電纜回收方式對綜采工作面遠距離供電影響分析

閻東慧， 范生軍， 侯剛， 楊斐文， 榮相， 王越， 歐陽敏

(1.大同煤礦集團有限責任公司， 山西 大同 037003；2.陜煤集團 神木張家峁礦業有限公司， 陜西 榆林 719313;3.中煤科工開采研究院有限公司， 北京 100013; 4.天地(常州)自動化股份有限公司， 江蘇 常州 213015)

0 引言

隨著煤礦開采技術的不斷發展，對綜采裝備在高效生產、安全可靠、智能控制等方面提出了更高的要求[1-2]，傳統近距離供電方式的弊端日益明顯[3]。近距離供電采用設備列車安置在運輸巷道中，壓縮了巷道空間，不便于通風和設備維護，易產生底鼓現象,導致巷道變形，存在不安全因素。因此，迫切需要對煤礦綜采工作面采用遠距離供電技術[4-6]。相應地，需要采用自移電纜列車、單軌電纜回收吊、伸縮式電纜卷盤車等方式解決遠距離供電時的電纜回收問題。但遠距離供電中干線壓損問題較突出，制約了最遠供電距離和設備帶載能力。因此，探究電纜回收方式及回收距離對遠距離供電的影響，降低干線壓損，顯得尤為重要。文獻[7-8]分別針對梭車和采煤機的工作特點設計了電纜回收裝置，并開發出了配套電控系統。文獻[9]提出了一種新型管線拖掛單軌吊設備。文獻[10]設計出了一種以旋轉及導向機構為核心的電纜回收機構。以上研究主要側重電纜回收裝置的設計與實現，而對電纜回收方式對綜采工作面遠距離供電的影響研究較少。電纜執行回收操作會造成自身結構形變，因不同的回收方式，呈現出卷、盤、彎曲等不同的形變狀態，從而造成電纜分布參數存在差異，進而對遠距離供電中干線壓損產生不同影響。文獻[11]基于終端開路的傳輸線測試方式對電纜分布參數的解析模型進行求解，但實現流程復雜，制約了分布參數的提取精度和適用范圍。文獻[12]針對直線電纜利用ANSYS軟件建立了幾種常見電纜的二維布局模型，對電纜分布參數進行了仿真計算，豐富了電纜電氣特性研究手段，但所采用的二維分析方法不適合對電纜回收過程中的大形變進行分析。

針對以上問題，本文結合有限元仿真軟件與電力系統仿真軟件的專業優勢，根據單軌吊、電纜車的工作原理，利用ANSYS分析電纜在回收過程中分布參數的變化，直觀反映電磁熱參量的空間分布情況；將所求分布參數代入ETAP(Electrical Transient Analysis Program,電力瞬時分析軟件)，分析電纜回收方式對綜采工作面遠距離供電的影響。

1 回收方式對電纜分布參數的影響

1.1 直線電纜的分布參數

電纜分布參數的解析計算方法求解精度和適用范圍受限，對電纜執行回收操作造成盤、卷、彎曲變形時的分布參數更無法計算。利用ANSYS可以實現電纜快速建模、分布參數提取、電磁熱參量分布的全面仿真分析[13-14]。

本文以山西同煤集團某礦某綜采工作面遠距離供電系統為研究對象，對比變形電纜與直線電纜分布參數的變化，揭示其變化規律。供電系統干線采用MYPT 1.9/3.3 3×185型礦用電纜，電纜標稱尺寸參數見表1。

表1 MYPT 1.9/3.3 3×185型電纜的標稱尺寸參數Table 1 Nominal size parameters of MYPT 1.9/3.3 3×185 cable

忽略電纜的地線芯、控制線芯等結構，等效為動力線芯等呈三相品字形布局。利用ANSYS對電纜的頻域傳輸特性進行電磁場分析，仿真得到直線MYPT 1.9/3.3 3×185型礦用電纜的分布參數，見表2。

表2 直線電纜的分布參數Table 2 Distribution parameters of linear cables

1.2 單軌吊回收方式對電纜分布參數的影響

單軌吊具有較高的機械化和自動控制水平，由乳化液泵站提供動力源，通過步進推移裝置實現電纜在開采過程中的高效運輸。隨著工作面的推進，單軌吊相應采用伸展和收縮工作模式。在伸展模式下，電纜處于直線狀態，分布參數與表2一致。因此，本文重點分析收縮模式對電纜分布參數、磁熱特性的影響。

根據單軌吊的工作原理，當電纜處于收縮狀態時，形成了背靠背對稱的彎曲變形，結合表1所示的電纜截面幾何尺寸參數，取單變形結構建立電纜的三維仿真模型，如圖1所示。

圖1 電纜處于收縮狀態時的三維仿真模型Fig.1 Three-dimensional simulation model when the cable is in a contracted state

設置源-端激勵信號，施加350 A電流載荷，選擇低頻準靜態磁場，設置奇對稱邊界條件以提高計算效率，利用ANSYS得到電纜收縮狀態時的電磁場仿真結果，如圖2所示。據此可直觀反映出電纜彎曲變形時的空間電磁場分布情況。當電流載荷為350 A時，電流密度的最大值為1.5×106A/m2，磁感應強度的最大值為6.3×103A/m，磁場強度的最大值為7.9×10-3T。在趨膚效應的作用下，電磁場表征參量集中分布在動力線導體的表面，且由動力線芯及外逐漸減小，直至邊界處磁感應強度僅為7.9×10-2A/m，磁場強度僅為9.9×10-8T。

(a) 電流密度

由圖2可知，電纜彎曲變形時，電磁場分布會發生變化，隨之電容值、電導值、電阻值及電感值也會改變。電纜處于收縮狀態時的分布參數見表3。

表3 電纜處于收縮狀態時的分布參數Table 3 Distribution parameters when the cable is in a contracted state

由表3可知，與表2對比，電容值、電導值和電阻值相應增大，分別增大了1.4 %，1.41 %，0.60 %，但基本保持同一數量級。電感值減小了29.2%，影響最為顯著。

電容值和電感值的三相不均值性進一步擴大，該現象與電纜空間結構的不對稱性有關。線芯1的電容值和電感值大于線芯2和線芯3。這是由于線芯1處于最外側，而線芯2和線芯3則位于內側，彎曲形變減小了耦合距離，進而增大了分布電容；增大了電流回路，進而增大了分布電感。

1.3 電纜車回收方式對電纜分布參數的影響

將4節設備列車作為一個平臺，在該平臺的4個角落處焊接鋼柱，將電纜盤在4個鋼柱內，可改裝為簡易的電纜車回收裝置。根據線纜的截面規格大小，電纜盤繞時采用8字形或0形方式人工盤繞。MYPT 1.9/3.3 3×185型礦用電纜適用0形卷盤方式。與單軌吊設置相同電纜長度，取最大變形處構建電纜處于卷盤狀態時的三維仿真模型。

利用ANSYS進行仿真分析，設置各激勵條件與單軌吊一致。電纜處于卷盤狀態時的電磁場仿真結果如圖3所示。

(a) 電流密度

從圖2、圖3可看出，2種回收狀態下，電磁場表征參量的分布規律相同，但在數值上存在差異。

利用ANSYS 得到電纜處于卷盤狀態時的分布參數，見表4。

表4 電纜處于卷盤狀態時的分布參數Table 4 Distribution parameters when the cable is in the reel state

對比于表3，電容值減小了1.3 %，電導值減小了1.6 %，電阻值減小了0.1 %，電感值減小了14.3 %。對比于表2，電容值增加了0.1 %，電導值減小了0.2 %，電阻值增加了0.9 %，電感值減小了19.2 %。

2 2種回收方式下電纜的散熱分析

在電磁仿真的基礎上，將軟件計算出的各動力線芯損耗值導入至熱仿真軟件，并進行熱流操作設置[15]，建立電纜6層疊加的簡化模型，電纜切面的溫度云圖如圖4所示。

(a) 單軌吊回收方式

從圖4可看出，自然冷卻方式下，由于多層螺旋卷盤造成熱聚集，采用電纜車回收方式時的電纜溫度高于采用單軌吊回收方式時的電纜溫度，兩者相差11 ℃，不利于電纜的快速散熱。同時，考慮到實際疊層數和盤卷長度更大，電纜散熱效果更差。

3 回收方式對綜采工作面遠距離供電的影響

上述研究表明：電纜執行回收操作造成盤、卷、彎曲變形導致電容值、電導值和電阻值小幅變化，電感值大幅減小。采用單軌吊回收方式時，電纜變形程度更大，單位長度電感值更小，降幅高達29%。電纜分布參數的變化導致干線壓損有所改變，進而影響最遠供電距離和設備帶載能力。

根據同煤集團某礦某綜采工作面供電系統的設計要求，將3臺3 150 kVA/10 kV/3.3 kV動力負荷中心從工作面設備列車處改裝到工作面膠帶運料斜巷處，實現遠距離供電。參考該供電系統的設計要求，利用ETAP建立供電系統模型進行潮流計算仿真研究[16-17]。其中，采煤機供電網絡模型如圖5所示。模型設置電網所傳送的電壓為10 kV，經移動變電站輸出3.45 kV電壓向采煤機供電。

分別將采用單軌吊、電纜車回收方式時的分布參數單獨導入仿真模型，對比電纜回收方式對壓損指標參量的影響。設置電纜長度均為500 m，得到不同回收方式下的干線壓損，見表5。

表5 不同回收方式下的干線壓損Table 5 Main line voltage loss under different recovery methods

由表5可知，采用單軌吊回收方式時的干線壓損指標優于電纜車回收方式。單軌吊回收方式在自動化程度、電纜散熱及干線壓損方面更具優勢。

煤礦實際生產過程中，電纜的最大回收距離有限，且有單軌吊和電纜車2種回收方式并用的情況。因此，供電干路采用3根電纜串聯來模擬直線電纜和2種回收電纜的物理連接。探討超遠供電條件，設置3段電纜的總長度為3 000 m，2種方式的回收距離以800 m為限，電纜回收距離與采煤機供電干線總壓損如圖6所示。

圖6 電纜回收距離與采煤機供電干線總壓損關系Fig.6 Relation between cable recovery distance and total voltage loss of main power line of shearer

由圖6可知，在電纜分布參數、電纜長度及采煤機電氣參數的耦合作用下，當供電距離一定且2種回收方式并用時，電纜回收距離與供電干線總壓損沒有明確的正負相關及線性關系。

對于破碎機、轉載機及刮板輸送機供電干線，總壓損的變化趨勢一致，如圖7、圖8所示。隨著電纜回收距離的增加，遠距離供電系統各干線總壓損整體呈下降趨勢，局部呈上升趨勢。

圖7 電纜回收距離與轉載機、破碎機供電干線總壓損關系Fig.7 Relation between cable recovery distance and total voltage loss of main power line of reversed loader and crusher

圖8 電纜回收距離與刮板輸送機供電干線總壓損關系Fig.8 Relation between cable recovery distance and total voltage loss of main power line of scraper conveyor

4 結論

(1) 電纜執行回收操作造成盤、卷、彎曲變形導致電容值、電導值和電阻值小幅變化，電感值大幅減小。采用單軌吊回收方式時，電纜變形程度更大，單位長度電感值更小，降幅高達29%。

(2) 由于多層螺旋卷盤造成熱聚集，采用電纜車回收方式時的電纜溫度高于采用單軌吊回收方式時的電纜溫度，不利于電纜快速散熱。

(3) 采用單軌吊回收方式時的供電干線壓損指標優于電纜車回收方式。

(4) 隨著電纜回收距離的增加，綜采工作面遠距離供電系統各干線總壓損整體呈下降趨勢，局部呈上升趨勢。