綜采工作面超遠距離供電系統設計和應用

張利軍

（山西新元煤炭有限責任公司，山西晉中 045400）

0 引言

隨著礦井裝備水平不斷提升，大采高長走向工作面日益增多，傳統工作面大型供電設備進順槽的供電方式已經不適應高產高效礦井需求，諸多弊端逐漸顯現［1］。某煤礦是煤與瓦斯突出礦井，煤層深度達600 m，3108 綜采工作面位于礦3 號煤一采區，工作面走向長1 955 m，采長240 m。該面地質條件復雜，煤層頂板壓力大［2］，造成巷道底鼓、嚴重變形，巷道斷面大大減小，給工作面通風和采掘設備移動造成很大困難。

如果仍然采用傳統供電方式存在以下弊端：大型設備列車布置在順槽，設備拉移過程中對人員和設備安全造成威脅；檢修作業工作量大、時間長，不利于工效的提高；采空區煤層頂板壓力大造成巷道底板鼓起嚴重變形，除了造成通風斷面減小留下安全隱患外，專設人員進行起底擴幫也增加了不少生產成本。為了解決以上問題，提高工作效率，減少設備列車倒移、保證通風斷面，必須改變大型供電設備的布置方式［3］，即將移動變電站、泵站系統等從順槽設備列車移出到工作面停采線以外，進行遠距離供電。工作面設備列車輕量化，只放置綜保、控制開關和集控室等小型設備，同時自移列車的應用也提高了生產效率。

遠距離供電作為未來綜采供電發展方向，國內外許多專家都作了研究。目前，國外學者主要集中在提高電壓等級、改進綜合保護的研究工作，國內文獻主要研究了工作面自動化等問題，如趙利杰等［4］未提及保護整定校驗，關旭等［5］供電電纜長度只有800 m，仍為1 140 V供電等。為了適應當前超遠距離供電的實際需要，本文從設備選型、電纜壓降損失、繼電保護整定校驗等一系列理論計算和3108綜采工作面實際應用，3 300 V系統供電距離達到2 250 m，供電電纜長度達2 500 m。

1 遠距離供電系統構建

1.1 供電系統總體擬定

3 108 工作面高壓由東三配電室4 臺高壓隔爆開關饋出，無軌自移設備列車置于輔助進風順槽1 700 m 處，列車上主要放置集控室、乳化液過濾站、綜保開關和電纜車；生產溜控制裝置和乳化液泵站置于距進風順槽口50 m處橫貫；采煤機、生產溜、轉載機、和破碎機采用3 300 V供電，順槽兩部皮帶、乳化液泵站、噴霧泵和注水泵采用1 140 V 供電，其余動力電源為660 V。

擬定綜采工作面供電原理如圖1 所示。

圖1 3108 工作面供電原理

1.2 變壓器容量的選擇計算

本文重點對距離最遠、單機功率最大的生產溜電機遠距離供電進行分析，生產溜變壓器容量選擇如下所示：

經計算得S＝1 400 kVA，為保證遠距離供電質量生產溜機頭、機尾電機選用一臺KBSGZY－3150／10／3.3 型變壓器供電。其余變壓器選型方法類似，即選用1 臺KBSGZY－2000／10／3.3型變壓器供采煤機，1 臺KBSGZY－2000／10／3.3 型變壓器供轉載機、破碎機，2 臺KBSGZY－800／10／1.2 型變壓器作為乳化液泵、噴霧泵、注水泵的供電電源，選用2 臺KBSGZY－800／10／1.2 型變壓器為頭部和二部膠帶輸送機供電，注漿泵、660V 動力電源分別選用2 臺KBSGZY－630／10／0.69 型變壓器。

1.3 遠距離電機控制裝置的選擇

3108工作面生產溜采用雙電機驅動方式，最遠的生產溜機頭電機距控制開關長達2 240 m，電機單機功率達700 kW。如果采用傳統直起開關，啟動電流（6～8 倍Le）高達1 200 A，不利于開關保護整定。而且，遠距離供電線路電壓損失大，啟動時電壓壓降大，有效轉矩達不到電機的正常啟動力矩［5］。因此，必須選用新型控制設備，本設計采用BPJV3×1250／3300 型高壓組合變頻器作為生產溜電機的啟停控制器。該高壓變頻器有3個獨立輸出回路，每一回路可以單獨控制1 臺1 250 kW以下電機，可以實現對任意1 臺電機單獨啟停和多臺聯動控制。各輸出回路之間可實現主從機的動態功率平衡以及各回路之間母線電壓平衡［6］。該開關保護功能齊全，在保證電機啟動力矩前提下啟動電流大大減小，從而能夠保證遠距離供電繼電整定保護有效。

采用變頻器可以降低啟動沖擊電流，實現平滑啟動，保持供電線路電壓穩定。高壓變頻器采用無速度傳感器矢量控制技術，將交流電機定子電流矢量分解成為2 個直流分量，即磁通分量和轉矩分量［7］，從而獲得與直流調速系統相同的控制效果。長距離供電線路電壓損失大導致勵磁不足，矢量控制可以對電機端進行響應及優化補償［8］，在不增加電流的情況下，能夠使電機獲得足夠的啟動力矩。工作面生產溜電機和控制裝置分開布置以后，為實現自動化控制，特選用與組合開關適配性較好的KTC101 通訊及控制系統，實現運輸皮帶沿線通訊、閉鎖和綜采工作面設備的集中控制、保護等功能，實現變頻器的遠程控制。同時可以對主要生產設備工況實時在線監測，及時發現故障隱患從而采取補救措施，確保綜采設備協調、連續、高效、安全運行［2］。

1.4 電纜的選擇

由于生產溜電纜由輔助進風敷設進入切巷，即生產溜機頭電機電源線最長，因此本文以距離最遠（2 250 m）、單機功率（700 kW）最大的生產溜機頭電機電纜進行選擇和校驗。生產溜電機單機功率700 kW，正常運行負荷電流約160 A，工作面走向長度2 000 m，采長240 m，選擇電纜長度2 450 m。按電動機正常運行電流選擇截面。

電動機負荷干線電纜的供電電流如下所示：

將數值代入式（2）得工作溜干線電纜的長時間載流為201.72 A，選擇MCPJRX－1.9／3.33×120＋3×50／3＋3×2.5型電纜，其額定載流310 A，大于201.72A，滿足要求。

支線電纜電纜的長時間載流：

代入數值計算得Iw＝144.08 A，由于負荷線較長（2 450 m），選擇MCPJRX－1.9／3.33×120＋3×50／3＋3×2.5 電纜，其額定載流310 A，大于144.08 A，滿足要求。

2 電壓損失計算和截面校驗

綜采工作面供電系統必須保證電壓穩定，而且正常運行時實際電壓損失必須小于所允許的電壓損失，同時，要保證各項保護功能有效，能夠合理整定保護電機。本文以最長線路生產溜機頭電機進行電纜校驗。

2.1 按運行時允許電壓損失校驗截面

運行時電壓損失可由下式計算：

式中：ΔUT為變壓器電壓損失；ΔU1和ΔU2分別為干線、支線電纜的電壓損失。

（1）變壓器的電壓損失計算如下所示：

式中：cosφ、sinφ分別為變壓器負荷功率因數和對應的正弦值；UR為變壓器電阻壓降百分數；UX為變壓器電抗壓降百分數；β為變壓器負荷系數；U2N為變壓器二次側額定電壓。

計算得變壓器電壓損失ΔUT＝72.4 V。

（2）纜電壓損失計算如下所示：

正常運行時，電纜末端的壓降值不應超過電網額定值的7%～10%，即該線路允許的電壓損失ΔU＝381 V［1］。

干線電纜電壓損失，代入公式（5）得：ΔU＝3.283 V；最長支線生產溜機頭負荷電纜電壓損失，代入公式（5）得：ΔU＝114.92 V。綜上，運行時本線路電壓損失總和190.44 V ＜381 V，合格。

2.2 按起動電壓損失校驗電纜截面

為保證遠距離電機正常啟動，電機端電壓不得低于電網電壓的75%［2］，即3 300 V 系統電動機允許的啟動電壓損失為975 V。

（1）起動時支線電纜的電壓損失

計算依據供電距離最遠、容量最大的生產溜電動機起動，其計算公式為：

式中：γ為支路電纜芯線導體的電導率，銅取53；LZ為支路電纜實際長度；cosφ為電動機起動時的功率因數；AZ為支路電纜的芯截面；IQ為電動機的起動電流（取0.75 倍額定啟動電流）。

生產溜電機電纜截面面積AZ＝120 mm2，長度LZ＝2 450 m，電機的啟動電流IQ＝724.5 A，代入式（7）求得該支線啟動電壓損失ΔUZQ＝117.39 V。

（2）起動時干線電纜電壓損失ΔUgQ

干線電纜截面面積Ag＝120 mm2，長度Lg＝10 m，啟動電壓損失很小，約為3.29 V，計算過程這里不作贅述。

（3）起動時變壓器的起動電壓損失計算

電壓損失計算如下：式中：IBQ為起動時變壓器的負荷電流；IBe為變壓器負荷側額定電流；sinφ為起動時電動機功率因數角的正弦值；tanφpj為其余負荷加權平均功率因數角的正切值；UR、UX分別為變壓器的電阻、電抗壓降百分數。

式中：SN為額定容量；ΔP為短路損耗。

將各參數代入式（9）得該變壓器起動電壓損失：

（4）起動狀態下電機總的電壓損失總的電壓損失計算如下：

代入數值得生產溜機頭電機起動時總電壓損失∑U＝354.58 V，小于975 V，合格。

3 遠距離供電整定校驗

3.1 電抗阻抗計算

這里仍以距離最遠、單機功率最大的生產溜電機進行校驗。生產溜變頻器和KBSGZY－3150／10／3.3 移變均置于輔助進風口配電點，冀家垴35 kV 變電站到10 kV 東三配電室電纜長度3 700 m，型號為MYJV22－3×185 鎧裝電纜。東三配電室到輔助進風口配電點生產溜變壓器電纜為MYPTJ－3×70 型，長度為300 m。

MYJV22－3×185 型電纜電阻RO＝0.118 Ω／km，電抗XO＝0.09 Ω／km，MYPTJ－3×70 型電纜，電阻RO＝0.31 Ω／km，電抗XO＝0.101 Ω／km，系統短路容量Sd＝100 MVA，平均電壓UP＝3.3 kV，則系統電抗高壓電纜阻抗電抗R1＝0.529 6，X1＝0.363 3；3150 kVA 移變的阻抗電抗Rb＝0.027 7，Xb＝0.202。

3.2 短路電流計算和保護整定校驗

MCPJRX－1.9／3.3 3×120＋3×50／3＋3×2.5 型電纜阻抗參數：RO＝0.164 Ω／ km，XO＝0.056 Ω／km，L＝2500 m。

則電纜的電阻、電抗：R2＝0.41 Ω X2＝0.14 Ω。

則生產溜機頭電機處短路電流Id1計算如下：

3.3 保護整定校驗

供生產溜機頭電機BPJV－3×1250／3300 型控制設備校驗如下。

（1）過載：Ig＝Pe×η×cosφ／Ue＝162.2 A。

（2）短路：Ik＝6Ig＝973.2 A，取1 000 A。

代入數值校驗得：Ikmin／Iz＝Id1／Iz＝2 122／1 000＝2.12，大于1.5，校驗合格。

4 遠距離供電系統的應用

超遠距離供電設計在新元煤礦3 108 綜采工作面實施后，經現場實測，生產溜配套的3 300 kV 移動變電站空載時低壓端出口電壓3 400 V，高壓變頻器電壓3 400 V。加負荷運行后，采煤機處測得平均電壓約3 340 V，生產溜機頭電機測得平均電壓約3 320 V，滿足設備正常運行電壓要求。采煤機啟動時，線路電壓降ΔUq＝343 V，生產溜機頭電機啟動時線路電壓降ΔUq＝196 V，完全滿足電機啟動要求。實踐證明，超遠距離供電系統設計能夠滿足綜采工作面供電需求，可以有效保證供電質量［9］。

工作面實現遠距離供電后，提高了檢修工作效率，降低了工人勞動強度，工作面減人和增產方面也成效顯著［10］。綜采隊檢修班減員3 人，起底擴幫人員每班減少4人，每工按8萬元每年計算，一年可以節約薪資費用120 萬元。2019 年10 月底至2020年3月初，3108工作面實際生產原煤85.76 萬t，比普通綜采工作面3412同一時間段多產11.6萬t，經濟效益顯著提升。

5 結束語

本文針對傳統采煤工作面大型設備列車進順槽的諸多弊端，設計了超遠距離供電系統即變壓器、泵站系統等大型設備移出到順槽停采線以外，位置一次確定。經理論計算校驗和3108 工作面實際應用，證明本供電方案是可行的，單機功率最大的生產溜電機供電距離達到2 250 m。超遠距離供電設計的應用，解決了在底鼓巷道內推移列車困難等問題，提高了安全系數，加快了工作面推進進度，降低了巷道通風阻力，對煤與瓦斯突出礦井有重要的實際意義。