張利軍

（山西新元煤炭有限責(zé)任公司，山西晉中 045400）

0 引言

隨著礦井裝備水平不斷提升，大采高長(zhǎng)走向工作面日益增多，傳統(tǒng)工作面大型供電設(shè)備進(jìn)順槽的供電方式已經(jīng)不適應(yīng)高產(chǎn)高效礦井需求，諸多弊端逐漸顯現(xiàn)［1］。某煤礦是煤與瓦斯突出礦井，煤層深度達(dá)600 m，3108 綜采工作面位于礦3 號(hào)煤一采區(qū)，工作面走向長(zhǎng)1 955 m，采長(zhǎng)240 m。該面地質(zhì)條件復(fù)雜，煤層頂板壓力大［2］，造成巷道底鼓、嚴(yán)重變形，巷道斷面大大減小，給工作面通風(fēng)和采掘設(shè)備移動(dòng)造成很大困難。

如果仍然采用傳統(tǒng)供電方式存在以下弊端：大型設(shè)備列車布置在順槽，設(shè)備拉移過程中對(duì)人員和設(shè)備安全造成威脅；檢修作業(yè)工作量大、時(shí)間長(zhǎng)，不利于工效的提高；采空區(qū)煤層頂板壓力大造成巷道底板鼓起嚴(yán)重變形，除了造成通風(fēng)斷面減小留下安全隱患外，專設(shè)人員進(jìn)行起底擴(kuò)幫也增加了不少生產(chǎn)成本。為了解決以上問題，提高工作效率，減少設(shè)備列車倒移、保證通風(fēng)斷面，必須改變大型供電設(shè)備的布置方式［3］，即將移動(dòng)變電站、泵站系統(tǒng)等從順槽設(shè)備列車移出到工作面停采線以外，進(jìn)行遠(yuǎn)距離供電。工作面設(shè)備列車輕量化，只放置綜保、控制開關(guān)和集控室等小型設(shè)備，同時(shí)自移列車的應(yīng)用也提高了生產(chǎn)效率。

遠(yuǎn)距離供電作為未來綜采供電發(fā)展方向，國(guó)內(nèi)外許多專家都作了研究。目前，國(guó)外學(xué)者主要集中在提高電壓等級(jí)、改進(jìn)綜合保護(hù)的研究工作，國(guó)內(nèi)文獻(xiàn)主要研究了工作面自動(dòng)化等問題，如趙利杰等［4］未提及保護(hù)整定校驗(yàn)，關(guān)旭等［5］供電電纜長(zhǎng)度只有800 m，仍為1 140 V供電等。為了適應(yīng)當(dāng)前超遠(yuǎn)距離供電的實(shí)際需要，本文從設(shè)備選型、電纜壓降損失、繼電保護(hù)整定校驗(yàn)等一系列理論計(jì)算和3108綜采工作面實(shí)際應(yīng)用，3 300 V系統(tǒng)供電距離達(dá)到2 250 m，供電電纜長(zhǎng)度達(dá)2 500 m。

1 遠(yuǎn)距離供電系統(tǒng)構(gòu)建

1.1 供電系統(tǒng)總體擬定

3 108 工作面高壓由東三配電室4 臺(tái)高壓隔爆開關(guān)饋出，無軌自移設(shè)備列車置于輔助進(jìn)風(fēng)順槽1 700 m 處，列車上主要放置集控室、乳化液過濾站、綜保開關(guān)和電纜車；生產(chǎn)溜控制裝置和乳化液泵站置于距進(jìn)風(fēng)順槽口50 m處橫貫；采煤機(jī)、生產(chǎn)溜、轉(zhuǎn)載機(jī)、和破碎機(jī)采用3 300 V供電，順槽兩部皮帶、乳化液泵站、噴霧泵和注水泵采用1 140 V 供電，其余動(dòng)力電源為660 V。

擬定綜采工作面供電原理如圖1 所示。

圖1 3108 工作面供電原理

1.2 變壓器容量的選擇計(jì)算

本文重點(diǎn)對(duì)距離最遠(yuǎn)、單機(jī)功率最大的生產(chǎn)溜電機(jī)遠(yuǎn)距離供電進(jìn)行分析，生產(chǎn)溜變壓器容量選擇如下所示：

經(jīng)計(jì)算得S＝1 400 kVA，為保證遠(yuǎn)距離供電質(zhì)量生產(chǎn)溜機(jī)頭、機(jī)尾電機(jī)選用一臺(tái)KBSGZY－3150／10／3.3 型變壓器供電。其余變壓器選型方法類似，即選用1 臺(tái)KBSGZY－2000／10／3.3型變壓器供采煤機(jī)，1 臺(tái)KBSGZY－2000／10／3.3 型變壓器供轉(zhuǎn)載機(jī)、破碎機(jī)，2 臺(tái)KBSGZY－800／10／1.2 型變壓器作為乳化液泵、噴霧泵、注水泵的供電電源，選用2 臺(tái)KBSGZY－800／10／1.2 型變壓器為頭部和二部膠帶輸送機(jī)供電，注漿泵、660V 動(dòng)力電源分別選用2 臺(tái)KBSGZY－630／10／0.69 型變壓器。

1.3 遠(yuǎn)距離電機(jī)控制裝置的選擇

3108工作面生產(chǎn)溜采用雙電機(jī)驅(qū)動(dòng)方式，最遠(yuǎn)的生產(chǎn)溜機(jī)頭電機(jī)距控制開關(guān)長(zhǎng)達(dá)2 240 m，電機(jī)單機(jī)功率達(dá)700 kW。如果采用傳統(tǒng)直起開關(guān)，啟動(dòng)電流（6～8 倍Le）高達(dá)1 200 A，不利于開關(guān)保護(hù)整定。而且，遠(yuǎn)距離供電線路電壓損失大，啟動(dòng)時(shí)電壓壓降大，有效轉(zhuǎn)矩達(dá)不到電機(jī)的正常啟動(dòng)力矩［5］。因此，必須選用新型控制設(shè)備，本設(shè)計(jì)采用BPJV3×1250／3300 型高壓組合變頻器作為生產(chǎn)溜電機(jī)的啟停控制器。該高壓變頻器有3個(gè)獨(dú)立輸出回路，每一回路可以單獨(dú)控制1 臺(tái)1 250 kW以下電機(jī)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)任意1 臺(tái)電機(jī)單獨(dú)啟停和多臺(tái)聯(lián)動(dòng)控制。各輸出回路之間可實(shí)現(xiàn)主從機(jī)的動(dòng)態(tài)功率平衡以及各回路之間母線電壓平衡［6］。該開關(guān)保護(hù)功能齊全，在保證電機(jī)啟動(dòng)力矩前提下啟動(dòng)電流大大減小，從而能夠保證遠(yuǎn)距離供電繼電整定保護(hù)有效。

采用變頻器可以降低啟動(dòng)沖擊電流，實(shí)現(xiàn)平滑啟動(dòng)，保持供電線路電壓穩(wěn)定。高壓變頻器采用無速度傳感器矢量控制技術(shù)，將交流電機(jī)定子電流矢量分解成為2 個(gè)直流分量，即磁通分量和轉(zhuǎn)矩分量［7］，從而獲得與直流調(diào)速系統(tǒng)相同的控制效果。長(zhǎng)距離供電線路電壓損失大導(dǎo)致勵(lì)磁不足，矢量控制可以對(duì)電機(jī)端進(jìn)行響應(yīng)及優(yōu)化補(bǔ)償［8］，在不增加電流的情況下，能夠使電機(jī)獲得足夠的啟動(dòng)力矩。工作面生產(chǎn)溜電機(jī)和控制裝置分開布置以后，為實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制，特選用與組合開關(guān)適配性較好的KTC101 通訊及控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)運(yùn)輸皮帶沿線通訊、閉鎖和綜采工作面設(shè)備的集中控制、保護(hù)等功能，實(shí)現(xiàn)變頻器的遠(yuǎn)程控制。同時(shí)可以對(duì)主要生產(chǎn)設(shè)備工況實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障隱患從而采取補(bǔ)救措施，確保綜采設(shè)備協(xié)調(diào)、連續(xù)、高效、安全運(yùn)行［2］。

1.4 電纜的選擇

由于生產(chǎn)溜電纜由輔助進(jìn)風(fēng)敷設(shè)進(jìn)入切巷，即生產(chǎn)溜機(jī)頭電機(jī)電源線最長(zhǎng)，因此本文以距離最遠(yuǎn)（2 250 m）、單機(jī)功率（700 kW）最大的生產(chǎn)溜機(jī)頭電機(jī)電纜進(jìn)行選擇和校驗(yàn)。生產(chǎn)溜電機(jī)單機(jī)功率700 kW，正常運(yùn)行負(fù)荷電流約160 A，工作面走向長(zhǎng)度2 000 m，采長(zhǎng)240 m，選擇電纜長(zhǎng)度2 450 m。按電動(dòng)機(jī)正常運(yùn)行電流選擇截面。

電動(dòng)機(jī)負(fù)荷干線電纜的供電電流如下所示：

將數(shù)值代入式（2）得工作溜干線電纜的長(zhǎng)時(shí)間載流為201.72 A，選擇MCPJRX－1.9／3.33×120＋3×50／3＋3×2.5型電纜，其額定載流310 A，大于201.72A，滿足要求。

支線電纜電纜的長(zhǎng)時(shí)間載流：

代入數(shù)值計(jì)算得Iw＝144.08 A，由于負(fù)荷線較長(zhǎng)（2 450 m），選擇MCPJRX－1.9／3.33×120＋3×50／3＋3×2.5 電纜，其額定載流310 A，大于144.08 A，滿足要求。

2 電壓損失計(jì)算和截面校驗(yàn)

綜采工作面供電系統(tǒng)必須保證電壓穩(wěn)定，而且正常運(yùn)行時(shí)實(shí)際電壓損失必須小于所允許的電壓損失，同時(shí)，要保證各項(xiàng)保護(hù)功能有效，能夠合理整定保護(hù)電機(jī)。本文以最長(zhǎng)線路生產(chǎn)溜機(jī)頭電機(jī)進(jìn)行電纜校驗(yàn)。

2.1 按運(yùn)行時(shí)允許電壓損失校驗(yàn)截面

運(yùn)行時(shí)電壓損失可由下式計(jì)算：

式中：ΔUT為變壓器電壓損失；ΔU1和ΔU2分別為干線、支線電纜的電壓損失。

（1）變壓器的電壓損失計(jì)算如下所示：

式中：cosφ、sinφ分別為變壓器負(fù)荷功率因數(shù)和對(duì)應(yīng)的正弦值；UR為變壓器電阻壓降百分?jǐn)?shù)；UX為變壓器電抗壓降百分?jǐn)?shù)；β為變壓器負(fù)荷系數(shù)；U2N為變壓器二次側(cè)額定電壓。

計(jì)算得變壓器電壓損失ΔUT＝72.4 V。

（2）纜電壓損失計(jì)算如下所示：

正常運(yùn)行時(shí)，電纜末端的壓降值不應(yīng)超過電網(wǎng)額定值的7%～10%，即該線路允許的電壓損失ΔU＝381 V［1］。

干線電纜電壓損失，代入公式（5）得：ΔU＝3.283 V；最長(zhǎng)支線生產(chǎn)溜機(jī)頭負(fù)荷電纜電壓損失，代入公式（5）得：ΔU＝114.92 V。綜上，運(yùn)行時(shí)本線路電壓損失總和190.44 V ＜381 V，合格。

2.2 按起動(dòng)電壓損失校驗(yàn)電纜截面

為保證遠(yuǎn)距離電機(jī)正常啟動(dòng)，電機(jī)端電壓不得低于電網(wǎng)電壓的75%［2］，即3 300 V 系統(tǒng)電動(dòng)機(jī)允許的啟動(dòng)電壓損失為975 V。

（1）起動(dòng)時(shí)支線電纜的電壓損失

計(jì)算依據(jù)供電距離最遠(yuǎn)、容量最大的生產(chǎn)溜電動(dòng)機(jī)起動(dòng)，其計(jì)算公式為：

式中：γ為支路電纜芯線導(dǎo)體的電導(dǎo)率，銅取53；LZ為支路電纜實(shí)際長(zhǎng)度；cosφ為電動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)的功率因數(shù)；AZ為支路電纜的芯截面；IQ為電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)電流（取0.75 倍額定啟動(dòng)電流）。

生產(chǎn)溜電機(jī)電纜截面面積AZ＝120 mm2，長(zhǎng)度LZ＝2 450 m，電機(jī)的啟動(dòng)電流IQ＝724.5 A，代入式（7）求得該支線啟動(dòng)電壓損失ΔUZQ＝117.39 V。

（2）起動(dòng)時(shí)干線電纜電壓損失ΔUgQ

干線電纜截面面積Ag＝120 mm2，長(zhǎng)度Lg＝10 m，啟動(dòng)電壓損失很小，約為3.29 V，計(jì)算過程這里不作贅述。

（3）起動(dòng)時(shí)變壓器的起動(dòng)電壓損失計(jì)算

電壓損失計(jì)算如下：式中：IBQ為起動(dòng)時(shí)變壓器的負(fù)荷電流；IBe為變壓器負(fù)荷側(cè)額定電流；sinφ為起動(dòng)時(shí)電動(dòng)機(jī)功率因數(shù)角的正弦值；tanφpj為其余負(fù)荷加權(quán)平均功率因數(shù)角的正切值；UR、UX分別為變壓器的電阻、電抗壓降百分?jǐn)?shù)。

式中：SN為額定容量；ΔP為短路損耗。

將各參數(shù)代入式（9）得該變壓器起動(dòng)電壓損失：

（4）起動(dòng)狀態(tài)下電機(jī)總的電壓損失總的電壓損失計(jì)算如下：

代入數(shù)值得生產(chǎn)溜機(jī)頭電機(jī)起動(dòng)時(shí)總電壓損失∑U＝354.58 V，小于975 V，合格。

3 遠(yuǎn)距離供電整定校驗(yàn)

3.1 電抗阻抗計(jì)算

這里仍以距離最遠(yuǎn)、單機(jī)功率最大的生產(chǎn)溜電機(jī)進(jìn)行校驗(yàn)。生產(chǎn)溜變頻器和KBSGZY－3150／10／3.3 移變均置于輔助進(jìn)風(fēng)口配電點(diǎn)，冀家垴35 kV 變電站到10 kV 東三配電室電纜長(zhǎng)度3 700 m，型號(hào)為MYJV22－3×185 鎧裝電纜。東三配電室到輔助進(jìn)風(fēng)口配電點(diǎn)生產(chǎn)溜變壓器電纜為MYPTJ－3×70 型，長(zhǎng)度為300 m。

MYJV22－3×185 型電纜電阻RO＝0.118 Ω／km，電抗XO＝0.09 Ω／km，MYPTJ－3×70 型電纜，電阻RO＝0.31 Ω／km，電抗XO＝0.101 Ω／km，系統(tǒng)短路容量Sd＝100 MVA，平均電壓UP＝3.3 kV，則系統(tǒng)電抗高壓電纜阻抗電抗R1＝0.529 6，X1＝0.363 3；3150 kVA 移變的阻抗電抗Rb＝0.027 7，Xb＝0.202。

3.2 短路電流計(jì)算和保護(hù)整定校驗(yàn)

MCPJRX－1.9／3.3 3×120＋3×50／3＋3×2.5 型電纜阻抗參數(shù)：RO＝0.164 Ω／ km，XO＝0.056 Ω／km，L＝2500 m。

則電纜的電阻、電抗：R2＝0.41 Ω X2＝0.14 Ω。

則生產(chǎn)溜機(jī)頭電機(jī)處短路電流Id1計(jì)算如下：

3.3 保護(hù)整定校驗(yàn)

供生產(chǎn)溜機(jī)頭電機(jī)BPJV－3×1250／3300 型控制設(shè)備校驗(yàn)如下。

（1）過載：Ig＝Pe×η×cosφ／Ue＝162.2 A。

（2）短路：Ik＝6Ig＝973.2 A，取1 000 A。

代入數(shù)值校驗(yàn)得：Ikmin／Iz＝Id1／Iz＝2 122／1 000＝2.12，大于1.5，校驗(yàn)合格。

4 遠(yuǎn)距離供電系統(tǒng)的應(yīng)用

超遠(yuǎn)距離供電設(shè)計(jì)在新元煤礦3 108 綜采工作面實(shí)施后，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，生產(chǎn)溜配套的3 300 kV 移動(dòng)變電站空載時(shí)低壓端出口電壓3 400 V，高壓變頻器電壓3 400 V。加負(fù)荷運(yùn)行后，采煤機(jī)處測(cè)得平均電壓約3 340 V，生產(chǎn)溜機(jī)頭電機(jī)測(cè)得平均電壓約3 320 V，滿足設(shè)備正常運(yùn)行電壓要求。采煤機(jī)啟動(dòng)時(shí)，線路電壓降ΔUq＝343 V，生產(chǎn)溜機(jī)頭電機(jī)啟動(dòng)時(shí)線路電壓降ΔUq＝196 V，完全滿足電機(jī)啟動(dòng)要求。實(shí)踐證明，超遠(yuǎn)距離供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)能夠滿足綜采工作面供電需求，可以有效保證供電質(zhì)量［9］。

工作面實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離供電后，提高了檢修工作效率，降低了工人勞動(dòng)強(qiáng)度，工作面減人和增產(chǎn)方面也成效顯著［10］。綜采隊(duì)檢修班減員3 人，起底擴(kuò)幫人員每班減少4人，每工按8萬元每年計(jì)算，一年可以節(jié)約薪資費(fèi)用120 萬元。2019 年10 月底至2020年3月初，3108工作面實(shí)際生產(chǎn)原煤85.76 萬t，比普通綜采工作面3412同一時(shí)間段多產(chǎn)11.6萬t，經(jīng)濟(jì)效益顯著提升。

5 結(jié)束語

本文針對(duì)傳統(tǒng)采煤工作面大型設(shè)備列車進(jìn)順槽的諸多弊端，設(shè)計(jì)了超遠(yuǎn)距離供電系統(tǒng)即變壓器、泵站系統(tǒng)等大型設(shè)備移出到順槽停采線以外，位置一次確定。經(jīng)理論計(jì)算校驗(yàn)和3108 工作面實(shí)際應(yīng)用，證明本供電方案是可行的，單機(jī)功率最大的生產(chǎn)溜電機(jī)供電距離達(dá)到2 250 m。超遠(yuǎn)距離供電設(shè)計(jì)的應(yīng)用，解決了在底鼓巷道內(nèi)推移列車?yán)щy等問題，提高了安全系數(shù)，加快了工作面推進(jìn)進(jìn)度，降低了巷道通風(fēng)阻力，對(duì)煤與瓦斯突出礦井有重要的實(shí)際意義。