完整版煤矿采区变电所的设计毕业设计.docx

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完整版煤矿采区变电所的设计毕业设计

2013届本科层次班矿山机电毕业论文

煤矿采区变电所的设计

班级：

姓名：

单位：

二○一三年七月

山东科技大学继续教育学院

煤矿采区变电所的设计

摘要

众所周知，矿井的供电可以分为深井供电系统和浅井供电系统，但不论是哪一种供电方式，都离不开采区变电所供电，它是实现对井下生产供电的最后一环节。

井下采区变电所是井下各个动力负荷集中的地方，它的位置、环境条件以及供电的安全、可靠、经济合理，都将直接关系到人身、矿井和设备安全及采区生产的正常运行。

所以，在对采区变电所的位置选择以及供电设备的选择上必须有严格的要求，这样才能保证生产的顺利进行。

本设计变压器选用矿用隔爆型干式变压器和矿用隔爆型移动变电站；高压开关与低压馈电开关都选用具有技术先进的智能化综合保护装置的高压防爆真空开关和低压矿用隔爆型真空馈电开关，各种设备的开关选用矿用隔爆型真空起动器。

高压铠装电缆选用交联聚乙烯绝缘聚乙烯护套电力电缆。

通过短路电流、开关继电保护整定的计算和保护接地的确定，使其设计可靠性高、功能完善、组合灵活，以及功耗低，保证采区供电安全、经济、高效平稳运行。

关键词：

变电所，电力，供电方式，采区变电所

第一章绪论2

1.1引言2

1.2采区变电所的发展2

第二章采区变电所位置的确定3

2.1采区变电所的位置确定3

2.1.1采区供电对对电能的要求3

2.1.2费用和环境要求3

2.1.3采区各级供电电压的范围3

2.1.4采区变电所硐室的位置确定4

2.2采区变电所的主结线4

2.2.1采区变电所的高压结线4

2.2.2采区变电所的低压结线4

2.2.3采区变电所的硐室与设备布置5

第三章采区供电设备的选择及其计算6

3.1采区供电计算的依据及步骤6

3.2拟定采区供电系统图的原则6

3.3采区供电设备的选择7

3.3.1采区及设备的供电回路确定7

3.3.2供电电压等级的确定7

3.3.3供电方案设计8

3.3.4采区动力变压器及移动变电站的选择8

3.3.5低压开关及保护装置选择8

3.3.6高压配电箱的选择9

3.4低压电缆选择10

3.4.1低压电缆型号、芯数和长度的确定10

3.4.2低压电缆主芯线截面的选择11

3.5采区供电计算实例11

第四章参照列表16

第五章小结20

第六章致谢21

参考文献22

第一章绪论

1.1引言

对于采区供电，由于煤矿供电的特殊性和井下电气设备的工作环境恶劣，为此，对供电的布局和正确选择电器设备，提出很高的要求，以便加强电器设备的维护和检修，满足矿井生产的需要。

采区供电通常以相对固定的采区变电所，是通过放射式电缆网向用电比较集中的配电点供电，而为了供电的安全，通常都是要以双回路供电，因此对于采区供电，要对采区的采高、电气设备的选型和对电缆的选择都是非常重要的，在确定了电气设备后，要对各种配电开关进行整定计算，对电缆选定后，要对它的距离进行确定，所以对电缆支线的电压损失和各负荷电缆的电压损失进行计算。

对各种保护的灵敏度校验是否合格，所以采区供电是一种复杂的供电，要经过严格的选择和供电的布局，才能最终形成一个完整的采区供电。

本文为矿山机电专业的毕业设计，分为绪论、采区变电所在矿井中的地位、采区变电所位置的确定、采区供电设备的选择及其计算、小结和参考文献，共分为六章，来说明如何对采区变电所进行设计，以及设计时所遇到的一些问题及所要注意的事项。

1.2采区变电所的发展

采区是井下动力负荷集中的地方，采区供电是否安全、可靠、经济合理，将直接关系到人身、矿井和设备安全及采区生产的正常运行。

由于井下工作环境十分恶劣，因此在供电上除采取可靠的防止人身触电危险的措施外，还必须正确的选择电器设备的类型和参数，并采取合理的供电、控制和保护系统，加强对电器设备的维护和检修工作，以确保电气设备的安全运行和防止井下瓦斯和煤尘爆炸。

随着煤炭工业现代化的发展，采掘机械化程度越来越高，机电设备的总装机容量和单机容量在不断增加。

以采煤机为例，从20世纪70年代初期的150kW左右，增加到了现在的375×2kW，目前国外采煤机单机功率已超过1000kW；综采工作面总容量也从几百千瓦增加到2000－3000kW。

由于机械化程度的不断提高，加快了工作面的推进速度，这就要求采区走向长度加长，从而使供电距离增大，给供电带来了新的问题。

因为供电电压等级一定时，输送的功率越大，电网的电压损失越大，电动机的端电压越低，这将影响用电设备的正常工作。

解决的办法有：

加大电缆截面，但有一定的限度，因为电缆截面过大，不便移动和敷设，而且也不经济；采用移动变电站使高压深入到工作面顺槽来缩短低压供电距离，可是供电电压质量得到较大的提高；提高用电设备的等级也是一个提高电压质量的有效措施。

目前国内生产的综采工作面电气设备电压等级为1140V，而且还将继续提高，现正研制3kV的采掘运电气设备，以适应生产发展的需要。

提高电压等级和采用移动变电站供电不仅保证了供电质量，而且还降低了电网输电损耗。

机械化程度的提高无疑带动了采区用电的发展，则合理的设计采区变电所也是当前的重要任务。

第二章采区变电所位置的确定

采区变电所是采区供电的中心，它担负着整个采区的受电、配电、变电任务。

采区变电所的位置决定于低压供电电压、供电距离、采煤方法及采区巷道布置方式、机械化程度、采煤机组的容量大小等因素。

2.1采区变电所的位置确定

2.1.1采区供电对对电能的要求

（1）电压允许偏差电压偏差计算公式如下：

电压偏差＝×100%《电能质量供电电压允许偏差》（gb12325—90）规定电力系统在正常运行条件下，用户受电端供电电压允许偏差值为：

1）10kv及以上高压供电和低压电力用户的电压允许偏差为用户额定电压的+7%—－7%；

2）低压照明用户为+5%—－10%。

（2）三相电压不平衡根据《电能质量三相电压允许不平衡度》规定：

电力系统公共连接点正常运行方式下不平衡度允许值为2%，短时间不得超过4%。

在采区变电所供电情况下，交流额定频率为50hz电力系统正常运行方式下由于负序分量而引起的pcc点连接点的电压不平衡度能满足规定要求

（3）电网频率《电能质量电力系统频率允许偏差》（gb/t15543—1995）中规定：

电力系统频率偏差允许值为0.2hz，当系统容量较小时，偏差值可放宽到+5%hz—－5%hz，标准中没有说明容量大小的界限的电网容量在300万kw以上者为0.2hz；电网容量在300万kw以下者为0.5hz。

（4）波形正常情况下，要求电力系统的供电电压（或电流）的波形为正弦波，在电能的输送和分配过程中不应该使波形产生畸变，还应注意负荷中谐波源（装整流装置等）的影响，必要时采取一定措施消除谐波的影响。

（5）供电可靠性供电可靠性是衡量电能质量的一个重要指标，必须保证供电的可靠

2.1.2费用和环境要求

采区变电所要便于对硐室的扩大和设备的增加，同时便于体积较大的变压器等设备直接通过运输上山运到采区变电所硐室减少运输设备的费用。

在满足费用要求的同时还要满足顶板坚固，无淋水且通风良好，保证变电所硐室内的温度不超过附近巷道5℃。

根据采区巷道布置，要使采区变电所能顺利的通过运输平巷向整个采区的负荷中心（采煤工作面）进行供电。

在回风上山和运输上山联络巷处，低压供电距离合理，并且不必移动采区变电所就能对采区的采煤、掘进及回采等进行供电。

所以把采区变电所布置在回风上山和运输上山联络巷处

2.1.3采区各级供电电压的范围

在确定采区变电所的位置时，首先应按工作面的机械化程度和供电质量要求，选择采区供电电压以及移动变电站的设置地点。

根据机械化工作面采煤机组功率大、供电距离比其他机械设备远，且启动频繁、重载启动等特点，要求工作面输送机和采煤机组电动机启动时允许电压损失符合要求，保证机组启动时有足够启动力矩。

同时，要求保证机组控制开关在机组电动机启动时有足够吸合能力。

一般来说，炮采工作面选择380V或660V供电；普通机械化采煤工作面选择660V供电；综合机械化采煤工作面选择1140V供电；高产高效矿井综采工作面选择3300V供电。

另外，综采工作面均采用移动变电站供电。

2.1.4采区变电所硐室的位置确定

在采区巷道中要具体确定采区变电所硐室的位置，还要按以下原则确定：

（1）变电所尽量接近负荷中心，保证与距离最远、容量最大的用电设备之间的电压损失在允许范围之内。

（2）应尽量少设变电所，并减少变电所的迁移次数。

在保证电压损失不超过允许范围条件下，一个采区最好只设一个采区变电所对全采区供电。

（3）通风良好，进出线及设备运输方便。

（4）顶、底板稳定并避免淋水。

采区变电所硐室不得设在工作面平巷中，一般设在盘区运输斜巷与轨道斜巷之间的联络巷内。

采区变电所硐室不需要另留保安煤柱，利用运输巷及轨道巷的煤柱即可。

在分层开采的盘区中，经过电压损失验算及硐室费用的比较，也可以将变电所设在压力稳定的岩层中，由它向各层工作面供电，而不必每层工作面都开凿变电硐室。

在开拓采区工作面巷道时，一般由采区变电所向掘进工作面供电，不另设掘进变电所。

当掘进大巷时，根据供电质量的要求，可利用联络巷作变电所。

如掘进速度较快，又无永久性采区变电所或联络巷可作掘进变电所时，应采用防爆移动变电站供电；采取安全措施，并经有关部门批准，也可在大巷一侧加宽巷道作临时掘进变电所用。

2.2采区变电所的主结线

2.2.1采区变电所的高压结线

一般采区变电所属于二类负荷，可采用单回路专线供电。

但随着煤矿采掘机械化程度的提高，尤其是高产高效矿井的出现，综采和综掘设备在煤矿生产中已大量应用，其产量和进尺对整个矿井生产具有很大的影响。

因此，对机械化采煤和掘进工作面常要求独立的双回路电源供电，以保证原煤产量和掘进进尺不受影响。

此外，有采区分区水泵等一类负荷的采区变电所也采用独立的双回路供电。

变电所中每台动力变压器必须设有1台高压配电箱进行控制和保护，3台及以上高压配电箱必须设有电源进线开关。

所有高压开关都采用矿用隔爆型高压配电箱，变压器采用矿用一般型。

（1）单电源进线。

单电源进线有两种结线方式：

第一种为无高压出线且变压器不超过2台的采区变电所，可不设电源进线开关；第二种为有高压出线的采区变电所，为了便于采区操作，一般设电源进线开关和高压出线开关。

（2）双电源进线。

双电源进线也有两种结线方式：

第一种为一路供电、一路备用（带阴影的开关为分断）。

两路进线均设电源进线开关，如出线及变压器台数较少时，母线可不分段。

第二种为两回路同时供电。

两路进线均设开关，且母线间设分段联络开关。

正常情况下联络开关打开，保持电源为分列运行状态；当一路电源故障停电时，合上联络开关，由另一路电源对两段母线负荷供电。

移动变电站一般由采区变电所的高压配电箱配电。

2.2.2采区变电所的低压结线

每台变压器的低压侧都装有一台低压自动馈电开关作为总开关，别且配有漏电保护装置（检漏继电器）；每条低压配出线都设有自动馈电开关作为配电开关，控制和保护配出线路；各变压器采用分列运行。

有照明变压器综合装置提供照明所需要的127V电压。

所有设备均采用矿用隔爆型。

图3-1为典型的采区变电所供电系统。

图3-1采区变电所供电系统

1.隔爆高压配电箱2.矿用变压器3、4隔爆自动馈电开关5.照明变压器综合装置6.检漏继电器

图3-2采区变电所的布置

2.2.3采区变电所的硐室与设备布置

采区变电所的硐室与设备布置基本同井下中央变电所，不同的时底板不需抬高。

不需留有备用开关位置。

高压设备和低压设备在两侧分布；也可将高、低压设备同侧布置，由变压器隔开。

采区变电所内的主要电气设备与井下中央变电所基本相同，只是没有整流装置。

第三章采区供电设备的选择及其计算

3.1采区供电计算的依据及步骤

为了保证供电安全可靠和技术经济合理，必须正确进行采区供电计算，在进行采区供电计算前，首先要到有关部门收集下列原始资料作为计算的依据：

（1）采区巷道布置图及机械设备布置图。

了解采区区段数、区段长度、工作面长度、巷道断面大小、上下副巷标高和用电设备在采区内的分布情况。

（2）采区各用电设备的技术参数。

（3）采区供电的电源情况。

了解采区附近现有变电所及中央变电所的分布情况，带负荷能力及在高压母线上发生短路时的短路容量。

（4）矿井的瓦斯等级，煤层的走向、厚度、倾角、煤质硬度、顶底板情况以及支护方式等情况。

（5）采煤方法、运输方式、通风方式、工作组织循环等。

（6）生产产量、各种电气设备的价格、电价、机电硐室开拓价格等。

根据原始资料对采区供电进行计算的步骤如下：

（1）确定采区变电所、工作面配电点、移动变电站的位置。

（2）拟定采区供电系统图。

（3）进行负荷统计计算，并确定无功功率补偿方案和计算补偿电容器容量。

（4）确定变压器的容量、型号及台数。

（5）选择供电电缆。

（6）计算短路电流。

（7）选择开关及启动器。

（8）继电保护装置整定计算。

（9）确定采区保护接地系统。

（10）由供电电气设备确定采区变电所硐室尺寸和设备的布置方案。

（11）进行采区供电经济计算。

3.2拟定采区供电系统图的原则

当采区变电所、工作面配电点、移动变电站的位置确定之后，即可拟定供电系统图。

对采区供电系统图的拟定应满足供电安全、可靠、经济、系统简单、操作方便等煤矿企业对供电的要求。

其原则如下：

（1）采区高压供电系统的拟定原则

1）供综采工作面的采区变（配）电所由两回路电源线路供电，其他采区变电所由单回电源线路供电。

2）采区变电所双回路电源供电时，应分别设置电源进线开关。

两回路电源供电时，当采用一回来供电，另一回路备用时，母线不可分段；当两回路电源同时供电时，母线应分段并设联络开关，确保正常分列运行。

3）单电源进线的采区变电所，当变压器的台数不超过两台、无高压出线时，可不设电源进线总开关；当变压器的台数超过两台或有高压出线时，应设电源进线总开关。

4）采区变电所的高压馈出线应设专用开关控制。

5）由井下中央变电所向采区供电的单回路电缆供电线路上允许串接采区变电所，但串接的采区变电所不得超过三个。

（2）采区低压供电系统的拟定原则

1）在保证供电安全可靠的前提下，力求所用的开关、起动器和电缆等设备最少；

2）原则上一台起动器只控制一台低压设备；一台高压配电箱只控制一个变压器。

当高压配电箱或低压起动器三台及以上时，应设置进线开关；采区为双电源供电时，应设置两台进线高压配电箱。

3）当采区变电所的动力变压器多于一台时，应合理分配变压器的负荷，原则上一台变压器负担一个工作面的用电设备；且变压器最好不并联运行；

4）由工作面配电点到各用电设备宜采用辐射式供电，上山及顺槽的输送机宜采用干线式供电；供电线路应走最短的路线，但应注意回采工作面（机采除外）、轨道上下山等处不应敷设电缆，溜放煤、矸、材料的溜道中严禁敷设电缆，并尽量避免回头供电；

5）大容量设备的起动器应靠近配电点的进线端，以减小起动器间电缆的截面；

6）低瓦斯矿井掘进工作面的局部通风机，可采用装有选择性漏电保护装置的供电线路供电，或采用掘进与采煤工作面分开供电；

7）瓦斯喷出区域、高瓦斯矿井、煤（岩）与瓦斯（二氧化碳）突出矿井中，掘进工作面的局部通风机都应实行三专（专用变压器、专用开关、专用线路）供电；

8）局部通风机与掘进工作面的电气设备，必须装有风电闭锁装置。

瓦斯喷出区域、高瓦斯矿井、煤（岩）与瓦斯（二氧化碳）突出矿井中的所有掘进工作面应装设两闭锁（风电闭锁、瓦斯电闭锁）设施。

因此，在掘进工作面的供电线路上应设一台闭锁用的磁力起动器，或专用的风电闭锁装置。

9）局部通风机无论在工作或交接班时，都不准停风。

因此要在专用变压器与采区变电所内其他任意一台变压器之间加设联络开关。

平时断开，在试验局部通风机线路的漏电保护时，合上联络开关，以防局部通风机停电；

10）采区变电所、上山绞车房、装车站及综采工作面应设照明灯。

当供电系统有多种可行方案时应经过技术经济比较后择优选择

3.3采区供电设备的选择

3.3.1采区及设备的供电回路确定

采区用电设备的供电回路数，决定于用电设备的负荷等级。

采煤工作面或掘进工作面的所有机电设备，如果由于某种原因对它们停电，仅仅对产量有所影响，而不会引起人员生命发生危险等重大事故，此时，可采用单回路供电。

对于采区变电所的电源进线回路数要通过分析决定，如果一个矿井的采区较多，那么某一采区停电一段时间，对整个矿井的产量影响并不大，对这样的采区供电时，采用一路电源的供电系统便可满足要求了，不需要设置备用电源。

对于采用综合机械化采煤的矿井，如果仅设置一个或两个采煤工作面就能完成全矿的计划产量，频繁停电，必将影响全矿生产任务的完成，因此对这类采区供电时，便可考虑设置备用电源，采用双回路或环形供电系统。

对采区中的每一台机电设备来讲，如果停电，仅局部影响生产，采用一路电源对它们供电即可。

对于个别设置了地位十分重要的分区水泵的采区，由于这样的水泵属于一类负荷，如果它和采区机电设备由同一个采区变电所供电，那么对这样的采区变电所供电时，必须设置备用电源，而且由采区变电所对这些水泵供电时，也必须采用双回路或环形供电系统。

3.3.2供电电压等级的确定

目前，在采区供电设计中，采区变电所的入线电压，一般采用6000V。

对出线电压，380V的电压已逐步淘汰。

由于设备的功率越来越大，为了减少线路的电能损失，一般在660V与1140V电压之间。

对于功率较大的设备，要尽可能选用1140V的电压等级。

对一般功率的设备，要视具体情况而定。

部分大型现代化矿井综采工作面电牵引采煤机组已使用3000V电压。

3.3.3供电方案设计

（1）供电电压及供电方式的选择

当采区变电所的位置选定以后，对采煤工作面的供电方式一般应遵循下述原则：

1）对综采工作面的用电设备应采用1140V及以上电压供电，且在工作面的回风巷或进风巷设置移动变电站。

2）对普采工作面尽可能采用1140V电压供电，在技术条件允许的情况下，可由采区变电所直接供电。

也可在工作面回风巷或进风巷设置移动变电站。

3）对炮采工作面，除特殊情况外，一般不设置移动变电站，可采用1140V或660V电压供电。

如果需要，也可同时采用两种电压供电。

（2）供电方案选择

供电方案选择是采区供电设计中最重要的一个环节。

本节主要解决两个问题：

1）合理的供电路线及负荷分组；

2）选择技术、经济上合理的变压器容量。

在确定供电方案时应遵循《煤矿安全规程》的有关规定。

供电方案应从采区生产技术条件、负荷分布条件、供电距离等因素进行综合考虑，进行合理的方案分析，可选两种方案做出技术分析比较（不用做经济比较）。

3.3.4采区动力变压器及移动变电站的选择

（1）采区动力变压器的选择

根据计算得出的分组负荷容量进行变压器型号选择，最终选择出的变压器容量应大于该组用电设备的计算负荷。

（2）移动变电站的选择

移动变电站的选择，包括位置选择及设备选型。

移动变电站的位置选择，一般放在工作面的上、下风巷内。

应主要考虑下述三方面：

1）所处巷道内便于运输、顶底板条件良好、无淋水。

2）尽量靠近大的用电设备，有条件的情况下，尽可能与液压泵站联合布置。

3）距离采区变电所尽可能近，以减少高压电缆长度。

移动变电站一般采用6000V高压入线，其出线电压等级有：

1140V、660V、380V、127V等。

3.3.5低压开关及保护装置选择

（1）选择的基本原则

遵循《煤矿安全规程》，采区巷道及采掘工作面的低压开关和电气设备，一律应为隔爆型、本质安全型或隔爆兼本质安全型。

低压电器设备的具体选择原则为：

1）用电设备的额定电压应与其所在电网的电压等级相符。

开关的额定电流应大于或等于用电设备的实际工作电流。

2）作馈电用的总开关或分路开关，应选用DWKB系列自动馈电开关（见表4-7）

3）对综合机械化采区和高档普采工作面，均需配备保护齐全的660V或1140V成套电气设备。

4）直接控制电动机或其它动力设备的开关，应选用隔爆型磁力起动器，其具体结构、型号应分别根据工作机械及控制方式而定。

（2）控制起动器的选择：

1）对需要远方控制的生产机械，如采煤机、截煤机、装岩机、输送机等，均应从QBZ-80、QBZ-120等真空磁力起动器。

2）对不需经常远方控制或不经常起动的生产机械，如局扇、照明设备等，应选用QSS81系列或CH—15型带熔断器的开关；作短路保护用（见表4-12）。

3）对需经常进行远方控制正、反转的生产机械，如刨煤机、回柱绞车、调度绞车等，应选用QBZ-80N、QBZ-120N系列等可逆磁力起动器。

4）对向电钻供电的开关，一般应选用各系煤电钻综保。

（3）继电保护装置的选择：

开关电器的继电保护装置，应与电网和生产机械的要求相符，具体选用原则为：

1）采区变电所的总低压开关，应设有短路、过负荷和漏电保护装置，或至少要装设漏电及短路保护装置。

2）变电所内的分路开关及配电点的总开关，除需有短路、过载保护外，还应设有漏电闭锁或选择性检漏保护装置。

3）向综合机械化采煤工作面馈电的移动变电站的低压馈电开关，除应有短路、过负荷保护外，还应当设有漏电闭锁和漏电保护装置。

4）直接控制电动机的各种起动器，一般均应具有短路、过负荷、断相的保护装置，对直接控制与保护采煤机组等大型设备的起动器，还要有电闭锁和漏电保护装置。

5）井下低压真空开关，应有过电压保护装置。

6）各类低压开关的接线喇叭口的数目，要满足电网接线的需求，而它们的出口内径，则要与所用电缆的外径相适配。

3.3.6高压配电箱的选择

（1）型号的选择

采区内使用的高压配电箱应选用隔爆型，根据矿井设备真空化的要求，应优先选择具有真空断路器的高压配电箱。

从电气设备对保护装置的要求，控制和保护高压电动机及变压器的高压配电箱，应具有短路、过负荷、欠压释放保护；控制和保护移动变电站的高压配电箱，除应具有上述三种保护外，还应具有选择性漏电保护、高压电缆监视保护。

条件限制时至少应有短路和欠压释放保护。

配电箱喇叭口的数目和内径要满足电网的接线要求。

喇叭口的数目分类有：

双电源式，共有三个喇叭口；单电源式，有两个喇叭口：

联合使用式，仅有一个负荷电缆喇叭口。

（2）电气参数选择

高压配电箱应按额定电压和额定电流选择，按额定断流容量和短路时的动稳定性、热稳定性进行校验。

1）断流能力校验。

额定断流容量S1（或最大分段电流I1）要大于其所在电路的最大短路容量（或最大短路电流），否则故障时不能切除电源。

断流能力应按下式进行校验：

S1≥S2=S0.2

I1≥I2=I0.2

式中：

S2、I2分别为最大运行方式下配电箱安装处电路的次暂态短路容量和短路电流；S0.2、I0.2分别为最大运行方式下配电箱安装处，电路短路后0.2s时的短路容量和短路电流。

2）短路电流的动稳定和热稳定校验。

为确保配电箱不至因短路电流的电动力和热效应所破坏，选择配电箱时应校验发生短路时的动稳定性和热稳定性。

配电箱的动稳定电流应大于或等于最大短路电流冲击值，配电箱的热稳定电流平方与对应的热稳定时间的乘积应大于或等于短路电流稳态值平方与短路电流假想作用时间的乘积。

3.4低压电缆选择

3.4.1低压电缆型号、芯数和长度的确定

（1）低压电缆型号的选择

电缆的型号主要依据其电压等级、用途和敷设场所等条件来决定。

煤矿井下所选电缆的型号必须符合《煤矿安全规程》的有关规定。

矿用低压电缆的型号，一