综采工作面超远距离供电系统设计和应用

张利军

（山西新元煤炭有限责任公司，山西晋中 045400）

0 引言

随着矿井装备水平不断提升，大采高长走向工作面日益增多，传统工作面大型供电设备进顺槽的供电方式已经不适应高产高效矿井需求，诸多弊端逐渐显现［1］。某煤矿是煤与瓦斯突出矿井，煤层深度达600 m，3108 综采工作面位于矿3 号煤一采区，工作面走向长1 955 m，采长240 m。该面地质条件复杂，煤层顶板压力大［2］，造成巷道底鼓、严重变形，巷道断面大大减小，给工作面通风和采掘设备移动造成很大困难。

如果仍然采用传统供电方式存在以下弊端：大型设备列车布置在顺槽，设备拉移过程中对人员和设备安全造成威胁；检修作业工作量大、时间长，不利于工效的提高；采空区煤层顶板压力大造成巷道底板鼓起严重变形，除了造成通风断面减小留下安全隐患外，专设人员进行起底扩帮也增加了不少生产成本。为了解决以上问题，提高工作效率，减少设备列车倒移、保证通风断面，必须改变大型供电设备的布置方式［3］，即将移动变电站、泵站系统等从顺槽设备列车移出到工作面停采线以外，进行远距离供电。工作面设备列车轻量化，只放置综保、控制开关和集控室等小型设备，同时自移列车的应用也提高了生产效率。

远距离供电作为未来综采供电发展方向，国内外许多专家都作了研究。目前，国外学者主要集中在提高电压等级、改进综合保护的研究工作，国内文献主要研究了工作面自动化等问题，如赵利杰等［4］未提及保护整定校验，关旭等［5］供电电缆长度只有800 m，仍为1 140 V供电等。为了适应当前超远距离供电的实际需要，本文从设备选型、电缆压降损失、继电保护整定校验等一系列理论计算和3108综采工作面实际应用，3 300 V系统供电距离达到2 250 m，供电电缆长度达2 500 m。

1 远距离供电系统构建

1.1 供电系统总体拟定

3 108 工作面高压由东三配电室4 台高压隔爆开关馈出，无轨自移设备列车置于辅助进风顺槽1 700 m 处，列车上主要放置集控室、乳化液过滤站、综保开关和电缆车；生产溜控制装置和乳化液泵站置于距进风顺槽口50 m处横贯；采煤机、生产溜、转载机、和破碎机采用3 300 V供电，顺槽两部皮带、乳化液泵站、喷雾泵和注水泵采用1 140 V 供电，其余动力电源为660 V。

拟定综采工作面供电原理如图1 所示。

图1 3108 工作面供电原理

1.2 变压器容量的选择计算

本文重点对距离最远、单机功率最大的生产溜电机远距离供电进行分析，生产溜变压器容量选择如下所示：

经计算得S＝1 400 kVA，为保证远距离供电质量生产溜机头、机尾电机选用一台KBSGZY－3150／10／3.3 型变压器供电。其余变压器选型方法类似，即选用1 台KBSGZY－2000／10／3.3型变压器供采煤机，1 台KBSGZY－2000／10／3.3 型变压器供转载机、破碎机，2 台KBSGZY－800／10／1.2 型变压器作为乳化液泵、喷雾泵、注水泵的供电电源，选用2 台KBSGZY－800／10／1.2 型变压器为头部和二部胶带输送机供电，注浆泵、660V 动力电源分别选用2 台KBSGZY－630／10／0.69 型变压器。

1.3 远距离电机控制装置的选择

3108工作面生产溜采用双电机驱动方式，最远的生产溜机头电机距控制开关长达2 240 m，电机单机功率达700 kW。如果采用传统直起开关，启动电流（6～8 倍Le）高达1 200 A，不利于开关保护整定。而且，远距离供电线路电压损失大，启动时电压压降大，有效转矩达不到电机的正常启动力矩［5］。因此，必须选用新型控制设备，本设计采用BPJV3×1250／3300 型高压组合变频器作为生产溜电机的启停控制器。该高压变频器有3个独立输出回路，每一回路可以单独控制1 台1 250 kW以下电机，可以实现对任意1 台电机单独启停和多台联动控制。各输出回路之间可实现主从机的动态功率平衡以及各回路之间母线电压平衡［6］。该开关保护功能齐全，在保证电机启动力矩前提下启动电流大大减小，从而能够保证远距离供电继电整定保护有效。

采用变频器可以降低启动冲击电流，实现平滑启动，保持供电线路电压稳定。高压变频器采用无速度传感器矢量控制技术，将交流电机定子电流矢量分解成为2 个直流分量，即磁通分量和转矩分量［7］，从而获得与直流调速系统相同的控制效果。长距离供电线路电压损失大导致励磁不足，矢量控制可以对电机端进行响应及优化补偿［8］，在不增加电流的情况下，能够使电机获得足够的启动力矩。工作面生产溜电机和控制装置分开布置以后，为实现自动化控制，特选用与组合开关适配性较好的KTC101 通讯及控制系统，实现运输皮带沿线通讯、闭锁和综采工作面设备的集中控制、保护等功能，实现变频器的远程控制。同时可以对主要生产设备工况实时在线监测，及时发现故障隐患从而采取补救措施，确保综采设备协调、连续、高效、安全运行［2］。

1.4 电缆的选择

由于生产溜电缆由辅助进风敷设进入切巷，即生产溜机头电机电源线最长，因此本文以距离最远（2 250 m）、单机功率（700 kW）最大的生产溜机头电机电缆进行选择和校验。生产溜电机单机功率700 kW，正常运行负荷电流约160 A，工作面走向长度2 000 m，采长240 m，选择电缆长度2 450 m。按电动机正常运行电流选择截面。

电动机负荷干线电缆的供电电流如下所示：

将数值代入式（2）得工作溜干线电缆的长时间载流为201.72 A，选择MCPJRX－1.9／3.33×120＋3×50／3＋3×2.5型电缆，其额定载流310 A，大于201.72A，满足要求。

支线电缆电缆的长时间载流：

代入数值计算得Iw＝144.08 A，由于负荷线较长（2 450 m），选择MCPJRX－1.9／3.33×120＋3×50／3＋3×2.5 电缆，其额定载流310 A，大于144.08 A，满足要求。

2 电压损失计算和截面校验

综采工作面供电系统必须保证电压稳定，而且正常运行时实际电压损失必须小于所允许的电压损失，同时，要保证各项保护功能有效，能够合理整定保护电机。本文以最长线路生产溜机头电机进行电缆校验。

2.1 按运行时允许电压损失校验截面

运行时电压损失可由下式计算：

式中：ΔUT为变压器电压损失；ΔU1和ΔU2分别为干线、支线电缆的电压损失。

（1）变压器的电压损失计算如下所示：

式中：cosφ、sinφ分别为变压器负荷功率因数和对应的正弦值；UR为变压器电阻压降百分数；UX为变压器电抗压降百分数；β为变压器负荷系数；U2N为变压器二次侧额定电压。

计算得变压器电压损失ΔUT＝72.4 V。

（2）缆电压损失计算如下所示：

正常运行时，电缆末端的压降值不应超过电网额定值的7%～10%，即该线路允许的电压损失ΔU＝381 V［1］。

干线电缆电压损失，代入公式（5）得：ΔU＝3.283 V；最长支线生产溜机头负荷电缆电压损失，代入公式（5）得：ΔU＝114.92 V。综上，运行时本线路电压损失总和190.44 V ＜381 V，合格。

2.2 按起动电压损失校验电缆截面

为保证远距离电机正常启动，电机端电压不得低于电网电压的75%［2］，即3 300 V 系统电动机允许的启动电压损失为975 V。

（1）起动时支线电缆的电压损失

计算依据供电距离最远、容量最大的生产溜电动机起动，其计算公式为：

式中：γ为支路电缆芯线导体的电导率，铜取53；LZ为支路电缆实际长度；cosφ为电动机起动时的功率因数；AZ为支路电缆的芯截面；IQ为电动机的起动电流（取0.75 倍额定启动电流）。

生产溜电机电缆截面面积AZ＝120 mm2，长度LZ＝2 450 m，电机的启动电流IQ＝724.5 A，代入式（7）求得该支线启动电压损失ΔUZQ＝117.39 V。

（2）起动时干线电缆电压损失ΔUgQ

干线电缆截面面积Ag＝120 mm2，长度Lg＝10 m，启动电压损失很小，约为3.29 V，计算过程这里不作赘述。

（3）起动时变压器的起动电压损失计算

电压损失计算如下：式中：IBQ为起动时变压器的负荷电流；IBe为变压器负荷侧额定电流；sinφ为起动时电动机功率因数角的正弦值；tanφpj为其余负荷加权平均功率因数角的正切值；UR、UX分别为变压器的电阻、电抗压降百分数。

式中：SN为额定容量；ΔP为短路损耗。

将各参数代入式（9）得该变压器起动电压损失：

（4）起动状态下电机总的电压损失总的电压损失计算如下：

代入数值得生产溜机头电机起动时总电压损失∑U＝354.58 V，小于975 V，合格。

3 远距离供电整定校验

3.1 电抗阻抗计算

这里仍以距离最远、单机功率最大的生产溜电机进行校验。生产溜变频器和KBSGZY－3150／10／3.3 移变均置于辅助进风口配电点，冀家垴35 kV 变电站到10 kV 东三配电室电缆长度3 700 m，型号为MYJV22－3×185 铠装电缆。东三配电室到辅助进风口配电点生产溜变压器电缆为MYPTJ－3×70 型，长度为300 m。

MYJV22－3×185 型电缆电阻RO＝0.118 Ω／km，电抗XO＝0.09 Ω／km，MYPTJ－3×70 型电缆，电阻RO＝0.31 Ω／km，电抗XO＝0.101 Ω／km，系统短路容量Sd＝100 MVA，平均电压UP＝3.3 kV，则系统电抗高压电缆阻抗电抗R1＝0.529 6，X1＝0.363 3；3150 kVA 移变的阻抗电抗Rb＝0.027 7，Xb＝0.202。

3.2 短路电流计算和保护整定校验

MCPJRX－1.9／3.3 3×120＋3×50／3＋3×2.5 型电缆阻抗参数：RO＝0.164 Ω／ km，XO＝0.056 Ω／km，L＝2500 m。

则电缆的电阻、电抗：R2＝0.41 Ω X2＝0.14 Ω。

则生产溜机头电机处短路电流Id1计算如下：

3.3 保护整定校验

供生产溜机头电机BPJV－3×1250／3300 型控制设备校验如下。

（1）过载：Ig＝Pe×η×cosφ／Ue＝162.2 A。

（2）短路：Ik＝6Ig＝973.2 A，取1 000 A。

代入数值校验得：Ikmin／Iz＝Id1／Iz＝2 122／1 000＝2.12，大于1.5，校验合格。

4 远距离供电系统的应用

超远距离供电设计在新元煤矿3 108 综采工作面实施后，经现场实测，生产溜配套的3 300 kV 移动变电站空载时低压端出口电压3 400 V，高压变频器电压3 400 V。加负荷运行后，采煤机处测得平均电压约3 340 V，生产溜机头电机测得平均电压约3 320 V，满足设备正常运行电压要求。采煤机启动时，线路电压降ΔUq＝343 V，生产溜机头电机启动时线路电压降ΔUq＝196 V，完全满足电机启动要求。实践证明，超远距离供电系统设计能够满足综采工作面供电需求，可以有效保证供电质量［9］。

工作面实现远距离供电后，提高了检修工作效率，降低了工人劳动强度，工作面减人和增产方面也成效显著［10］。综采队检修班减员3 人，起底扩帮人员每班减少4人，每工按8万元每年计算，一年可以节约薪资费用120 万元。2019 年10 月底至2020年3月初，3108工作面实际生产原煤85.76 万t，比普通综采工作面3412同一时间段多产11.6万t，经济效益显著提升。

5 结束语

本文针对传统采煤工作面大型设备列车进顺槽的诸多弊端，设计了超远距离供电系统即变压器、泵站系统等大型设备移出到顺槽停采线以外，位置一次确定。经理论计算校验和3108 工作面实际应用，证明本供电方案是可行的，单机功率最大的生产溜电机供电距离达到2 250 m。超远距离供电设计的应用，解决了在底鼓巷道内推移列车困难等问题，提高了安全系数，加快了工作面推进进度，降低了巷道通风阻力，对煤与瓦斯突出矿井有重要的实际意义。