萬利一礦長距離供電系統電壓綜合調控技術

閆俊杰 ，張亮亮 ，王燕飛

（國家能源集團包頭能源公司 萬利一礦，內蒙古 鄂爾多斯 017000）

井下供電系統主要采用井下中央變（配）電所——采區變（配）電所——移動變電站——工作面配電點的供電方式。對煤礦供電系統一般要求是不僅要可靠、安全、經濟，而且要保證良好的供電質量和足夠的供電能力[1]。

對于大型礦井，采掘工作面的供電距離越來越遠，一些掘進工作面的設備與配套供電電源的距離甚至達到2 000～3 500 m。在如此長的供電距離上，電機運行時的無功和有功電流導致的線纜壓降很大，造成供電線纜末端負載側的端電壓很低。依據GB/T 12325—2008《電能質量供電電壓偏差》標準規定，當三相供電電壓等級≤10 kV 時，供電電壓允許偏移為額定電壓的±7%[2]。然而井下長距離供電系統往往難以滿足此要求，供電距離過長時電機甚至難以起動。

目前電力系統常用的減少電壓波動的常用方法有：發電機端調壓、無功補償裝置調壓、改變電力系統網絡參數調壓、變壓器調壓等[3]。發電機端調壓通過調整發電機勵磁來滿足近距離機端負荷或直送負荷電壓需求，而對供電范圍大、有多級變壓的煤礦供電系統并不適用[4]。無功補償裝置調壓是通過并聯或串聯無功補償設備，如調相機、電容器、電抗器和各類靜止補償器等，來平衡系統無功功率，從而減少線路損耗并穩定電壓；然而井下10 kV 供電系統電纜截面較小，線路電阻值較大，補償無功功率的方式調壓幅度有限，難以滿足要求。改變電力系統網絡參數調壓是通過改變電網的導線截面、接線方式、并列運行變壓器臺數、接入電網設備的參數等來實現調壓，這種調壓方式一般適用于中高壓電力系統，對于井下低壓供電系統并不經濟。變壓器調壓通過改變變壓器變比實現調壓，一般分為2 類：無勵磁調壓和有載調壓；無勵磁調壓需要變壓器停電來切換分接頭，即無載調壓；有載調壓可以帶負荷切換分接頭。煤礦綜采工作面負荷變化較頻繁，且掘進工作面除檢修外不允許斷電，而有載調壓范圍大，調壓原理簡單，因此是較為適合煤礦井下的調壓方式。

為此，通過對萬利一礦長距離供電系統的研究，提出了一種基于“自耦變壓器+補償調壓器+補償變壓器”的補償調壓結構的電壓綜合調控方案。

1 萬利一礦長距離供電現狀

1.1 線路電壓降落

由于煤礦井下采掘連運等大功率負載多，且負載轉矩波動較大，異步電動機啟動時會出現線路電壓降低，對其他用電設備造成影響，長距離供電情況下，電纜長度大，線路壓降明顯，嚴重時導致電機無法啟動，影響生產和工人安全。

不計線路分布電容影響時，供電線路的等值電路可用阻抗R和感抗X表示[5]。線路首端相角設為0；則線路電壓降落 ΔU˙為：

式中：I˙ 為設線路電流相量；R、X分別為供電線路的等值電路阻抗、感抗；j 為虛數單位；P1、Q1分別為線路首端有功功率、無功功率；U1為線路首端電壓幅值。

在實際工程運用中，虛部很小，可以忽略不計，設電流幅值為I，相角滯后首端電壓 φ角度，則供電線路末端電壓幅值U2為：

可見供電線路末端電壓與線路首端電壓、首端功率和線路阻抗參數有關。

1.2 萬利一礦長距離供電系統等效電路參數

萬利一礦某掘進工作面供電系統簡圖如圖1。

圖1 萬利一礦某掘進工作面供電系統簡圖Fig.1 Sketch of power supply system of a tunneling face in Wanli No.1 Mine

42 煤三盤區變電所將10 kV 高壓送至42304主輔運輸巷10 聯巷配電點，經10 kV/1.14 kV 移動變電站（KBSGZY-2000/10）降為1 200 V。輸電電纜（MYP-3×150+1×70/1 140 V）長度為1 600～3 000 m，線路末端經100 m（MYP-3×70+1×25/1 140 V）和120 m（MYP-3×70+1×25/1 140 V）電纜支路為546 kW掘錨機和322 kW 電機車供電。掘錨機型號為MB670/230，一號電機車型號為LY2000/980-10，下文簡稱為電機M1、M2。

考慮到井下供電系統輸電距離最高能達到3 000 m，以此長度作為當干線電纜長度，經計算移動變電站等效內阻抗為（0.003 49+j0.036） Ω，長距離電纜線路等效阻抗（0.396+j0.294） Ω，電動機M1和M2額定運行后等效阻抗分別為（2.63+j1.22） Ω和（2.86+j1.06）Ω，額 定 啟 動 時 分 別 為（0.124+j0.954 5） Ω 和（0.138+j0.638 2） Ω，空載狀態下分別為（5.66+j20.590） Ω 和（6.01+j16.420） Ω。

1.3 萬利一礦供電線路末端電壓

由于萬利礦掘錨機和一號車移變二次供電系統末端電動機工作在掘進獨頭巷，工作環境非常惡劣，無法采集三相電壓。因此擬通過供電線路首端電壓和電流，通過電力系統穩態分析方法，推算出末端電壓[6]。

只考慮線路末端電壓的幅值，可以不考慮相位，因此可用1.1 節所給的方法提出末端電壓幅值U2的計算公式，代入等效電路數據得：

當長距離供電干線長度為3 000 m 時，不同工況下電動機運行參數見表1。

表1 不同工況下電動機運行參數Table 1 Motor operating parameters under different working conditions

經計算仿真可知不同負載轉矩條件下萬利一礦長距離供電功率因數現狀為：電動機工作在30%額定負載時功率因數最大，為0.873 9；當負載轉矩超過30%額定負載時功率因數降低，如40%額定負載時為0.573 9，表明電動機已工作在欠壓狀態；100%額定負載時功率因數僅為0.581，嚴重影響了用電效率，不僅不經濟而且會使轉子電流增大，威脅絕緣，引起發熱和振蕩等問題，嚴重影響電機壽命和生產安全。

2 長距離供電系統電壓綜合調控方案

2.1 調壓設計思路

由上述分析可知，長距離輸電電纜帶來的電壓損耗，使得采掘工作面電動機工作電壓難以滿足要求，在滿載時電動機端電壓甚至只能達到額定值的60%，電動機負載功率因數也因此大打折扣，大大降低了工作效率和經濟效益。此外，電機空載時的啟動電流會達到額定電流的4～7 倍，會對電網上其他電氣設備造成不良影響，因此異步電機多采用降壓啟動而不能直接啟動，于是就需要在移動變電站二次側進行電壓調整。

關于調壓設計方案，可以從以下3 種思路設計：

1）第1 種方案：移變調壓法。即改換移動變電站，增大移動變電站二次線圈電壓等級，考慮負載波動需要有載動態改變移動變電站二次側輸出電壓，因此要做成有多個抽頭的采用無弧觸點的移動變電站，這種方案無法平滑調壓，且需要根據負載需要重新設計整個移動變電站，通用性差且成本過高。

2）第2 種方案：直連調壓器調壓法。在移動變電站二次側增加直連調壓器，由調壓器二次繞組直接對負載供電，可做成柱式調壓器通過電刷劃過繞組柱不同位置實現平滑調壓，但這種有調壓器直接供電的拓撲結構要求調壓器容量與移動變電站容量相同，且需要調壓器二次繞組直接承受（1 140±1 140×30%）V 的電壓和全部負載電流，這樣一來調壓器鐵芯和繞組將比移動變電站的還大，每匝繞組承受的電壓和載流量都會很大，不僅制作成本高體積大，而且高電壓大電流容易在電刷上產生火花和電弧，安全系數低。

3）第3 種方案：在移動變電站二次側增加分流支路，在支路上增加調壓器稱為調壓支路，然后在調壓支路末端通過變壓器與主供電線路串聯進行補償調壓，以下簡稱為補償調壓法。此方案中調壓器在支路中，只需承受部分負載電流和±30%的輸入電壓，安全系數高，且成本較低。

綜合萬利一礦長距離供電現狀及需求，宜采用第3 種方案即補償調壓法。

2.2 補償調壓的方案設計

基于補償調壓原理提出的“自耦變壓器+補償調壓器+補償變壓器”的拓撲圖如圖2。

圖2 補償調壓方案拓撲圖Fig.2 Topology of compensated voltage regulation scheme

整個補償調壓方案由降壓自耦變壓器、補償調壓器、補償變壓器3 部分共同實現。降壓自耦變壓器選用單臺三相自耦變壓器，一次側連接方式為YN，即帶中性點Y 形連接。一次側端子接至移動變電站上低壓饋電開關的輸出端子上，二次側端子接至補償調壓器的一次側端子。降壓自耦變壓器將1 140 V 電壓降為660 V。中間的補償調壓器由3 臺獨立的單相自耦調壓器組成，一次側為YN 形連接，二次側輸入互不連接。二次側2個端子均和滑動電刷相連，隨著觸頭位置的變化可以實現輸出0～±380 V 電壓。補償變壓器由3臺獨立的單相隔離變壓器組成。每臺單相調壓器二次側端子分別與3 臺單相隔離變壓器一次側端子相連，補償變壓器二次側輸出線圈直接串聯到1 140 V 電路中，實現電壓疊加[7-10]，串聯后的補償變壓器輸出端子即為整個調壓器的輸出端子，輸出電壓為移動變電站的輸出電壓和調壓器輸出電壓之和，即（1 140±1 140×30%） V。

整個調壓器拓撲中，降壓自耦變壓器和補償變壓器應是變比固定的變壓器，前者起電壓變換的作用，后者隔離高低壓側并疊加電源電壓，而起調壓作用的補償調壓器是調壓器的核心組成部分。調壓器調整電壓，就是通過改變補償調壓器電刷觸頭的位置來完成的。因此，分析調壓器工作原理時，重點著眼于補償調壓器。

補償調壓器作為整個調壓器的核心部分應采用柱式調壓器結構，通過改變一、二次繞組的匝數比來達到調壓的目的，機械行業標準調壓器部分[11]就是通過改變電刷與柱狀繞組磨光表面的接觸位置來改變一次、二次繞組的匝數比，以達到調壓目的；文獻[12]對此有詳細論述。普通柱式調壓器與補償調壓器接線圖如圖3。

圖3 普通柱式調壓器與補償調壓器接線圖Fig.3 Wiring diagram of ordinary column regulator and compensating regulator

普通柱式調壓器高壓側為YN 型或Y 型接線，低壓側為YN 接線；然而本方案所用補償調壓器與普通柱式調壓器接線方式不同，應由3 臺單相自耦調壓器組成，高壓側接線為Y 型，低壓側輸出互不連接，且高低壓側無公共端，輸出側應采用2 個觸點都是活動電刷的形式，分別位于柱式繞組的前后排，取兩電刷之間的電壓差作為補償調壓器的輸出電壓，兩電刷位置交叉時即可實現升壓與降壓的轉換。

補償調壓器纏繞著銅繞組的鐵芯為立式，其繞組宜采用單層繞制從而加快散熱，因此若沒有前級的降壓變壓器，1 140 V 的電壓將全部施加在補償變壓器繞組上。若繞組匝數不足，則每匝線圈上分得的電壓會過高，電刷在繞組上上下移動時相鄰兩匝線圈之間是短暫短路的，電壓過高會造成短路電流過大，進而導致繞組過熱[13]，降低絕緣強度和壽命，甚至有可能產生電火花，危及井下安全。反之若是為了減少匝間短路電流而增加線圈匝數，則會導致柱式鐵芯高度過高，因此設計具體匝數時需綜合考慮二者制約。

補償變壓器應采用變比380 V/198 V 的隔離變壓器，在電路中主要起2 個作用：①實現電壓變化，且將輸出線圈串聯到1 140 V 電路中，實現電壓補償；②起隔離保護作用。

隔離變壓器與普通變壓器不同的是，我國生產的普通電力變壓器基本采用同心繞組，而隔離變壓器的初級繞組和次級繞組一般分置于不同的芯柱上，以減小兩者之間的電容[14]。也就是說，隔離變壓器繞組間的絕緣水平高于普通變壓器[15]，而調壓器輸出端電壓最高為1 482 V，采用隔離變壓器作為調壓系統拓撲的最后一環，不僅實現了電壓補償閉環，也提升了系統的絕緣性和安全性。

2.3 調壓邏輯

本方案控制部分采用PLC 作為控制中心，控制可靠性強。當有載自動調壓器工作時，其輸出側的供電電纜長度一定，查閱電纜的阻抗參數可以確定電纜總的電阻R和電抗X，然后在控制中心內設定供電電纜的參數。通過測量用電流互感器和電壓互感器測得補償調壓后輸出側的電壓U1、流過電纜的線電流I和功率因數角φ，將這些采集的信號全部輸入到控制中心中進行處理。設定電動機的額定電壓US為參考值，根據式（2）可以計算出供電電纜末端的電壓U2。將US與U2進行比較，當U2＜0.95US時，控制中心控制調壓電刷正向動作對末端電壓進行正調節；當U2＞1.05US時，控制中心控制調壓電刷反向動作對末端電壓進行負調節；當0.95US≤U2≤1.05US時，調壓電刷停止動作。

3 補償調壓方案效果

將萬利一礦原來線路末端電壓與采用基于“自耦變壓器+補償調壓器+補償變壓器”的電壓綜合調控技術后進行對比，調壓前后線路末端電壓對比如圖4，采用補償調壓方案后功率因數如圖5，調壓前后功率因數隨負載變化對比如圖6。

圖4 調壓前后線路末端電壓對比Fig.4 Comparison of line end voltage before and after voltage regulation

圖5 采用補償調壓方案后功率因數Fig.5 Power factor after using compensated voltage regulation scheme

圖6 調壓前后功率因數隨負載變化對比Fig.6 Comparison of power factor variation with load before and after voltage regulation

圖4 中：紅色線為調壓前的線路末端電壓，藍色是調壓后的，低電壓階段為電動機空載啟動過程，1.5 s 時80%額定負載投入；可見調壓前電動機啟動緩慢，整體電壓水平較低，帶載后壓降明顯，整個過程電壓穩定性差；而調壓后電動機啟動速度快，整體電壓維持在額定水平，帶載后壓降小，整個過程電壓穩定性比調壓前顯著提高。

由圖5 不難發現：電動機功率因數隨著負載率接近額定負載轉矩而增大，表明調壓后帶負載能力大大提升；40%額定負載時功率因數升高為0.780 4，100%額定負載時升高為0.935 9，提高至調壓前的1.61 倍。

由圖6 可見：補償調壓裝置投入前系統只能使30%額定負載正常啟動和運行；采用補償調壓方案后可以使額定負載滿載啟動甚至過載啟動和運行，且功率因數顯著提高。

4 結 語

針對包頭萬利一礦某掘進工作面供電系統的現狀，對線路電壓損耗進行了理論計算，對比了不同設計思路從而提出基于“自耦變壓器+補償調壓器+補償變壓器”結構的補償調壓技術作為萬利一礦長距離供電系統電壓綜合調控方案；該技術方案可以自動調控線路末端電壓，保證線路末端電動機滿載啟動和正常運行，大大提升了系統帶負載能力，穩定了線路末端電壓，且使電動機負載功率因數顯著提高，提高了用電效率，從根本上解決了萬利一礦采掘工作面長距離供電難題。