需要系數(shù)法計(jì)算負(fù)荷在配電中的應(yīng)用

丁嘉棟,馬 云,聶勇泉,王曉蘭,路 萍

(陜西中環(huán)機(jī)械有限責(zé)任公司,陜西 銅川 727031)

0 引言

在黃陵煤礦井下智能選矸的電力系統(tǒng)中,配電線路的供電設(shè)備和變壓器選型是根據(jù)負(fù)荷特性和電力系統(tǒng)所要求的運(yùn)行條件來確定的。如果設(shè)計(jì)負(fù)荷過高,電氣設(shè)備和變壓器型號(hào)將過大,導(dǎo)致不必要的投資和缺陷;如果設(shè)計(jì)負(fù)荷過低,電氣設(shè)備、線路和電纜就會(huì)過載,造成能量損失增加,甚至起火,導(dǎo)致煤礦井下環(huán)境意外事故發(fā)生[1]。因此,在工程設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)行過程中為了保證用電高峰供電、用電的穩(wěn)定和可靠運(yùn)行,準(zhǔn)確快速計(jì)算出計(jì)算負(fù)荷尤為重要。

1 電力計(jì)算負(fù)荷的含義

1.1 工業(yè)配電中計(jì)算負(fù)荷的方法

通過計(jì)算得到的實(shí)際負(fù)荷功率(負(fù)荷電流)稱為計(jì)算負(fù)荷。計(jì)算負(fù)荷是按發(fā)熱條件選擇電氣設(shè)備的一個(gè)假想負(fù)荷,計(jì)算負(fù)荷確定的合理與否直接影響到導(dǎo)線和電氣設(shè)備的正確選擇[2]。工業(yè)配電系統(tǒng)的特點(diǎn)是各設(shè)備不能同時(shí)全部投入使用,各動(dòng)力設(shè)備也不可能均為全負(fù)荷運(yùn)行,且感性負(fù)載較多,用電設(shè)備功率因數(shù)差異性較大,各設(shè)備額定功率之和與實(shí)際負(fù)荷不符。通常情況下在設(shè)計(jì)工業(yè)配供電系統(tǒng)時(shí)要計(jì)算出各用電設(shè)備的等效負(fù)荷,投入量大,且計(jì)算誤差較大,工作量較大。因此,為了提高計(jì)算速度,必須簡化負(fù)荷計(jì)算。

在電力系統(tǒng)中,需要系數(shù)法配電負(fù)荷計(jì)算是一種重要的計(jì)算方式,也是最常用的計(jì)算負(fù)荷方法。常用方法有能量法和需要系數(shù)法,能量法不適用于工業(yè)用電負(fù)荷計(jì)算,因此需要采用新方法,目前常用需要系數(shù)法[3]。

1.2 需要系數(shù)法計(jì)算負(fù)荷

負(fù)荷大小是確定黃陵煤礦井下智能選矸供電系統(tǒng),選擇變壓器容量、電氣設(shè)備、導(dǎo)線截面和儀表量程的數(shù)據(jù),也是整定繼電保護(hù)的重要數(shù)據(jù)。由于井下工作條件比較復(fù)雜,影響負(fù)荷變化的因素很多,要準(zhǔn)確地計(jì)算出實(shí)際負(fù)荷大小十分困難。目前廣泛采用的井下供電負(fù)荷計(jì)算方法為需要系數(shù)法[4]。

需要系數(shù)法計(jì)算較簡單,應(yīng)用較廣泛,適合于容量相差不大,設(shè)備臺(tái)數(shù)較多的場合。利用需要系數(shù)法計(jì)算負(fù)荷只需從用電設(shè)備組算起,并不需要考慮變壓器、線路的功率損耗,利用用電設(shè)備組的需要系數(shù)即可求出總的計(jì)算負(fù)荷。

2 低壓配電系統(tǒng)負(fù)荷計(jì)算

2.1 需要系數(shù)法

確定計(jì)算負(fù)荷的方法通常用需要系數(shù)法。用設(shè)備功率乘以需要系數(shù),直接求出計(jì)算負(fù)荷。這種方法比較簡便且應(yīng)用廣泛,尤其適用于配變電所及長期運(yùn)行而負(fù)載平穩(wěn)的用電設(shè)備和生產(chǎn)車間(鍋爐引風(fēng)機(jī)、水源泵站、集中空壓機(jī))的負(fù)荷計(jì)算。但不適合用電設(shè)備臺(tái)數(shù)少,各臺(tái)間容量相差懸殊且工作制度不同時(shí)的電力負(fù)荷計(jì)算。這種方法多用于初步設(shè)計(jì),有時(shí)也用于施工設(shè)計(jì)。

利用需要系數(shù)法確定三項(xiàng)用電設(shè)備組有功計(jì)算負(fù)荷的基本公式為

有功功率

P=KdPe

(1)

無功功率

Q=Ptanφ

(2)

視在功率

(3)

計(jì)算電流

(4)

式中,P為用電設(shè)備組的計(jì)算負(fù)荷,kW;Kd為需要系數(shù);Pe為而用電設(shè)備組的設(shè)備容量,kW;Q為計(jì)算無功功率,kvar;tanφ為計(jì)算負(fù)荷功率因數(shù)角的正切值;S為計(jì)算視在功率,kVA;I為計(jì)算電流,A;Un為系統(tǒng)標(biāo)稱電壓(線電壓),kV。

2.2 利用需要系數(shù)法計(jì)算黃陵項(xiàng)目配電系統(tǒng)負(fù)荷

系統(tǒng)的負(fù)荷是由開關(guān)設(shè)備、變壓器、電容器和保護(hù)裝置等構(gòu)成。在配電過程中經(jīng)過分析發(fā)現(xiàn),所需功率是按照一定的系數(shù)計(jì)算出來的。由于開關(guān)設(shè)備在運(yùn)行中是不斷變化的,有可能會(huì)出現(xiàn)過負(fù)荷現(xiàn)象,因此可以利用需要系數(shù)法計(jì)算出所有設(shè)備當(dāng)前的總負(fù)荷值。

如何在不影響系統(tǒng)正常運(yùn)行的前提下,盡量減少系統(tǒng)的投入,是本項(xiàng)目工程的難點(diǎn)之一。同時(shí),電力系統(tǒng)規(guī)模越大,備用容量越小[5],考慮到不同的負(fù)荷需求以及不同的運(yùn)行方式,對(duì)電力系統(tǒng)可靠性的影響也是不同的。但是在實(shí)際系統(tǒng)中,除了要考慮系統(tǒng)的可靠性外,還要考慮系統(tǒng)的建模誤差、元器件的老化、環(huán)境的變化等因素[6-8]。為了提高計(jì)算速度,必須簡化電網(wǎng)損耗計(jì)算。基于需要系數(shù)法,以黃陵煤礦實(shí)際情況對(duì)負(fù)荷進(jìn)行計(jì)算,進(jìn)而進(jìn)行能源系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度,降低系統(tǒng)運(yùn)行成本。黃陵煤礦井下智能選矸項(xiàng)目的破碎制漿硐室低壓配電系統(tǒng)中的各個(gè)設(shè)備功率見表1。

表1 黃陵煤礦井下智能選矸項(xiàng)目的破碎制漿硐室低壓配電系統(tǒng)1Table 1 Low-voltage power distribution system in the crushing and slurrying chamber of the underground intelligent gangue selection project in Huangling Coal Mine(1)

根據(jù)各設(shè)備功率,可以計(jì)算得到黃陵煤礦井下智能選矸項(xiàng)目的破碎制漿硐室低壓配電系統(tǒng)1設(shè)備容量為:Pe1=966.2 kW;

根據(jù)《工業(yè)與民用配電設(shè)計(jì)手冊(第四版)》可知破碎機(jī)等設(shè)備需要系數(shù)為0.75～0.85之間[4],可取0.8,即有功計(jì)算負(fù)荷為P1=773 kW;無功計(jì)算負(fù)荷為Q=618.4 kvar;視在功率為S=989.92 kVA。

各設(shè)備功率見表2,可以計(jì)算得到黃陵煤礦井下智能選矸項(xiàng)目的破碎制漿硐室低壓配電系統(tǒng)2設(shè)備容量為Pe2=641.94 kW。

表2 黃陵煤礦井下智能選矸項(xiàng)目的破碎制漿硐室低壓配電系統(tǒng)2Table 2 Low-voltage power distribution system in the crushing and slurrying chamber of the underground intelligent gangue selection project in Huangling Coal Mine(2)

根據(jù)《工業(yè)與民用配電設(shè)計(jì)手冊(第四版)》可知給料機(jī)等設(shè)備需要系數(shù)為0.75～0.85之間[6],可取0.8,即有功計(jì)算負(fù)荷為P2=513.552 kW;無功計(jì)算負(fù)荷為Q=410.84 kvar;視在功率為S=739.55 kVA。

3 通過需用系數(shù)法計(jì)算后對(duì)變壓器的選型

通過需用系數(shù)法計(jì)算后,同時(shí)為了提高黃陵二號(hào)煤礦井下智能破碎制漿充填項(xiàng)目的破碎制漿硐室低壓配電系統(tǒng)供電穩(wěn)定性,保證該配電系統(tǒng)的設(shè)備安全高效運(yùn)行,優(yōu)先選擇專供礦井電力輸送及作綜合機(jī)械化采煤電源,隔爆性能較好的KBSGZY系列移動(dòng)干式變壓器。

根據(jù)低壓配電系統(tǒng)1的用電設(shè)備視在功率S=989.92 kVA可以初步選擇KBSGZY-1000/10型變壓器(額定容量1 000 kVA)。同理,根據(jù)低壓配電系統(tǒng)2的用電設(shè)備視在功率S=739.55 kVA可以初步選擇KBSGZY-800/10型變壓器(額定容量800 kVA)。

4 井下低壓配電系統(tǒng)

通過需要系數(shù)法的計(jì)算并對(duì)該項(xiàng)目低壓配電系統(tǒng)設(shè)備進(jìn)行了選型,同時(shí)結(jié)合黃陵二號(hào)煤礦智能化礦進(jìn)的需求,將破碎制漿充填與數(shù)字化管理相結(jié)合,實(shí)現(xiàn)工作面機(jī)械化、自動(dòng)化、信息化生產(chǎn),在礦區(qū)地面建設(shè)一座智能化破碎制漿充填系統(tǒng),采用低壓配電系統(tǒng)為該選矸系統(tǒng)提供動(dòng)力電氣,替代傳統(tǒng)配電網(wǎng)和配電柜,其配電柜采用高低壓隔離開關(guān)裝置進(jìn)行斷開或短路保護(hù)開關(guān)及刀閘,并采用智能數(shù)字配電系統(tǒng)控制該設(shè)備工作狀態(tài),以保證制漿硐室各項(xiàng)用電指標(biāo)達(dá)到工業(yè)自動(dòng)化水平。

低壓配電系統(tǒng)的電氣故障自檢裝置采用RS485通信協(xié)議,可將該工程所用電氣故障自檢裝置數(shù)據(jù)傳送至系統(tǒng)管理中心,并對(duì)現(xiàn)場故障進(jìn)行處理,保證所用電氣設(shè)備可靠性和安全性,同時(shí)保護(hù)設(shè)備使用人員及其他相關(guān)人員安全。系統(tǒng)具有2種典型應(yīng)用方式:①遠(yuǎn)程診斷式是系統(tǒng)通過PLC、通訊協(xié)議及CAN總線連接至監(jiān)控中心,實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程診斷,將采集到的數(shù)據(jù)傳送至上位機(jī)執(zhí)行系統(tǒng)和相應(yīng)設(shè)備或其他終端,通過終端對(duì)現(xiàn)場設(shè)備故障進(jìn)行自動(dòng)診斷、處理及傳輸、數(shù)據(jù)記錄;②控制型是系統(tǒng)通過與控制中心互聯(lián),實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)視、自動(dòng)控制和自動(dòng)診斷?；谟?jì)算機(jī)技術(shù)、數(shù)據(jù)處理技術(shù)和數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)等進(jìn)行遠(yuǎn)程遙控和控制管理。基于現(xiàn)場運(yùn)行控制技術(shù)和工業(yè)數(shù)字控制技術(shù)等,實(shí)現(xiàn)對(duì)破碎制漿充填系統(tǒng)生產(chǎn)運(yùn)行狀態(tài)和工藝參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)控、管理、分析及傳輸(現(xiàn)場監(jiān)測及現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集),實(shí)時(shí)將各種數(shù)據(jù)進(jìn)行儲(chǔ)存、分析、處理,為決策提供依據(jù)。具備故障自認(rèn)、報(bào)警自檢、故障判斷及數(shù)據(jù)分析等功能,并可對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行遠(yuǎn)程故障診斷、告警設(shè)置、故障遠(yuǎn)程診斷、故障信息查詢等多種功能[7]。黃陵煤礦井下智能破碎制漿充填項(xiàng)目的破碎制漿硐室低壓配電系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 黃陵煤礦井下智能選矸項(xiàng)目的破碎制漿硐室低壓配電系統(tǒng)Fig.1 Low-voltage power distribution system in the crushing and slurrying chamber of the underground intelligent gangue selection project in Huangling Coal Mine

5 低壓進(jìn)線端電纜選型

結(jié)合需要系數(shù)法對(duì)該項(xiàng)目低壓配電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及設(shè)備選型結(jié)果。同時(shí)為保證電力電纜的質(zhì)量和性能,需要正確選擇電纜的品種和規(guī)格,使電纜在使用中達(dá)到最佳使用效果[9]。為保證電纜安全使用,對(duì)電纜選型非常重要,電纜選型應(yīng)符合國家標(biāo)準(zhǔn)和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的要求。此次為該系統(tǒng)選擇的10 kV電纜主要是YJV交聯(lián)絕緣電力電纜,YJV-8.7/10 kV交聯(lián)絕緣電力電纜載流量對(duì)照見表3。

根據(jù)公式(4)可以得出低壓進(jìn)線端載流量I=104 A,于是電纜選型為3×50的YJV-8.7/10 kV交聯(lián)絕緣電力電纜。

6 結(jié)語

需要系數(shù)法計(jì)算負(fù)荷的特點(diǎn)是計(jì)算負(fù)荷并不考慮各用電設(shè)備之間的關(guān)系,同時(shí)也不影響其他電氣選型,而是根據(jù)電力負(fù)荷的實(shí)際情況提出的不同計(jì)算方式。由于煤礦開采的潛在危險(xiǎn)性,因此井下較多的電氣設(shè)備負(fù)荷計(jì)算就顯得十分重要,利用需要系數(shù)法計(jì)算負(fù)荷具有準(zhǔn)確性和時(shí)效性,并且運(yùn)用的參數(shù)較少,對(duì)設(shè)備要求較低,對(duì)現(xiàn)代工業(yè)供配電技術(shù)具有廣泛應(yīng)用前景。