礦井下供電電壓的技術升級和改造分析

趙 利

（開灤（集團）有限責任公司荊各莊礦業分公司，河北 唐山 063000）

礦業企業是一個較為特殊的行業。由于煤礦生產的特殊性，除了國家規定的標準電壓等級之外，還有一些礦井專用的電壓等級，礦井企業供電電壓的選擇，取決于礦井附近電源的電壓，用電設備的電壓、容量及供電距離。

礦井地面降壓變電所的受電電源，一般來自供電公司電力系統的區域變電所或發電廠，經變壓器變壓后在配給礦井各個用戶，組成礦井供電系統。以本礦為例，變電所受電電壓為35kV，經過降壓后的電壓為6kV，經架空線路和電纜向地面車間、井下變電所及高壓用電設備等供電，組成了礦井的高壓供電系統；又將地面車間和井下變電所再次降壓為380V、660V、1140V或更高電壓后，向低壓用電設備供電，又組成了各自的低壓供電系統。隨著礦業企業機械化程度的迅猛發展，同時也為更好的適應高產高效礦井開采的需求，礦井供電系統提高電壓等級應該進一步得到提升和改善。

1 低電壓的危害分析

考慮低電壓出現的原因，主要包含著以下幾個方面：系統的設計缺乏合理性、設備本身的功率存在著因數較低的情況、輸電線路較長且產生了較大的損耗、用電負荷增大幅度明顯。一旦出現低電壓情況，勢必引發嚴重的后果，還需通過提升電壓等級的方式適當的規避相應的危害[1]。

（1）增加線路的損耗。若是輸送功率保持不變，電壓出現較低的情況時，會使得電流呈現出持續增加的狀態，線路本身的損耗以及電流的平方呈現出正比，若是低電壓保持著運行的態勢，則會增加線路的損耗。

（2）影響到用電設備的運行。一方面，能夠對電動機產生一定的影響，若是電壓降低至20%的時候，電動機的轉動力矩可以適當的減少36%左右，電流若是增加了20%～25%，則電動機的溫度能夠持續的升高，升高15℃以上，會直接威脅到電動機的實際運行狀態。另一方面，還能對控制電器產生一定的危害，針對于交流接觸器和繼電器來說，如果出現了低電壓的問題，極易影響到操作的過程，甚至出現難以合理控制的問題，還會引發觸頭燒壞以及熔焊等后果，直接阻礙了設備的實際運行狀態。

2 該項目提升電壓等級的優勢之處

在該項目實踐中，主張將井下原有660V供電電壓升級到1140V，隨著礦井開采的延伸，大功率采掘設備的不斷投入，使得各種低壓用電設備的使用量遞增，目前的電壓等級無法滿足生產的實際需求。

（1）保證用電輸電的基本能力。提高額定電壓等級的優點在于當前煤礦企業礦井設備增容、大設備越來越多，提高電壓等級可以提高用電輸電能力。供電電壓從660V升至1140V，由供電輸電能力計算公式PZ=ΔU%·U2·cos/100（Z為線路阻抗、P為線路的輸送功率、ΔU%為線路電壓損失、U是供電電壓）進行論斷分析，在輸電質量ΔU%和功率因數cosφ不變的情況下，輸電能力PZ與電壓U2成正比。660V升級到1140V其電壓提高了倍，輸電能力提高了2.99倍，在實際使用中不僅滿足了現場統一電壓的要求，通過提高供電能力，提高配電點使用效率，滿足了礦井對生產用電的需求。

（2）適當的降低電能損耗。由于供電線路自身存在電阻和電抗，所以電流在線路中傳輸時，必然會在線路上產生電壓降和電壓損失，使得線路首、末端電壓不一致，首端電壓高于末端電壓。煤礦企業在滿足供電公司負荷率的同時，提高電壓等級可以降低電能的損耗，可以提高電壓供電質量，電壓等級越高，有功損耗越小。依據線損相應的計算公式ΔU=L/U*(P*r+Q*x)（U是供電電壓、L是線路長度、P為經過線路的輸送有功功率、Q為經過線路的輸送無功功率、r為線路阻抗、x是線路電抗）進行論斷分析，在供電線路的長度L、阻抗r、電抗x不變的情況下，電壓損耗ΔU與供電電壓U成反比，采用1140V電壓供電，電壓額定值越高，電壓降損失值越低，末端的電壓質量越好，提高供電電壓對線路阻抗造成的電壓損失有彌補效果。在線路電壓損耗不變，輸電功率有功、無功不變的情況下，供電距離與供電電壓成正比，采用1140V較660V供電，延長了電纜長度使用量，增加了電能輸送距離，達到了降低電壓損失的目的。

（3）確保供電過程的安全性。設備供電距離遠、負荷大、啟動電流大等造成供電壓降大，各別設備由于電壓降大，欠壓保護動作，存在跳閘的危害，有的設備電壓過低起車困難有電機燒毀的危害。供電系統由之前兩套電源兩種電壓供一個面，改用1140V供電，系統可以得到簡化，節約能源。由于供電電壓升高，工作電流降低，可以減少安全隱患和電氣事故的發生，有效提高供電系統的安全性、可靠性，為礦井開采提供了有力保障。

（4）適當的控制相應的開支。660V改由1140V供電后，可以省去660V電壓等級的很多變壓器、開關、電纜以及人工的投入，節省了很大的開支，供電系統也得到了簡化，避免了兩種電壓同時的存在，提高了用電安全性、可靠性。

圖1 礦井下探測圖

3 礦井下供電電壓技術升級改造

（1）技術的升級和改造。借助于井下660V供電形式，提高供電電壓等級，傳輸同樣的電功率，電壓越高，電流越小，可以使電壓本身的可靠性穩步提升，同時還能確保供電的安全性。由于電流的減小過電流繼電器的整定電流值也將減小，滿足了繼電保護裝置的動作靈敏度，其可靠動作系數大于等于1.5的要求。因此，為減小傳輸電流，降低輸電線路中的電能損耗和電壓損失，應當采用高電壓輸送電能。通過升壓有效改善供電系統的銅損，降低電氣設備溫度，降低無功功率損失，提升電氣設備使用壽命。

（2）經濟的升級和改造。井下低壓供電系統的升級和改造，利大于弊，可以充分發揮出良好的改造價值，尤其在供電可靠性上，呈現出明顯提升的趨勢。通過將660V升級為1140V，供電可靠性提高至新的高度，供電系統得到了簡化，供電方式更加合理，供電的半徑呈現出逐步擴大的趨勢；同時電氣設備、電纜實際的投入費用也得到了有效的降低，節省了經營成本。設備出現故障的概率明顯減小，線損率同樣得到了控制。結合整體投資效益以及供電質量加以分析，在保證用電功率的基礎上，1140V供電時電纜的電功損耗僅為660V供電時的58%，降低了42%，經改造后體現出理想的經濟效益。從供電經濟性考慮，供電距離越遠、輸送功率越大，采用的電壓等級越高。

（3）供電系統升壓改造經濟分析。電網本身的電壓損失主要是通過變壓器中電壓損失以及電纜線路電壓損失共同組合而成，其中涉及到的電纜線路電壓損失往往是依靠著用電功率以及電纜長度等多個內容比值加以獲取。若是電壓損失保持不變，供電距離以及電纜截面等同樣保持不變的時候，送電功率逐步增大的過程中，應該將系統中的額定電壓合理的提高；在確保電壓損失的相對額定值時，電纜截面和送電功率處于不變的狀態下，若是可以將系統本身的額定電壓逐步提升，則供電距離能明顯增加，由此便讓采區變電所的實際供電范圍明顯擴大。

4 礦井下供電電壓技術升級改造方案

（1）調整設備運行方式提高電壓等級。電壓等級的選擇是否合理，直接影響供電系統中的有色金屬消耗量、電能損耗、電壓損失、生產經營以及未來的發展。因此，供電系統中電壓等級的選擇一般應考慮多種方案，當經濟指標相差不大時，應優先采用電壓等級較高的方案。

針對井下供電電壓由660V升級到1140V，對設備的安裝和維護有了更高的要求，當前我礦井下在用電氣設備大部分存在兩種電壓等級（即660V/1140V），根據生產需要在確定好所使用的電壓等級后隨時可進行切換，干式變壓器通過改變原有接線組別的方式即可調整所需用電電壓，饋電開關通過改變控制變壓器繞組電壓的接線方式可以來實現1140V電壓的動力輸出。依照煤礦井下供電電壓的使用原則，需要對配套的生產輔助電氣設備重新調整用電電壓以及調整原有接線方式，必要時更換部分與所需電壓等級不符的設備，通過技術革新，科學規范用電，強化日常安全管理，才能讓其發揮出更大的應用價值。

（2）供電系統升壓和設備投入。當供電系統的電壓呈現出上升的趨勢時，應該重視設備的實際投入情況，保證將兩者實現合理的匹配，由此才能達到相對理想的供電需求。在煤礦井下機電設備逐步換代的今天，高新技術和設備的使用受到關注，應該對相關的系統合理的應用到位，確保供電過程能夠滿足實際的工作需求。若是井下始終采用低電壓供電，只能通過增加電纜長度和截面的方式使得機械設備正常運轉，但是會讓供電系統呈現出復雜化的狀態，甚至埋下較多的安全隱患，使企業承擔著較高的運行成本。通過將供電電壓升級，1140V電壓較之前提高了倍，設備的負荷電流降低了倍，在電流密度基本不變的情況下，電纜截面也相應減少了倍。電壓的升高電纜承載的功率容量增大，電能的輸送距離增強，變壓器負載端的電壓波動隨之減小，供電質量、穩定性也隨之增強。提高電壓等級的優點可以讓設備的運行處于相對穩定的狀態，同時還能保證合理的控制成本支出以及電纜長度的增加，為相關作業人員提供安全保障。

5 結語

礦井下供電電壓的升級和改造是一種必然的趨勢，是時代發展至今對于煤礦企業提出的嚴格要求。應該依照實際的情況從經濟可靠性和電氣安全性方面，科學、合理的進行的升級與改造，將設備的實際功能充分體現出來，確保相關工作開展的更加順暢。