礦山立井施工變壓器容量選擇方法研究

關恒祝，　丁桂寶，　肖群

(本溪大臺溝礦業有限公司， 遼寧 本溪　117000)

?

礦山立井施工變壓器容量選擇方法研究

關恒祝，丁桂寶，肖群

(本溪大臺溝礦業有限公司， 遼寧 本溪117000)

摘要：通過對礦山立井施工變壓器容量一般選擇方法的分析，闡明了工程領域采用需要系數法選擇設備的局限性，并提出在充分了解施工工藝過程、非常熟悉施工用電設備工作狀況的基礎上，采用繪制電力負荷曲線的方法能夠更合理地選擇變壓器容量。

關鍵詞：礦山立井； 變壓器容量； 需要系數法； 電力負荷曲線

網絡出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/32.1627.TP.20151231.1601.020.html

Research of selection method of transformer capacity for mine vertical shaft construction

GUAN Hengzhu，DING Guibao，XIAO Qun

(Benxi Dataigou Mining Co., Ltd., Benxi 117000, China)

Abstract：The paper illuminated boundedness of using demand coefficient method to choose device in engineering field by analysis of general selection method of transformer capacity of mine vertical shaft, and proposed that using method of drawing electricity load curve in basis of full knowledge of construction technology process and familiar with operating condition of electrical equipment can select capacity of transformer reasonably.

[WTHZ]Key words[WTBZ]:mine vertical shaft; transformer capacity; demand coefficient method; electricity load curve

0引言

在我國新建坑內礦山基建期間，需要配置大量的10 kV(或6 kV)施工變配電所。施工變配電所的電源一般引自地方區域電網的上一級變電站，由于受地方電網的制約，施工變配電所的設計必須考慮諸多因素，如變配電所主接線形式、無功補償及計量方式等，其所內變壓器容量的選擇尤為重要。變壓器容量的選擇偏小會影響配電系統的正常運行，選擇偏大會給企業或投資者造成不必要的投資浪費。因此，如何合理地選擇變壓器容量是礦山立井施工變配電所設計的關鍵所在。長期以來，礦山立井施工變壓器容量的選擇偏大幾乎成了一種極為普遍的現象，因變壓器容量選擇偏大帶來的經濟損失往往不易被察覺，即使覺察到了也沒有十分有效的解決辦法，因此，這成了多年來擺在廣大工程技術人員面前亟待解決的一項課題。

本文介紹了目前礦山立井施工變壓器容量的一般選擇方法，并結合礦山立井施工實例，分析了變壓器容量選擇方法的合理性，通過研究立井施工工藝與其用電設備的內在聯系，歸納出在立井施工過程中合理選擇變壓器容量的一套切實可行的方法。

1礦山立井施工變壓器容量的選擇方法

礦山立井施工變壓器容量的選擇同礦山企業其他變壓器容量的選擇一樣，一般均采用需要系數法[1]。由于該方法簡單易行且適用于工程設計的各個階段，所以被廣大工程技術人員所普遍接受。變壓器容量的選擇都是以電力負荷計算為基礎的，通過電力負荷計算所求得的計算負荷，又稱需要負荷或最大負荷，通常采用30 min最大平均負荷作為按發熱條件選擇電器和導體的依據[2]。在已知設備容量和需要系數后，即可求出計算負荷。有功計算負荷Pjs、無功計算負荷Qjs、視在計算負荷Sjs的計算公式如下：

(1)

(2)

(3)

式中:Pe為電氣設備的額定功率，kW；Kx為電氣設備的需要系數；φ為功率因數角。

依據式(1)—式(3)，施工單位一般便可根據投入使用的電氣設備名稱和數量，進行負荷計算。采用需要系數法計算的某工程措施井施工用電負荷計算結果見表1。

表1　措施井施工用電負荷計算結果

[HT]由表1可知，補償前視在功率為1 265 kVA，補償后視在功率為910 kVA。實際選擇變壓器容量時有2種可能：當不設置低壓無功補償時，可選擇變壓器容量為1 250 kVA或1 600 kVA；當設置低壓無功補償時，一般選擇1 000 kVA或1 250 kVA。以上2種選擇均符合要求，但不一定合適。筆者認為，只有當變壓器實際運行狀況與選擇相一致或相接近時才可以認為合適。但是，當變壓器投入運行后，即使發現不合適也很難對其進行更換，因為這不僅僅是費用問題，還要涉及到向電力部門辦理用電手續變更等問題。因此，有必要事先對變壓器容量的常規選擇方法加以討論和研究，分析導致變壓器容量偏差的癥結所在，客觀評價其準確程度，從而尋找出一種新的、切實可行的選擇方法。

2變壓器容量選擇方法的合理性分析

變壓器容量的選擇只需根據常規方法進行負荷計算、滿足規范要求就可認為是合理的，而是否合適才是企業或投資者所必須關注的問題。合適是指滿足以下2個條件：① 在任何工況、任何時段內用電設備正常與安全運行；② 運行費用最低。這里的運行費用是指當采用兩部電價制向供電公司支付費用時的基本電費，因此，從這個角度來講，變壓器容量越小越合適。

通過分析上述工程實例的用電負荷計算過程可知，影響變壓器容量的選擇主要取決于5種因素：電氣設備的額定功率Pe，電氣設備的需要系數Kx，功率因數角的正切值tanφ，變電所的同時系數和無功補償量。其中電氣設備的額定功率、功率因數角的正切值以及變電所的無功補償量很容易確定，一般不會對變壓器容量選擇的準確程度造成影響，而電氣設備的需要系數和變電所的同時系數選擇范圍比較寬泛，是影響變壓器容量選擇的關鍵因素，因此,本文僅對這2種因素進行分析。

電氣設備的需要系數Kx是由公式Kx=KtKfz/η簡化而來[3]，式中Kt為設備的同時使用系數,Kt等于在最大負荷時某組工作著的用電設備容量與線路中全部用電設備總容量的比值；Kfz為負載系數，表示在最大負荷時，所有工作著的用電設備實際所需的功率與全部被投入用電設備總容量的比值；η為用電設備運行于實際功率時的效率。若令Kfz=η(實際中Kfz與η基本相等)，則Kx=Kt，所以只需考慮Kt就可以了(考慮Kt更方便通過畫圖來分析負荷分布情況，此處不再贅述)。工程中Kt的取值范圍為0

工程中一般規定變電所的同時系數取值范圍為0.8～0.9，該值是否科學與合理很難證實。另外，普遍認為，采用需要系數來選擇變壓器容量，對于用電設備足夠多、設備容量差異不大、設備工作制類型不是很復雜的情況，是較為適宜的，否則偏差會加大，變壓器容量的選擇也更加趨于不合理。因此，為使變壓器選擇更加趨于合理，有必要尋找出其他方式來選擇變壓器的容量。

3降低變壓器容量的方法

目前最有效、也最為通用的降低變壓器容量的方法是設置低壓無功補償裝置，但因為現場實際用電負荷多種多樣，所以還必須具體情況具體分析。筆者認為,在充分了解施工工藝過程、非常熟悉施工用電設備工作狀況的基礎上，采用繪制電力負荷曲線的方法，能夠有效地降低變壓器容量。電力負荷曲線可以將施工用電設備與施工工藝過程密切結合起來，使得在某個時段內，如某日、某月或某年內，最大負荷很直觀地顯現出來。當然，該方法不僅適用于各種不同場合的電力變壓器容量的選擇，而且也適用于用電設備臺數較少、工藝過程不太復雜的情況。為方便起見，仍以上述工程為例來加以說明。

該礦山立井施工的工藝概況：施工完全采用機械化作業方式，施工工序可概括為鑿巖、爆破、裝巖和砌壁，其詳細作業內容與作業時間見表2。

表2措施井混合作業正規循環圖表

根據表1中所提供的用電設備，結合表2中的詳細作業內容，可以將具體的用電設備與每道工序結合起來，如在第1道鑿巖準備工序中包含2項內容：① 交接班及安全檢查；② 下傘鉆及鑿巖準備。下傘鉆只需投入1臺55 kW的鑿井絞車，此時鑿井絞車工作時間很短，在10 min內便可完成；當進入到第2道工序鑿巖時，1臺250 kW、2臺110 kW空壓機及2臺55 kW通風機投入運行，再加上50 kW其他負荷，負荷P總計為630 kW，運行時間長達6 h，此段負荷最大，成為影響變壓器容量選擇的關鍵性用電設備。依此類推，可以將該立井施工的1個作業循環的用電設備使用情況粗略地描述出來，并繪制電力負荷曲線，如圖1所示。

圖1措施井1個作業循環的電力負荷曲線

圖1是按照每段工序投入運行的設備容量相加而得，可以看出，所選擇的變壓器只要滿足鑿巖情況即可，因此，可以根據630 kW來確定變壓器容量。在變壓器低壓側加無功補償，使其功率因數達到0.9時，視在功率為700 kVA，據此可以初選變壓器容量為800 kVA。

以上變壓器容量的選擇只考慮了用電設備在最大負荷時段額定運行時的功率輸出情況，而未考慮大容量電動機啟動時對電網電壓允許偏差的影響、啟動容量的限制以及變壓器過負荷能力的要求。一般來講，采用全壓啟動的電動機會對電網造成很大沖擊，尤其是大容量電動機，這一點在選擇變壓器容量時必須充分考慮。工程上規定，經常啟動的電動機其電壓降不得超過10%，不經常啟動的電動機其電壓降不得超過15%；電動機的啟動容量不得超過電源容量和變壓器的過負荷能力[4]，否則，必須對電動機采取降壓啟動方式或加大變壓器容量。下面以本例中最大一臺空壓機為例進行計算，來校驗初選變壓器容量為800 kVA是否合適。

已知空壓機配置1臺Y2-355M-4籠型電動機，額定功率Pe=250 kW，額定電壓Ue=380 V，額定電流Ie=458 A，功率因數cosφ=0.88，額定效率ηe=0.94，啟動電流倍數Kq=6.5，電動機接線方式為Y-Δ時，啟動電流倍數Kqy-Δ=6.5/3=2.17；由1臺S11-800/10變壓器供電，變壓器額定容量Sb=800 kVA，變比為10/0.4 kV，阻抗電壓百分比Ud=0.045；變壓器一次側短路容量S″=50Sb=40 MVA(無系統短路數據)，母線其他負荷功率因數取cosφfh=0.7，母線其他負荷Sfh=0.42 MVA(估算)。由于接至電動機的距離較短，線路阻抗可忽略，即XI=0。計算過程如下：

(1) 電動機啟動容量及啟動時的母線電壓偏差和電動機端電壓偏差校驗。電動機的額定容量為

Se∣MVA=Peηe/cosφ=0.25×0.94/0.88=0.302

(1)

電動機額定啟動容量為

Sqd∣MVA=Kqy-ΔSe=2.17×0.302=0.655

(2)

母線短路容量為

Sd1∣MVA=Sb/(Ud+Sb/S″)=0.8/(0.045+

0.8/40)=12.3

(3)

母線其他負荷的無功功率為

Qfh∣Mvar=Sfh[KF(]1-cos2φfh[KF)]=0.42[KF(]1-0.72[KF)]=0.3

(4)

電動機啟動時的母線電壓相對值為

Uqm=(Sd1+Qfh)/(Sd1+Qfh+Sqd)=

(12.3+0.3)/(12.3+0.3+0.655)=

12.6/13.255=0.95

(5)

Uqm>0.9，滿足電壓偏差要求。由于XI=0，電動機啟動時的端電壓相對值等于電動機啟動時的母線電壓相對值Uqm，所以也符合對電動機頻繁啟動情況下端電壓不低于90%的規定。

(2) 變壓器過負荷校驗。800 kVA變壓器二次額定電流為1 155 A，250 kW電動機采用Y-Δ方式降壓啟動時，啟動電流為2.17×458=994 A，電動機的啟動電流與變壓器的額定電流之比為994/1 155=0.86。根據工程規定，若電動機每晝夜啟動6次，每次啟動持續時間不超過15 s，變壓器負荷率小于90%(或每次啟動持續時間不超過30 s，變壓器負荷率小于70%)，則最大啟動電流允許值為變壓器額定電流的4倍。若電動機每晝夜啟動1 020次(或每次啟動持續時間不超過30 s，變壓器負荷率小于70%)，則允許最大啟動電流相應減小為變壓器額定電流的23倍。通過校驗可知，800 kVA的變壓器完全滿足過負荷要求。

4降低變壓器容量的意義

根據我國電力部門的規定[5]，大工業用電的用戶按兩部電價制收費，基本電費加電度電費，基本電費是與用電量無關的，當以變壓器容量作為基本電費收取時，用戶便不得不考慮該變壓器容量的選擇。選擇合適的變壓器容量不僅會減少初期的設備投資，更重要的是運行費用會大幅度降低。如本文的例子中將變壓器容量由1 250 kVA(是否加無功補償都可以選取的容量)降為800 kVA，容量減少了450 kVA，若按每月22元/ kVA收取基本電費，每年可節省118 800元的支出。這只是某個工程的其中1條井、1座變電所，如果變電所的數量增加至10座乃至20座，則每年節省的費用相當可觀。如果企業的終端變電所電壓等級為35、66、110 kV，變壓器臺數為2臺及以上，容量達20 000 kVA以上，則選擇合適的變壓器給企業帶來的經濟效益將更大。

5結語

對礦山立井施工變壓器容量選擇普遍采用的需要系數法進行了合理性分析，并結合施工工程實例，在熟悉施工工藝及設備的基礎上，提出了一種通過繪制電力負荷曲線來有效降低變壓器容量的方法。該方法不僅可降低企業的設備投資，也降低了電費的支出，給企業創造了極大的經濟效益。

參考文獻：

[1]長沙黑色金屬礦山設計院.黑色金屬礦山企業電力設計參考資料[M].北京:冶金工業出版社,1979.

[2]中國航空工業規劃設計研究院.工業與民用配電設計手冊[M].3版.北京:中國電力出版社,2005.

[3]蘇文成.工廠供電[M].2版.北京:機械工業出版社,2004.

[4]鋼鐵企業電力設計手冊編委會.鋼鐵企業電力設計手冊[M].北京:冶金工業出版社,1996.

[5]國家能源局.供電營業規則[EB/OL].(2012-01-04)[2015-09-04]. http://www.nea.gov.cn/2012-01/04/c_131262676.htm.

關恒祝，丁桂寶，肖群.礦山立井施工變壓器容量選擇方法研究[J].工礦自動化，2016,42(1)：67-70.

作者簡介：關恒祝(1957-)，男，遼寧遼陽人，教授級高級工程師，主要從事礦山機電的規劃、管理和礦山供配電及自動化工程的設計與研究工作，E-mail:dtgkyghz@126.com。

收稿日期：2015-10-09；修回日期：2015-11-25；責任編輯：胡嫻。

中圖分類號：TD611

文獻標志碼：A網絡出版時間：2015-12-31 16:01

文章編號：1671-251X(2016)01-0067-04DOI:10.13272/j.issn.1671-251x.2016.01.020