布爾臺煤礦西南區開采供電電壓等級選擇

羅曉軍

(鄂爾多斯市神東工程設計有限公司，內蒙古 鄂爾多斯 017209)

0 引言

布爾臺煤礦是神東煤炭集團一座特大型現代化礦井，設計生產能力20 Mt/a，目前布爾臺煤礦一盤區42上煤進入回采末期，剩余2個工作面，預計2019年底回采結束。為了確保礦井20.00 Mt/a的生產規模，根據生產接續安排，2020年初需打開礦井西南區并進行回采。西南區共計劃分為三、四、五共3個盤區。三、四、五盤區現沒有已建任何電壓等級變電站，為保證西南區三、四、五盤區開采電力負荷供應，從供電的靠性、供電質量2個主要方面論述新建變電站電壓等級選擇。

1 周邊電源條件及現有供電電源

1.1 西南區周邊電源條件

井田范圍附近有220 kV變電站3座，即烏蘭木倫220 kV變電站、康巴什220 kV變電站、掌崗圖220 kV變電站；110 kV變電站3座，即榆供松定110 kV變電站、鄂供布爾臺110 kV變電站、神東萬利110 kV變電站。在上述變電站中，烏蘭木倫220 kV變電站無備用容量；榆林供電公司松定110 kV變電站及鄂爾多斯供電公司布爾臺110 kV變電站兩站均無110 kV及35 kV出線且擴建困難；康巴什220 kV變電站、掌崗圖220 kV變電站現有負荷較少，可以滿足西南區開采負荷需要。由于西南區-康巴什220 kV變電站及掌崗圖220 kV變電站距離較遠，35 kV供電明顯不能滿足要求，故只能選擇110 kV電壓等級供電。

1.2 布爾臺煤礦現有供電電源

布爾臺煤礦現有神東萬利110 kV變電站及神東布爾臺松定霍洛立風井35 kV箱變兩座變電站。其中，神東萬利110 kV變電站位于布爾臺工業廣場出口處，變電站現能夠提供35 kV出線柜；松定霍洛立風井35 kV箱變位于二盤區靠近阿大線中間位置處。西南區開采一期工程有功負荷Pj=16 479 kW，視在功率Sj=17 202 kVA；二期工程：有功負荷Pj=46 658 kW；視在功率Sj=47 737 kVA。

2 110 kV、35 kV電壓等級供電分析

2.1 架設方案

根據西南區周邊電源條件調查，采用110 kV電壓等級供電可靠性較高，電源均取自掌崗圖和康巴什220 kV變電站。根據現場勘測，康巴什-明安木獨新建110 kV站的線路長度約為24 km，掌崗圖220 kV站-明安木獨新建110 kV站的線路長度為30 km，導線選擇型號為LGJ-240型架空導線。若采用35 kV電壓等級供電，則有35 kV單分列導線和35 kV雙分列導線兩種方案可供實施，電源取自神東萬利110 kV變電站，線路沿布爾臺煤礦大巷架設，單回線路長度為14 km，導線型號均為LGJ-240型架空導線。

2.2 電壓損失校驗

線路電壓損失百分數計算：線路電壓損失百分數的計算見式(1)

(1)

式中：ΔU%—線路電壓損失百分數；R0—線路單位長度電阻，Ω/km；X0—線路單位長度電抗，Ω/km；U—線路額定電壓，kV；P—有功功率，kW；L—線路長度，km；M—負荷矩，kW·km；Δμ%—線路每1 kW·km負荷矩時的電壓損失百分數。

計算結果分析：經代值計算，采用110 kV架空線路，Ⅰ、Ⅱ期工程電壓損失ΔU%分別為1.137，3.22。采用35 kV單導線架空線路時，Ⅰ、Ⅱ期工程電壓損失分別為4.96、16.51，值得注意的是，Ⅱ期工程不符合“壓降不超過5%”的相關規定[1-3]；采用35 kV雙導線架空線路時，Ⅰ、Ⅱ期工程電壓損失分別為2.48、9.49，同理，Ⅱ期工程不符合相關規定。

2.3 電壓偏差校驗

110 kV線路供電：系統電壓最低為1.05 Un，負荷最大時為46.658 MW，110 kV線路末端電壓Ud為1.78。系統電壓最高為1.075 Un，負荷最小為10 MW，110 kV線路電壓損失Ug為6.81，電壓偏差正負絕對值之和為1.78+6.81=8.59≤10，符合規程規定。

35 kV單導線供電：系統電壓最低為1.05 Un，Ⅰ、Ⅱ期工程負荷最大時分別為16.479 MW、46.658 MW，Ⅰ、Ⅱ期工程線路末端電壓Ud分別為0.04、-11.51。系統電壓最高為1.075 Un，負荷最小為10 MW，Ⅰ、Ⅱ期工程線路末端電壓Ug分別為4.49、3.85。Ⅰ期工程電壓偏差正負絕對值之和為0.04+4.49=4.53≤10，符合規程要求；Ⅱ期工程電壓偏差正負絕對值之和為11.51+3.85=15.36≥10，不符合規程規定。

35 kV雙分列導線供電：系統電壓最低為1.05 Un，Ⅰ、Ⅱ期工程負荷最大時為16.479 MW、46.658 MW，Ⅰ、Ⅱ期工程線路末端電壓Ud分別為2.52、-4.49。系統電壓最高為1.075 Un，負荷最小時為10 MW，Ⅰ、Ⅱ期工程線路末端電壓Ug分別為6、5.35。Ⅰ期工程電壓偏差正負絕對值之和為2.52+6=8.52≤10，符合規程規定；Ⅱ期工程電壓偏差正負絕對值之和為4.49+5.35=9.84≤10，符合規程規定。

2.4 經濟輸送功率計算

經濟輸送功率計算：經濟輸送功率計算見式(2)[4-6]

(2)

式中：P—經濟輸送功率，kW；S—導線截面，mm2；Ue—線路額定電壓，kV；J—經濟電流密度，A/mm2。式中經濟電流密度取值按照最大負荷利用小時數為3 000～5 000檔取值，則鋁線經濟電流密度取值為1.15 A/mm2。

計算結果分析：經計算，采用110 kV架空線路，經濟輸送功率P為49 954 kW。采用35 kV單、雙導線架空線路經濟輸送功率P分別為15 895 kW、31 790 kW。

2.5 功率損耗

功率損耗計算：功率損耗ΔP的計算方式見式(3)[7-10]

(3)

式中：P—有功功率，kW；U—線路的額定線電壓，kV；cosφ—功率因數；R—線路電阻，Ω。

計算結果分析：經代值計算，采用110 kV架空線路，功率損耗ΔP為777.75 kW。采用35 kV單、雙導線架空線路功率損耗ΔP分別為4 663 kW、1 399 kW。

2.6 電能損耗

電能損耗計算：電能損耗ΔA的計算方式見式(4)[11-13]

ΔA=ΔPyp×8 760+ΔPmax·τ

(4)

式中：ΔPyp—年平均電能損耗，MW；ΔPmax—最大負荷時有功功率損耗，MW；τ—損耗小時數。

計算結果分析：經代值計算，采用110 kV架空線路，電能損耗ΔA為2 051 MW·h。采用35 kV單、雙導線架空線路電能損耗ΔA分別為10 258.6 MW·h、3 077.8 MW·h。通過上述計算結果可以看出，110 kV輸電線路比35 kV雙分列導線輸電線路每年至少節約電能1 026 MW·h，比35 kV單導線每年至少節約電能8 207 MW·h，現按電費0.5元/kW·h計算，采用110 kV電壓等級供電比采用35 kV電壓等級供電每年至少節約電費1 026 000×0.5=51.3萬元。據此采用高電壓等級供電時能夠明顯降低輸電線路上的電能損耗，以達到節能降耗目的，采用110 kV電壓供電較為經濟。

2.7 供電可靠性分析

110 kV供電可靠性分析：《煤礦安全規程》2016第435條規定：“礦井應當有兩回路電源線路(即來自兩個不同變電站或者來自不同電源進線的同一變電站的兩段母線)”。布爾臺西南區開采110 kV電源分別引自康巴什220 kV變電站和掌崗圖220 kV變電站，兩個變電站相互獨立，若一個220 kV變電站出線故障，另一個220 kV變電站可以提供全部負荷，供電可靠性高。且布爾臺煤礦擁有2座110 kV變電站通過聯絡線后可以互為電源備用，可以減輕神東萬利110 kV站對布爾臺區域的供電壓力。

35 kV供電可靠性分析：若采用35 kV電壓等級供電，則雙回路電源引自神東萬利110 kV變電站35 kV母線的不同母線段。神東萬利110 kV變電站110 kV雙回路電源引自不同電源進線的烏蘭木倫220 kV變電站，此時神東萬利110 kV站作為布爾臺煤礦全礦井的主供電源亦符合《煤礦安全規程》規定，供電可靠性略低于110 kV供電。

3 結語

現行規程及規范對輸電線路的電壓偏差、電壓降等電能質量指標均做出了具體規定，綜合比較后容易看出，將線路的電壓損失控制在額定電壓的5%以內，既能夠很好的保證電能質量，又能保證電力系統輸電線路節能要求，且在條件允許時應優先采用高電壓等級供電。該供電電壓等級分析的思路，可以在大型礦區輸電線路電壓等級選擇時予以應用，具有一定的借鑒作用。