礦井下供電電壓的技術(shù)升級(jí)和改造分析

趙 利

（開(kāi)灤（集團(tuán)）有限責(zé)任公司荊各莊礦業(yè)分公司，河北 唐山 063000）

礦業(yè)企業(yè)是一個(gè)較為特殊的行業(yè)。由于煤礦生產(chǎn)的特殊性，除了國(guó)家規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)電壓等級(jí)之外，還有一些礦井專(zhuān)用的電壓等級(jí)，礦井企業(yè)供電電壓的選擇，取決于礦井附近電源的電壓，用電設(shè)備的電壓、容量及供電距離。

礦井地面降壓變電所的受電電源，一般來(lái)自供電公司電力系統(tǒng)的區(qū)域變電所或發(fā)電廠，經(jīng)變壓器變壓后在配給礦井各個(gè)用戶，組成礦井供電系統(tǒng)。以本礦為例，變電所受電電壓為35kV，經(jīng)過(guò)降壓后的電壓為6kV，經(jīng)架空線路和電纜向地面車(chē)間、井下變電所及高壓用電設(shè)備等供電，組成了礦井的高壓供電系統(tǒng)；又將地面車(chē)間和井下變電所再次降壓為380V、660V、1140V或更高電壓后，向低壓用電設(shè)備供電，又組成了各自的低壓供電系統(tǒng)。隨著礦業(yè)企業(yè)機(jī)械化程度的迅猛發(fā)展，同時(shí)也為更好的適應(yīng)高產(chǎn)高效礦井開(kāi)采的需求，礦井供電系統(tǒng)提高電壓等級(jí)應(yīng)該進(jìn)一步得到提升和改善。

1 低電壓的危害分析

考慮低電壓出現(xiàn)的原因，主要包含著以下幾個(gè)方面：系統(tǒng)的設(shè)計(jì)缺乏合理性、設(shè)備本身的功率存在著因數(shù)較低的情況、輸電線路較長(zhǎng)且產(chǎn)生了較大的損耗、用電負(fù)荷增大幅度明顯。一旦出現(xiàn)低電壓情況，勢(shì)必引發(fā)嚴(yán)重的后果，還需通過(guò)提升電壓等級(jí)的方式適當(dāng)?shù)囊?guī)避相應(yīng)的危害[1]。

（1）增加線路的損耗。若是輸送功率保持不變，電壓出現(xiàn)較低的情況時(shí)，會(huì)使得電流呈現(xiàn)出持續(xù)增加的狀態(tài)，線路本身的損耗以及電流的平方呈現(xiàn)出正比，若是低電壓保持著運(yùn)行的態(tài)勢(shì)，則會(huì)增加線路的損耗。

（2）影響到用電設(shè)備的運(yùn)行。一方面，能夠?qū)﹄妱?dòng)機(jī)產(chǎn)生一定的影響，若是電壓降低至20%的時(shí)候，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)力矩可以適當(dāng)?shù)臏p少36%左右，電流若是增加了20%～25%，則電動(dòng)機(jī)的溫度能夠持續(xù)的升高，升高15℃以上，會(huì)直接威脅到電動(dòng)機(jī)的實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)。另一方面，還能對(duì)控制電器產(chǎn)生一定的危害，針對(duì)于交流接觸器和繼電器來(lái)說(shuō)，如果出現(xiàn)了低電壓的問(wèn)題，極易影響到操作的過(guò)程，甚至出現(xiàn)難以合理控制的問(wèn)題，還會(huì)引發(fā)觸頭燒壞以及熔焊等后果，直接阻礙了設(shè)備的實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)。

2 該項(xiàng)目提升電壓等級(jí)的優(yōu)勢(shì)之處

在該項(xiàng)目實(shí)踐中，主張將井下原有660V供電電壓升級(jí)到1140V，隨著礦井開(kāi)采的延伸，大功率采掘設(shè)備的不斷投入，使得各種低壓用電設(shè)備的使用量遞增，目前的電壓等級(jí)無(wú)法滿足生產(chǎn)的實(shí)際需求。

（1）保證用電輸電的基本能力。提高額定電壓等級(jí)的優(yōu)點(diǎn)在于當(dāng)前煤礦企業(yè)礦井設(shè)備增容、大設(shè)備越來(lái)越多，提高電壓等級(jí)可以提高用電輸電能力。供電電壓從660V升至1140V，由供電輸電能力計(jì)算公式PZ=ΔU%·U2·cos/100（Z為線路阻抗、P為線路的輸送功率、ΔU%為線路電壓損失、U是供電電壓）進(jìn)行論斷分析，在輸電質(zhì)量ΔU%和功率因數(shù)cosφ不變的情況下，輸電能力PZ與電壓U2成正比。660V升級(jí)到1140V其電壓提高了倍，輸電能力提高了2.99倍，在實(shí)際使用中不僅滿足了現(xiàn)場(chǎng)統(tǒng)一電壓的要求，通過(guò)提高供電能力，提高配電點(diǎn)使用效率，滿足了礦井對(duì)生產(chǎn)用電的需求。

（2）適當(dāng)?shù)慕档碗娔軗p耗。由于供電線路自身存在電阻和電抗，所以電流在線路中傳輸時(shí)，必然會(huì)在線路上產(chǎn)生電壓降和電壓損失，使得線路首、末端電壓不一致，首端電壓高于末端電壓。煤礦企業(yè)在滿足供電公司負(fù)荷率的同時(shí)，提高電壓等級(jí)可以降低電能的損耗，可以提高電壓供電質(zhì)量，電壓等級(jí)越高，有功損耗越小。依據(jù)線損相應(yīng)的計(jì)算公式ΔU=L/U*(P*r+Q*x)（U是供電電壓、L是線路長(zhǎng)度、P為經(jīng)過(guò)線路的輸送有功功率、Q為經(jīng)過(guò)線路的輸送無(wú)功功率、r為線路阻抗、x是線路電抗）進(jìn)行論斷分析，在供電線路的長(zhǎng)度L、阻抗r、電抗x不變的情況下，電壓損耗ΔU與供電電壓U成反比，采用1140V電壓供電，電壓額定值越高，電壓降損失值越低，末端的電壓質(zhì)量越好，提高供電電壓對(duì)線路阻抗造成的電壓損失有彌補(bǔ)效果。在線路電壓損耗不變，輸電功率有功、無(wú)功不變的情況下，供電距離與供電電壓成正比，采用1140V較660V供電，延長(zhǎng)了電纜長(zhǎng)度使用量，增加了電能輸送距離，達(dá)到了降低電壓損失的目的。

（3）確保供電過(guò)程的安全性。設(shè)備供電距離遠(yuǎn)、負(fù)荷大、啟動(dòng)電流大等造成供電壓降大，各別設(shè)備由于電壓降大，欠壓保護(hù)動(dòng)作，存在跳閘的危害，有的設(shè)備電壓過(guò)低起車(chē)?yán)щy有電機(jī)燒毀的危害。供電系統(tǒng)由之前兩套電源兩種電壓供一個(gè)面，改用1140V供電，系統(tǒng)可以得到簡(jiǎn)化，節(jié)約能源。由于供電電壓升高，工作電流降低，可以減少安全隱患和電氣事故的發(fā)生，有效提高供電系統(tǒng)的安全性、可靠性，為礦井開(kāi)采提供了有力保障。

（4）適當(dāng)?shù)目刂葡鄳?yīng)的開(kāi)支。660V改由1140V供電后，可以省去660V電壓等級(jí)的很多變壓器、開(kāi)關(guān)、電纜以及人工的投入，節(jié)省了很大的開(kāi)支，供電系統(tǒng)也得到了簡(jiǎn)化，避免了兩種電壓同時(shí)的存在，提高了用電安全性、可靠性。

圖1 礦井下探測(cè)圖

3 礦井下供電電壓技術(shù)升級(jí)改造

（1）技術(shù)的升級(jí)和改造。借助于井下660V供電形式，提高供電電壓等級(jí)，傳輸同樣的電功率，電壓越高，電流越小，可以使電壓本身的可靠性穩(wěn)步提升，同時(shí)還能確保供電的安全性。由于電流的減小過(guò)電流繼電器的整定電流值也將減小，滿足了繼電保護(hù)裝置的動(dòng)作靈敏度，其可靠動(dòng)作系數(shù)大于等于1.5的要求。因此，為減小傳輸電流，降低輸電線路中的電能損耗和電壓損失，應(yīng)當(dāng)采用高電壓輸送電能。通過(guò)升壓有效改善供電系統(tǒng)的銅損，降低電氣設(shè)備溫度，降低無(wú)功功率損失，提升電氣設(shè)備使用壽命。

（2）經(jīng)濟(jì)的升級(jí)和改造。井下低壓供電系統(tǒng)的升級(jí)和改造，利大于弊，可以充分發(fā)揮出良好的改造價(jià)值，尤其在供電可靠性上，呈現(xiàn)出明顯提升的趨勢(shì)。通過(guò)將660V升級(jí)為1140V，供電可靠性提高至新的高度，供電系統(tǒng)得到了簡(jiǎn)化，供電方式更加合理，供電的半徑呈現(xiàn)出逐步擴(kuò)大的趨勢(shì)；同時(shí)電氣設(shè)備、電纜實(shí)際的投入費(fèi)用也得到了有效的降低，節(jié)省了經(jīng)營(yíng)成本。設(shè)備出現(xiàn)故障的概率明顯減小，線損率同樣得到了控制。結(jié)合整體投資效益以及供電質(zhì)量加以分析，在保證用電功率的基礎(chǔ)上，1140V供電時(shí)電纜的電功損耗僅為660V供電時(shí)的58%，降低了42%，經(jīng)改造后體現(xiàn)出理想的經(jīng)濟(jì)效益。從供電經(jīng)濟(jì)性考慮，供電距離越遠(yuǎn)、輸送功率越大，采用的電壓等級(jí)越高。

（3）供電系統(tǒng)升壓改造經(jīng)濟(jì)分析。電網(wǎng)本身的電壓損失主要是通過(guò)變壓器中電壓損失以及電纜線路電壓損失共同組合而成，其中涉及到的電纜線路電壓損失往往是依靠著用電功率以及電纜長(zhǎng)度等多個(gè)內(nèi)容比值加以獲取。若是電壓損失保持不變，供電距離以及電纜截面等同樣保持不變的時(shí)候，送電功率逐步增大的過(guò)程中，應(yīng)該將系統(tǒng)中的額定電壓合理的提高；在確保電壓損失的相對(duì)額定值時(shí)，電纜截面和送電功率處于不變的狀態(tài)下，若是可以將系統(tǒng)本身的額定電壓逐步提升，則供電距離能明顯增加，由此便讓采區(qū)變電所的實(shí)際供電范圍明顯擴(kuò)大。

4 礦井下供電電壓技術(shù)升級(jí)改造方案

（1）調(diào)整設(shè)備運(yùn)行方式提高電壓等級(jí)。電壓等級(jí)的選擇是否合理，直接影響供電系統(tǒng)中的有色金屬消耗量、電能損耗、電壓損失、生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)以及未來(lái)的發(fā)展。因此，供電系統(tǒng)中電壓等級(jí)的選擇一般應(yīng)考慮多種方案，當(dāng)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)相差不大時(shí)，應(yīng)優(yōu)先采用電壓等級(jí)較高的方案。

針對(duì)井下供電電壓由660V升級(jí)到1140V，對(duì)設(shè)備的安裝和維護(hù)有了更高的要求，當(dāng)前我礦井下在用電氣設(shè)備大部分存在兩種電壓等級(jí)（即660V/1140V），根據(jù)生產(chǎn)需要在確定好所使用的電壓等級(jí)后隨時(shí)可進(jìn)行切換，干式變壓器通過(guò)改變?cè)薪泳€組別的方式即可調(diào)整所需用電電壓，饋電開(kāi)關(guān)通過(guò)改變控制變壓器繞組電壓的接線方式可以來(lái)實(shí)現(xiàn)1140V電壓的動(dòng)力輸出。依照煤礦井下供電電壓的使用原則，需要對(duì)配套的生產(chǎn)輔助電氣設(shè)備重新調(diào)整用電電壓以及調(diào)整原有接線方式，必要時(shí)更換部分與所需電壓等級(jí)不符的設(shè)備，通過(guò)技術(shù)革新，科學(xué)規(guī)范用電，強(qiáng)化日常安全管理，才能讓其發(fā)揮出更大的應(yīng)用價(jià)值。

（2）供電系統(tǒng)升壓和設(shè)備投入。當(dāng)供電系統(tǒng)的電壓呈現(xiàn)出上升的趨勢(shì)時(shí)，應(yīng)該重視設(shè)備的實(shí)際投入情況，保證將兩者實(shí)現(xiàn)合理的匹配，由此才能達(dá)到相對(duì)理想的供電需求。在煤礦井下機(jī)電設(shè)備逐步換代的今天，高新技術(shù)和設(shè)備的使用受到關(guān)注，應(yīng)該對(duì)相關(guān)的系統(tǒng)合理的應(yīng)用到位，確保供電過(guò)程能夠滿足實(shí)際的工作需求。若是井下始終采用低電壓供電，只能通過(guò)增加電纜長(zhǎng)度和截面的方式使得機(jī)械設(shè)備正常運(yùn)轉(zhuǎn)，但是會(huì)讓供電系統(tǒng)呈現(xiàn)出復(fù)雜化的狀態(tài)，甚至埋下較多的安全隱患，使企業(yè)承擔(dān)著較高的運(yùn)行成本。通過(guò)將供電電壓升級(jí)，1140V電壓較之前提高了倍，設(shè)備的負(fù)荷電流降低了倍，在電流密度基本不變的情況下，電纜截面也相應(yīng)減少了倍。電壓的升高電纜承載的功率容量增大，電能的輸送距離增強(qiáng)，變壓器負(fù)載端的電壓波動(dòng)隨之減小，供電質(zhì)量、穩(wěn)定性也隨之增強(qiáng)。提高電壓等級(jí)的優(yōu)點(diǎn)可以讓設(shè)備的運(yùn)行處于相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)，同時(shí)還能保證合理的控制成本支出以及電纜長(zhǎng)度的增加，為相關(guān)作業(yè)人員提供安全保障。

5 結(jié)語(yǔ)

礦井下供電電壓的升級(jí)和改造是一種必然的趨勢(shì)，是時(shí)代發(fā)展至今對(duì)于煤礦企業(yè)提出的嚴(yán)格要求。應(yīng)該依照實(shí)際的情況從經(jīng)濟(jì)可靠性和電氣安全性方面，科學(xué)、合理的進(jìn)行的升級(jí)與改造，將設(shè)備的實(shí)際功能充分體現(xiàn)出來(lái)，確保相關(guān)工作開(kāi)展的更加順暢。