II категории;

           - температура окружающей среды  +С;

          - продолжительность максимума нагрузки  Т мах., для комбайновых комплексов  рудников составляет 4500 часов в  год. 
 

2  ВЫБОР  МОЩНОСТИ ПИТАЮЩЕЙ ПОДСТАНЦИИ 

     Передвижные комплексные трансформаторные подстанции получили широкое распространение  для питания электроприемников  очистных и подготовительных участков угольных и калийных шахт, опасных  по газу и пыли.

     Расчетная мощность КТП определяется по формуле:

     где:    - сумма номинальных мощностей электроприемников от данной КТП, кВт.;

     Кс. - коэффициент спроса группы электроприемников;

     cos φ - средневзвешенный коэффициент мощности группы электроприемников.

     Величина  коэффициента спроса равна отношению  устойчивой максимальной нагрузки электроприемников  за время не менее 30 мин. к их суммарной  установленной мощности. Коэффициент  спроса учитывает степень загрузки и одновременности работы двигателей и других электроприемников, их К.П.Д., а также К.П.Д. сети. По данным исследований, выполненных кафедрой ЭАГП ППИ, для комбайновых комплексов рудников:

К_с. = 0,65;

cos φ = 0,7.

Для комплексов с автоматической электрической  блокировкой очередности пуска  электродвигателей коэффициент  спроса найдем по формуле : 

,                    (2.2)  [1] 
 

где,   - номинальная мощность наиболее мощного электродвигателя или группы электродвигателей, включаемых одним пускателем.

     Тогда,

 = ++  ,          (2.3) [3]

 22+122+(344+404,6)+30+4= 929,6 кВт 

           Учитывая примечания к работе  электродвигателей ходовой части  самоходного вагона АВТ-15 работающего  с продолжительностью включения

с ПВ равное 25% найдем номинальную условную мощность самоходного вагона:

     тогда, 

     Р_н.у. = , кВт                                    (2.20)   [3]

     Р_{н.у.5ВС-15М} = 2∙46∙ +30= 76 кВт.

где,

2 - это  количество ходовых электродвигателей  АВТ-15;

46 –  это мощность одного ходового  электродвигателя:

30 –  мощность двигателя конвейера.  

      Подставим известные нам значения  в формулу(2.1) и определим расчетную  мощность трансформаторной подстанции  для комплекса с комбайном  Урал-20Р.

тогда:

                               Sр.тр.(1) = (0,65*929,6)/0,7 =863,2  кВА 

По таблице 1.2 (1) выбираем КТП типа  КТПВ- 1000/6  

3 РАСЧЕТ КАБЕЛЬНОЙ СЕТИ

     Расчет  кабельной сети сводится к определению  таких сечений силовых жил  кабелей, которые обеспечивали бы подвод к потребителям электроэнергии с  напряжением, достаточным для нормальной работы, не перегреваясь сверх допустимой нормы , и удовлетворяли бы условиям механичности и механической прочности . В соответствии с этим , расчет кабельной сети заканчивается выбором марки и сечения кабеля с последующей проверкой на термическую стойкость к воздействию токов к.з., которая производится после расчетов токов к.з. Расчет кабельной сети по потери напряжения связан с выбором сечения кабелей , но выделяется в самостоятельную часть сетевых расчетов .  

3.1 Высоковольтная кабельная сеть

          Высоковольтная кабельная сеть  выполняется 3-х жильным кабелем  с бумажной пропитанной  изоляцией   в свинцовой оболочке на напряжение 6 кВ. 

     3.1.1 Расчет кабелей питающих КТПВ

       Высоковольтная кабельная сеть выполняется трех жильным кабелем с бумажной пропиткой  изоляции в свинцовой оболочке напряжением на 6кВ.

     3.1.2  Расчет и выбор кабелей по  допустимой нагрузке и длительно  допустимой температуре нагрева жил

     .

     Выбор сечения проводников по условию  нагрева производится через расчетную  токовую величину, приходящуюся на токопровод.

     Расчетный ток кабеля К_в 2, питающего КТП, определяем по формуле:

где: - расчетный ток потребления трансформатором, при нормальной его загрузке, со стороны 6 кВ;

             - номинальное, питающее, напряжение КТП, кВ. 

Тогда:                         = =83,08  А        

                                          = 83,08  А  
 

           По таблице 1.3 /1/ выбираем и определяем:

     1) характеристику кабелей: 

• кабели трехжильные с бумажной пропитанной изоляцией в свинцовой оболочке, номинальное напряжение 6 к Вт;
• длительно допустимая температура нагрева жил : ;

     2) стандартные сечения токопроводящих  жил кабелей S_ж по условию, что расчетные токовые нагрузки не превышают длительно допустимых справочных величин;

     3) марка кабелей: СБ_н -6.

     Следовательно для кабеля Кв2 при =83,08 А выбираем :

                        = 25

                              = 90 А  

      Дальнейшие  расчеты и выбор сечений кабелей, для упрощения и наглядности, снесем в таблицу 3.

        Учитывая, что температура, при которой эксплуатируются наши кабели +10⁰ С, не соответствует стандартной (справочной, +25⁰ С), необходимо произвести проверку выбранных нами сечений, по формуле:

где: - возможный длительный ток нагрузки на кабель, с учетом действительной температуры окружающего воздуха;

        - поправочный коэффициент на токи в зависимости от действительной температуры окружающей среды. По таблице 1.4 /1/ для =1,17;

        - длительно допустимая, справочная, токовая нагрузка для кабеля соответствующего сечения.

     Так, для кабеля К_в 2  при I _{р. Кв 2} = 83,08  А, по таблице              (1.3) [1]:

получим:                                 

                                            105,3 > 83,08

     Как видим, условие выполняется. Следовательно, сечение кабеля выбрано верно, и, нет необходимости в пересчете  других кабелей работающих в данных условиях. 
 
 

     3.1.3  Выбор сечений кабелей по условию экономичности 

     Экономическое сечение кабеля определяется по расчетному току:

где: - экономическая плотность тока.

         По таблице 1.5 /1/, согласно наших условий, принимаем i=2,5 А/мм².

Тогда:

• для кабеля К_в 2 при I _{р. Кв 3} = 83.08 А

                               =33,232 мм²

                              S_эк. = 33,232 мм².

   Следовательно  по условию  по условию экономичности  окончательное сечение кабеля  по таблице 1.3 /1/ будит:

                                           = 35S_эк.

                                                         = 110 А 

• Расчеты по другим кабелям снесем в таблицу 3.

3.1.4  Выбор сечений кабелей по условию механической прочности 

Для питания  КТП напряжением равным 6 Кв  минимальное  сечение кабеля должно быть не менее 16    (стр. 9) /1/ 
 
 
 
 
 
 

3.1.5  Расчет и выбор кабелей питающих высоковольтные ячейки УРП-6 

     Расчетные токи кабелей УРП-6 определяется с учетом 2-х кратной нагрузки приложенной к данной УРП. 

                                 =  

      По таблице (1.3) [1] выбираем кабель СБН-6  со следующими характеристиками: 

                                           = 70S_эк.

                                                         = 175  А  
 

     3.2 Низковольтная кабельная сеть 

     По  условиям электробезопасности электроустановки, и питающие их сети, разделяются  на электроустановки до 1000 В включительно и электроустановки напряжением  выше 1000 В.

     Комбайновые комплексы, питаются номинальным напряжением  в  660 В, а соответственно и питающие их кабельные линии, относятся к  низковольтному оборудованию. Распределительная  сеть берет начало с  комплектной  трансформаторной подстанции (КТП),  и через распределительные пункты (РП) идет непосредственно к потребителям. РП имеет магистральную схему  электроснабжения по распределению  нагрузки , а сами потребители радиальную.    

     3.2.1 Расчет кабелей по допустимой  нагрузке и длительно допустимой  нагрузке, и длительно допустимой температуре нагрева жил 
 

     Расчетный ток кабелей, питающих группу электроприемников, определяется по формуле:

где - сумма номинальных мощностей электроприемников, питающихся по данному кабелю, кВт.

Подставляя  значения, получим:

       _{(3.5) [1]                                            или}

            0,812  _{(3.6) [1]}

     Так для кабеля К 3, питающего I группу механизмов комбайна и бункер-перегружателя, расчетный ток составит:

                             I _{р.К 1} = 0,812 × (25+404,6+30)=373 А

                             I _{р.К 1} = 373 А.

     Некоторая сложность создается с кабелем  К 7 , питающим самоходный вагон.

• расчетный ток, которого составит:

• учитывая режим работы данного кабеля (переодическое сматывание и разматывание кабеля на барабан, со значительными механическими перегрузками) приходим к выводу о необходимости снижения токовой нагрузки против расчетной влияя при этом на увеличение сечения токопроводящих жил кабеля.

Окончательное длительно расчетный ток составит:

     По таблице 1.3 /1/ выбираем и определяем: 

     1) характеристику кабелей: 

• кабели гибкие экранированные с резиновой изоляцией на напряжение до 1,2 кВ;
• длительно допустимая температура нагрева жил : ;
• кабели 4-х жильные для основного применения;
• кабели 5-ти жильные для питания самоходного вагона;
• кабели 7-ми жильные для питания комбайнов.

     2) стандартные сечения токопроводящих  жил кабелей S_ж по условию, что расчетные токовые нагрузки не превышают длительно допустимых справочных величин;

     3) марки кабелей: 

• ГРШЭ для основного вида эксплуатируемого оборудования и механизмов шахт и рудников;
• ГРЭ только для питания самоходного вагона;

     По  таблице (1.3) /1/ для кабелей К1  имеющего марку КГЭШ  

                        = 120

                              = 396 А 

3.2.2 Выбор сечения кабелей по условиям экономичности. 

     Согласно  ПУЭ стр. 40[2] проверке по условию экономичности плотности тока не подлежат:

     - сети промышленных предприятий  и сооружений напряжением до 1 кВ при числе часов использования  максимума нагрузки до 5000 часов  в год.

     Учитывая  выше изложенное выбор сечений кабелей  по условию экономичности не производим.    

     3.2.3  Выбор сечения кабелей по условиям механической прочности

     Согласно  выкладкам, изложенным на стр. 9 /1/, по условиям механической прочности минимальное  сечение кабелей S_мех.   Принимается равным:

          а)для питания КТП напряжением  6 кВ – 16 мм²;

б)для  механизмов, смонтированных на специальных  тележках в составе общего электропоезда  и т.п., а также для питания  пусковых агрегатов напряжением 660/133 В, то есть для бункер-перегружателей и АПШ-1 – 10 мм²;

в)для  отдельно установленных и периодически перемещаемых электроприемников, т.е. для самоходных вагонов и вентиляторов – 16 мм²;  

                г)для сети освещения напряжением  127 В – 2,5 мм².

Таблица 3.- Расчет и выбор кабелей 

4  ТОКИ  КОРОТКОГО ЗАМЫКАНИЯ 

     В трехфазных электрических сетях переменного тока с изолированной нейтралью возможны трех- и двухфазные токи короткого замыкания (к.з.). Процессы при коротком замыкании являются аварийными, так как величина тока при этом достигает значений, опасных для кабельной сети и электроустановок и может вызвать пожар. В связи с этим, при возникновении к.з, участковая сеть в целом или отдельные ее участки должны быть отключены максимально-токовой защитой (МТЗ). Действующие ПБ  и ПТЭ предусматривают обязательное определение ожидаемых величин токов к.з. с целью обеспечения четкого и надежного действия защиты.

     Ток трехфазного короткого замыкания  является максимально-возможным током короткого замыкания, определение которого необходимо для проверки правильности выбора коммутационной аппаратуры, с учетом ее предельной отключающей способности, и кабелей, с учетом их термической стойкости к воздействию тока к.з.

     При расчете тока учитывается, что к моменту короткого замыкания напряжение в сети НН повышено на 5%, а проводники перед этим не были нагружены током и их температура не превышает температуру окружающей среды +15⁰С, а температура обмоток питающих трансформаторов составляет +20⁰С.

     Ток двухфазного короткого замыкания  является минимально-возможным током короткого замыкания, определение которого необходимо для проверки выбранных установок МТЗ релейной защиты аппаратуры, надежно отключающей эти токи.

     При определении тока учитывается, что к моменту короткого замыкания напряжение в сети НН понижено на 5%, жилы кабеля нагреты предварительным током нагрузки до предельной температуры +65⁰ C, а обмотки понижающих трансформаторов - до +150⁰ C.  

4.1 Определение приведенных длин кабелей 

         Кабельная сеть участка обычно  состоит из кабелей имеющих  различные сечения, длину и  сопротивление. Для упрощения  расчетов токов короткого замыкания  (к.з.) и потерь напряжения в  сети все кабели приводятся  к кабелю сечением силовых  жил 50 мм².. Активное сопротивление γ*к.л. такого кабеля при температуре нагрева жил υ_ж=15⁰С составляет 0,363 Ом/км, при υ_ж=+65⁰С – 0,423 Ом/км.