煤礦井下電動機滿載啟動時端電壓的計算

穆 成,楊軍梨,穆連生

（1.山西晉神河曲磁窯溝煤業有限公司，山西河曲036500；2.山西大同大學煤炭工程學院，山西大同037003）

在煤礦井下低壓供電系統計算中,按功率最大的電動機起動,他電動機正常運行的條件來校驗電動機起動時的最小端電壓。 《煤礦電工手冊》、煤炭院校的有關教科書等,都是以0.75倍電動機額定電壓為最小值進行計算,這對于空載起動的負載是滿足要求的。但是,對于工作面刮板輸送機、運輸巷道的帶式輸送機等負載,由于某種原因,出現運行中的停機現象,導致電動機滿載起動的情況,原設計按0.75倍電動機額定電壓計算,理論上是通過的,但是實際中這類滿載起動的負載,起動困難,甚至根本無法起動,迫使人工卸載,起動后人工裝載,這樣的案例時有發生。基于這種情況,本文提出,對于滿載起動的煤礦井下輸送機類的負載,拖動電動機在起動校核計算時,應按0.9倍額定電壓計算。

由《電機學》可知,電網電壓降低,隔爆鼠籠型異步電動機的最大轉矩Mmax和起動矩Mst基本與電源電壓U2成正比地降低,臨界轉差率sm與電壓U的降低無關,同步轉速保持不變。電動機的過載倍數（λ值可由產品目錄查到）,通常λ≈1.6～2.2;電動機的起動轉矩倍數值可由產品目錄查到），通常Kst≈1～2。 極限考慮,電動機滿載起動時,當電源電壓下降10%,最大轉矩變為 Mmax＝1.6×0.92MN＝1.3MN,起動轉矩變為 Mst＝0.92KstMN＝0.81 MN,Mst＞Ml, 即,起動轉矩Mst大于負載轉矩Ml時,電動機拖動額定負載可以起動。這樣的計算,勢必要增大變壓器的容量或增加低壓電纜的芯線橫截面積,初期投資增大。但是,確保了設備起動及運行的可靠性。

從電源容量來講,目前國產的礦用干式變壓器或隔爆移動變電站,其容量最大可達4 000 kv·A,特別是卷繞鐵芯式干式變壓器,幾何尺寸較小,在煤礦井下應用廣泛,完全能夠保證井下原煤生產用電的需求。

用全阻抗法計算電動機滿載起動時的端電壓,更近工程實際。

1 用全阻抗計算煤礦井下電動機滿載啟動時端電壓的幾點假設

1)一臺隔爆型動力變壓器或一臺隔爆型移動變電站為一個供電單元;

3)一個供電單元,主變壓器電源側的系統阻抗忽略不計;

4)電動機的額定功率滿足拖動負載的要求,并有一定的功率富裕系數;

5)設供電單元動力變壓器為Y接線,隔爆型鼠籠電動機為Y型接線;

6)電源頻率不變。

2 煤礦井下電動機滿載起動時的電壓損失

電動機滿載起動時,其最小起動電壓按0.9倍額定電壓計算,其允許最大電壓損失ΔUp·st為

其中U2N為變壓器二次額定電壓(V),UN為電動機額定電壓 (V)；電網電壓為380 V,電動機滿載起動時的允許電壓損失 ΔUp·st＝58 V;電網電壓為 660 V,電動機滿載起動時的允許電壓損失ΔUp·st＝99V;而電網電壓為 1 140 V,ΔUp·st＝174 V;電網電壓為 3 300 V,ΔUp·st＝495 V。

“哎呀，怎么也不說一聲就回來了，”大娘是又驚又喜，一時間不知道手該往哪里放，“怎么瘦這么多？哎喲喲，看看你這黑眼圈，幾天沒合眼了？”

電動機滿載起動時,允許最小起動電壓Up·st·min為

電網電壓為380 V,Up·st·min＝342 V;電網電壓為660 V,Up·st·min; ＝594 V；電網電壓為 1 140 V,Up·st·min＝1 026 V;電網電壓為3 300 V,Up·st·min＝2 970 V。

3 煤礦井下一臺隔爆型變壓器帶多臺電動機,功率最大的一臺或兩臺電動機滿載起動,電動機正常運行的起動驗算

用供電系統圖1來作一說明。設電動機M2功率最大,且供電距離最遠。M2滿載起動,M1電動機正常運行,進行起動驗算。如果供電單元有多臺電動機,容量最大的電動機起動驗算與下述計算方法相同。

圖1 多臺電動機供電系統和等值電路

分析思路:由供電系統圖畫出一相等值電路圖,如圖1(b)所示,先求出功率最大電動機M2起動,電動機M1額定工作時,變壓器T提供的實際起動電流Ist,再求出并聯處的電壓UMN,計算出最大容量的電動機M2的實際起動電流Ist2,進而求出電動機M2的實際起動電壓ULN,與允許最小滿載起動電壓Up·st·min比較,判斷可否通過滿載起動校驗。或計算出功率最大電動機起動時的電壓損失與其允許電壓損失比較,判斷能否能夠通過。

3.1 各支路元件阻抗

1)正常工作的電動機M1支路

Rbl1＝r01Lbl1,Xbl1＝x01Lbl1;XM1＝ZM1sinφN。 其中 ZM1，RM1，XM1，cosφN，sinφN為電動機M1的額定阻抗、額定電阻、額定電抗、額定功率因數和對應的正弦值;r0，x0為電纜線路單位長度的電阻、電抗值 (Ω/km),由產品目錄中可獲得;L為電纜線路的長度(km)。

M1支路的總阻抗Z1、電導G1、電納B1為

2)功率最大的電動機M2

支路其中UN為電動機額定電壓(V);IN·st為電動機額定啟動電流 (A),IN·st＝（5～7）IN,IN為電動機額定電流(A),煤礦井下供電計算時取7倍;Zst，Rst，Xst為電動機起動時每相阻抗、電阻和電抗值 (Ω);cosφst和sinφst為電動機起動時的功率因數和對應的正弦值,通常礦用隔爆型鼠籠電動機額定起動時的功率因數cosφst＝0.3～0.5。

3.2 電動機支路并聯后的總電導GMN、總電納

BMN、總導納YMN和總阻抗ZMN

3.3 隔爆型變壓器每相電阻RT、電抗XT值,干線電阻 Rti、電抗 Xtl值

已知動力變壓器阻抗壓降百分數u%和負載損耗ΔP

干線電阻和電抗值:Ril＝r0Lil，Xil＝x0Lil

3.4 起動回路總電阻R∑、總電抗X∑、總阻抗Z∑

3.5 功率最大的電動機M2滿載起動時,變壓器提供的總電流Ist

3.6 M2滿載起動時并聯支路處的總電壓UMN

3.7 M2滿載起動時實際起動電流Ica·st和實際起動電壓Uca·st

當電動機滿載起動時,實際起動電壓Ust小于最小允許起動電壓Up·st·min,不能正常起動。為此,采取的措施:

1)增加電纜的截面積;

2)縮短供電距離;

3)增加變壓器的容量;

4)重新分配供電系統負荷。

3.8 工程實例概述

大同煤礦集團地煤公司焦煤礦,年產120萬t,井下運輸轉彎皮帶,水平布置,由2臺40kw/660V的電動機拖動,同時起動。供電距離850 m,其中500 m為3×70 mm2礦用橡膠電纜,另350 m為3×35 mm2礦用橡膠電纜,變壓器容量滿足要求。在安裝調試中出現的問題,只能空載起動;滿載起動時,保護裝置跳閘,不能起動。實測兩臺電動機空載起動電壓為600 V和602 V,起動電流266 A和260 A;實測滿載起動時的電壓為558 V和560 V,滿載起動電流334 A和330 A。

根據上述情況:①滿載起動時,按0.75倍額定電壓校核最小起動電壓時,滿載起動電壓558V＞495V（U2N－0.75UN）,滿足要求,實際上不能起動。對于滿載起動的運輸機,電動機起動時的最小端電壓不能用0.75倍額定電壓校核計算；②滿載起動時,按0.9倍額定電壓計算,滿載起動電壓,不滿足要求,不能起動；③解決辦法,按0.9倍額定電壓計算不滿足要求,根據現場實際情況,縮短供電距離,將一臺KSGB-315 kv·A,6000V/693V變壓器設置在拖動電動機附近,直接向皮帶拖動電動機供電,滿載起動完全滿足要求,實測滿載起動電壓612V＞594V（U2N－0.9UN）,與理論計算相符(供電計算略)。

4 結論

煤礦井下對經常有滿載起動可能性的運輸機,在起動校核計算時,應按電動機額定電壓的0.9倍來計算,避免在非正常情況下停車,滿載起動困難,被迫人工裝卸貨載的作業,影響原煤生產。采用全阻抗法計算電動機滿載起動時的電壓,在煤礦井下供電計算中是一種較好的方法。

參考文獻

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