關(guān)恒祝，　丁桂寶，　肖群

(本溪大臺(tái)溝礦業(yè)有限公司， 遼寧 本溪　117000)

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礦山立井施工變壓器容量選擇方法研究

關(guān)恒祝，丁桂寶，肖群

(本溪大臺(tái)溝礦業(yè)有限公司， 遼寧 本溪117000)

摘要：通過對(duì)礦山立井施工變壓器容量一般選擇方法的分析，闡明了工程領(lǐng)域采用需要系數(shù)法選擇設(shè)備的局限性，并提出在充分了解施工工藝過程、非常熟悉施工用電設(shè)備工作狀況的基礎(chǔ)上，采用繪制電力負(fù)荷曲線的方法能夠更合理地選擇變壓器容量。

關(guān)鍵詞：礦山立井； 變壓器容量； 需要系數(shù)法； 電力負(fù)荷曲線

網(wǎng)絡(luò)出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/32.1627.TP.20151231.1601.020.html

Research of selection method of transformer capacity for mine vertical shaft construction

GUAN Hengzhu，DING Guibao，XIAO Qun

(Benxi Dataigou Mining Co., Ltd., Benxi 117000, China)

Abstract：The paper illuminated boundedness of using demand coefficient method to choose device in engineering field by analysis of general selection method of transformer capacity of mine vertical shaft, and proposed that using method of drawing electricity load curve in basis of full knowledge of construction technology process and familiar with operating condition of electrical equipment can select capacity of transformer reasonably.

[WTHZ]Key words[WTBZ]:mine vertical shaft; transformer capacity; demand coefficient method; electricity load curve

0引言

在我國(guó)新建坑內(nèi)礦山基建期間，需要配置大量的10 kV(或6 kV)施工變配電所。施工變配電所的電源一般引自地方區(qū)域電網(wǎng)的上一級(jí)變電站，由于受地方電網(wǎng)的制約，施工變配電所的設(shè)計(jì)必須考慮諸多因素，如變配電所主接線形式、無功補(bǔ)償及計(jì)量方式等，其所內(nèi)變壓器容量的選擇尤為重要。變壓器容量的選擇偏小會(huì)影響配電系統(tǒng)的正常運(yùn)行，選擇偏大會(huì)給企業(yè)或投資者造成不必要的投資浪費(fèi)。因此，如何合理地選擇變壓器容量是礦山立井施工變配電所設(shè)計(jì)的關(guān)鍵所在。長(zhǎng)期以來，礦山立井施工變壓器容量的選擇偏大幾乎成了一種極為普遍的現(xiàn)象，因變壓器容量選擇偏大帶來的經(jīng)濟(jì)損失往往不易被察覺，即使覺察到了也沒有十分有效的解決辦法，因此，這成了多年來擺在廣大工程技術(shù)人員面前亟待解決的一項(xiàng)課題。

本文介紹了目前礦山立井施工變壓器容量的一般選擇方法，并結(jié)合礦山立井施工實(shí)例，分析了變壓器容量選擇方法的合理性，通過研究立井施工工藝與其用電設(shè)備的內(nèi)在聯(lián)系，歸納出在立井施工過程中合理選擇變壓器容量的一套切實(shí)可行的方法。

1礦山立井施工變壓器容量的選擇方法

礦山立井施工變壓器容量的選擇同礦山企業(yè)其他變壓器容量的選擇一樣，一般均采用需要系數(shù)法[1]。由于該方法簡(jiǎn)單易行且適用于工程設(shè)計(jì)的各個(gè)階段，所以被廣大工程技術(shù)人員所普遍接受。變壓器容量的選擇都是以電力負(fù)荷計(jì)算為基礎(chǔ)的，通過電力負(fù)荷計(jì)算所求得的計(jì)算負(fù)荷，又稱需要負(fù)荷或最大負(fù)荷，通常采用30 min最大平均負(fù)荷作為按發(fā)熱條件選擇電器和導(dǎo)體的依據(jù)[2]。在已知設(shè)備容量和需要系數(shù)后，即可求出計(jì)算負(fù)荷。有功計(jì)算負(fù)荷Pjs、無功計(jì)算負(fù)荷Qjs、視在計(jì)算負(fù)荷Sjs的計(jì)算公式如下：

(1)

(2)

(3)

式中:Pe為電氣設(shè)備的額定功率，kW；Kx為電氣設(shè)備的需要系數(shù)；φ為功率因數(shù)角。

依據(jù)式(1)—式(3)，施工單位一般便可根據(jù)投入使用的電氣設(shè)備名稱和數(shù)量，進(jìn)行負(fù)荷計(jì)算。采用需要系數(shù)法計(jì)算的某工程措施井施工用電負(fù)荷計(jì)算結(jié)果見表1。

表1　措施井施工用電負(fù)荷計(jì)算結(jié)果

[HT]由表1可知，補(bǔ)償前視在功率為1 265 kVA，補(bǔ)償后視在功率為910 kVA。實(shí)際選擇變壓器容量時(shí)有2種可能：當(dāng)不設(shè)置低壓無功補(bǔ)償時(shí)，可選擇變壓器容量為1 250 kVA或1 600 kVA；當(dāng)設(shè)置低壓無功補(bǔ)償時(shí)，一般選擇1 000 kVA或1 250 kVA。以上2種選擇均符合要求，但不一定合適。筆者認(rèn)為，只有當(dāng)變壓器實(shí)際運(yùn)行狀況與選擇相一致或相接近時(shí)才可以認(rèn)為合適。但是，當(dāng)變壓器投入運(yùn)行后，即使發(fā)現(xiàn)不合適也很難對(duì)其進(jìn)行更換，因?yàn)檫@不僅僅是費(fèi)用問題，還要涉及到向電力部門辦理用電手續(xù)變更等問題。因此，有必要事先對(duì)變壓器容量的常規(guī)選擇方法加以討論和研究，分析導(dǎo)致變壓器容量偏差的癥結(jié)所在，客觀評(píng)價(jià)其準(zhǔn)確程度，從而尋找出一種新的、切實(shí)可行的選擇方法。

2變壓器容量選擇方法的合理性分析

變壓器容量的選擇只需根據(jù)常規(guī)方法進(jìn)行負(fù)荷計(jì)算、滿足規(guī)范要求就可認(rèn)為是合理的，而是否合適才是企業(yè)或投資者所必須關(guān)注的問題。合適是指滿足以下2個(gè)條件：① 在任何工況、任何時(shí)段內(nèi)用電設(shè)備正常與安全運(yùn)行；② 運(yùn)行費(fèi)用最低。這里的運(yùn)行費(fèi)用是指當(dāng)采用兩部電價(jià)制向供電公司支付費(fèi)用時(shí)的基本電費(fèi)，因此，從這個(gè)角度來講，變壓器容量越小越合適。

通過分析上述工程實(shí)例的用電負(fù)荷計(jì)算過程可知，影響變壓器容量的選擇主要取決于5種因素：電氣設(shè)備的額定功率Pe，電氣設(shè)備的需要系數(shù)Kx，功率因數(shù)角的正切值tanφ，變電所的同時(shí)系數(shù)和無功補(bǔ)償量。其中電氣設(shè)備的額定功率、功率因數(shù)角的正切值以及變電所的無功補(bǔ)償量很容易確定，一般不會(huì)對(duì)變壓器容量選擇的準(zhǔn)確程度造成影響，而電氣設(shè)備的需要系數(shù)和變電所的同時(shí)系數(shù)選擇范圍比較寬泛，是影響變壓器容量選擇的關(guān)鍵因素，因此,本文僅對(duì)這2種因素進(jìn)行分析。

電氣設(shè)備的需要系數(shù)Kx是由公式Kx=KtKfz/η簡(jiǎn)化而來[3]，式中Kt為設(shè)備的同時(shí)使用系數(shù),Kt等于在最大負(fù)荷時(shí)某組工作著的用電設(shè)備容量與線路中全部用電設(shè)備總?cè)萘康谋戎?；Kfz為負(fù)載系數(shù)，表示在最大負(fù)荷時(shí)，所有工作著的用電設(shè)備實(shí)際所需的功率與全部被投入用電設(shè)備總?cè)萘康谋戎?；η為用電設(shè)備運(yùn)行于實(shí)際功率時(shí)的效率。若令Kfz=η(實(shí)際中Kfz與η基本相等)，則Kx=Kt，所以只需考慮Kt就可以了(考慮Kt更方便通過畫圖來分析負(fù)荷分布情況，此處不再贅述)。工程中Kt的取值范圍為0

工程中一般規(guī)定變電所的同時(shí)系數(shù)取值范圍為0.8～0.9，該值是否科學(xué)與合理很難證實(shí)。另外，普遍認(rèn)為，采用需要系數(shù)來選擇變壓器容量，對(duì)于用電設(shè)備足夠多、設(shè)備容量差異不大、設(shè)備工作制類型不是很復(fù)雜的情況，是較為適宜的，否則偏差會(huì)加大，變壓器容量的選擇也更加趨于不合理。因此，為使變壓器選擇更加趨于合理，有必要尋找出其他方式來選擇變壓器的容量。

3降低變壓器容量的方法

目前最有效、也最為通用的降低變壓器容量的方法是設(shè)置低壓無功補(bǔ)償裝置，但因?yàn)楝F(xiàn)場(chǎng)實(shí)際用電負(fù)荷多種多樣，所以還必須具體情況具體分析。筆者認(rèn)為,在充分了解施工工藝過程、非常熟悉施工用電設(shè)備工作狀況的基礎(chǔ)上，采用繪制電力負(fù)荷曲線的方法，能夠有效地降低變壓器容量。電力負(fù)荷曲線可以將施工用電設(shè)備與施工工藝過程密切結(jié)合起來，使得在某個(gè)時(shí)段內(nèi)，如某日、某月或某年內(nèi)，最大負(fù)荷很直觀地顯現(xiàn)出來。當(dāng)然，該方法不僅適用于各種不同場(chǎng)合的電力變壓器容量的選擇，而且也適用于用電設(shè)備臺(tái)數(shù)較少、工藝過程不太復(fù)雜的情況。為方便起見，仍以上述工程為例來加以說明。

該礦山立井施工的工藝概況：施工完全采用機(jī)械化作業(yè)方式，施工工序可概括為鑿巖、爆破、裝巖和砌壁，其詳細(xì)作業(yè)內(nèi)容與作業(yè)時(shí)間見表2。

表2措施井混合作業(yè)正規(guī)循環(huán)圖表

根據(jù)表1中所提供的用電設(shè)備，結(jié)合表2中的詳細(xì)作業(yè)內(nèi)容，可以將具體的用電設(shè)備與每道工序結(jié)合起來，如在第1道鑿巖準(zhǔn)備工序中包含2項(xiàng)內(nèi)容：① 交接班及安全檢查；② 下傘鉆及鑿巖準(zhǔn)備。下傘鉆只需投入1臺(tái)55 kW的鑿井絞車，此時(shí)鑿井絞車工作時(shí)間很短，在10 min內(nèi)便可完成；當(dāng)進(jìn)入到第2道工序鑿巖時(shí)，1臺(tái)250 kW、2臺(tái)110 kW空壓機(jī)及2臺(tái)55 kW通風(fēng)機(jī)投入運(yùn)行，再加上50 kW其他負(fù)荷，負(fù)荷P總計(jì)為630 kW，運(yùn)行時(shí)間長(zhǎng)達(dá)6 h，此段負(fù)荷最大，成為影響變壓器容量選擇的關(guān)鍵性用電設(shè)備。依此類推，可以將該立井施工的1個(gè)作業(yè)循環(huán)的用電設(shè)備使用情況粗略地描述出來，并繪制電力負(fù)荷曲線，如圖1所示。

圖1措施井1個(gè)作業(yè)循環(huán)的電力負(fù)荷曲線

圖1是按照每段工序投入運(yùn)行的設(shè)備容量相加而得，可以看出，所選擇的變壓器只要滿足鑿巖情況即可，因此，可以根據(jù)630 kW來確定變壓器容量。在變壓器低壓側(cè)加無功補(bǔ)償，使其功率因數(shù)達(dá)到0.9時(shí)，視在功率為700 kVA，據(jù)此可以初選變壓器容量為800 kVA。

以上變壓器容量的選擇只考慮了用電設(shè)備在最大負(fù)荷時(shí)段額定運(yùn)行時(shí)的功率輸出情況，而未考慮大容量電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)對(duì)電網(wǎng)電壓允許偏差的影響、啟動(dòng)容量的限制以及變壓器過負(fù)荷能力的要求。一般來講，采用全壓?jiǎn)?dòng)的電動(dòng)機(jī)會(huì)對(duì)電網(wǎng)造成很大沖擊，尤其是大容量電動(dòng)機(jī)，這一點(diǎn)在選擇變壓器容量時(shí)必須充分考慮。工程上規(guī)定，經(jīng)常啟動(dòng)的電動(dòng)機(jī)其電壓降不得超過10%，不經(jīng)常啟動(dòng)的電動(dòng)機(jī)其電壓降不得超過15%；電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)容量不得超過電源容量和變壓器的過負(fù)荷能力[4]，否則，必須對(duì)電動(dòng)機(jī)采取降壓?jiǎn)?dòng)方式或加大變壓器容量。下面以本例中最大一臺(tái)空壓機(jī)為例進(jìn)行計(jì)算，來校驗(yàn)初選變壓器容量為800 kVA是否合適。

已知空壓機(jī)配置1臺(tái)Y2-355M-4籠型電動(dòng)機(jī)，額定功率Pe=250 kW，額定電壓Ue=380 V，額定電流Ie=458 A，功率因數(shù)cosφ=0.88，額定效率ηe=0.94，啟動(dòng)電流倍數(shù)Kq=6.5，電動(dòng)機(jī)接線方式為Y-Δ時(shí)，啟動(dòng)電流倍數(shù)Kqy-Δ=6.5/3=2.17；由1臺(tái)S11-800/10變壓器供電，變壓器額定容量Sb=800 kVA，變比為10/0.4 kV，阻抗電壓百分比Ud=0.045；變壓器一次側(cè)短路容量S″=50Sb=40 MVA(無系統(tǒng)短路數(shù)據(jù))，母線其他負(fù)荷功率因數(shù)取cosφfh=0.7，母線其他負(fù)荷Sfh=0.42 MVA(估算)。由于接至電動(dòng)機(jī)的距離較短，線路阻抗可忽略，即XI=0。計(jì)算過程如下：

(1) 電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)容量及啟動(dòng)時(shí)的母線電壓偏差和電動(dòng)機(jī)端電壓偏差校驗(yàn)。電動(dòng)機(jī)的額定容量為

Se∣MVA=Peηe/cosφ=0.25×0.94/0.88=0.302

(1)

電動(dòng)機(jī)額定啟動(dòng)容量為

Sqd∣MVA=Kqy-ΔSe=2.17×0.302=0.655

(2)

母線短路容量為

Sd1∣MVA=Sb/(Ud+Sb/S″)=0.8/(0.045+

0.8/40)=12.3

(3)

母線其他負(fù)荷的無功功率為

Qfh∣Mvar=Sfh[KF(]1-cos2φfh[KF)]=0.42[KF(]1-0.72[KF)]=0.3

(4)

電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)的母線電壓相對(duì)值為

Uqm=(Sd1+Qfh)/(Sd1+Qfh+Sqd)=

(12.3+0.3)/(12.3+0.3+0.655)=

12.6/13.255=0.95

(5)

Uqm>0.9，滿足電壓偏差要求。由于XI=0，電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)的端電壓相對(duì)值等于電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)的母線電壓相對(duì)值Uqm，所以也符合對(duì)電動(dòng)機(jī)頻繁啟動(dòng)情況下端電壓不低于90%的規(guī)定。

(2) 變壓器過負(fù)荷校驗(yàn)。800 kVA變壓器二次額定電流為1 155 A，250 kW電動(dòng)機(jī)采用Y-Δ方式降壓?jiǎn)?dòng)時(shí)，啟動(dòng)電流為2.17×458=994 A，電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)電流與變壓器的額定電流之比為994/1 155=0.86。根據(jù)工程規(guī)定，若電動(dòng)機(jī)每晝夜啟動(dòng)6次，每次啟動(dòng)持續(xù)時(shí)間不超過15 s，變壓器負(fù)荷率小于90%(或每次啟動(dòng)持續(xù)時(shí)間不超過30 s，變壓器負(fù)荷率小于70%)，則最大啟動(dòng)電流允許值為變壓器額定電流的4倍。若電動(dòng)機(jī)每晝夜啟動(dòng)1 020次(或每次啟動(dòng)持續(xù)時(shí)間不超過30 s，變壓器負(fù)荷率小于70%)，則允許最大啟動(dòng)電流相應(yīng)減小為變壓器額定電流的23倍。通過校驗(yàn)可知，800 kVA的變壓器完全滿足過負(fù)荷要求。

4降低變壓器容量的意義

根據(jù)我國(guó)電力部門的規(guī)定[5]，大工業(yè)用電的用戶按兩部電價(jià)制收費(fèi)，基本電費(fèi)加電度電費(fèi)，基本電費(fèi)是與用電量無關(guān)的，當(dāng)以變壓器容量作為基本電費(fèi)收取時(shí)，用戶便不得不考慮該變壓器容量的選擇。選擇合適的變壓器容量不僅會(huì)減少初期的設(shè)備投資，更重要的是運(yùn)行費(fèi)用會(huì)大幅度降低。如本文的例子中將變壓器容量由1 250 kVA(是否加無功補(bǔ)償都可以選取的容量)降為800 kVA，容量減少了450 kVA，若按每月22元/ kVA收取基本電費(fèi)，每年可節(jié)省118 800元的支出。這只是某個(gè)工程的其中1條井、1座變電所，如果變電所的數(shù)量增加至10座乃至20座，則每年節(jié)省的費(fèi)用相當(dāng)可觀。如果企業(yè)的終端變電所電壓等級(jí)為35、66、110 kV，變壓器臺(tái)數(shù)為2臺(tái)及以上，容量達(dá)20 000 kVA以上，則選擇合適的變壓器給企業(yè)帶來的經(jīng)濟(jì)效益將更大。

5結(jié)語

對(duì)礦山立井施工變壓器容量選擇普遍采用的需要系數(shù)法進(jìn)行了合理性分析，并結(jié)合施工工程實(shí)例，在熟悉施工工藝及設(shè)備的基礎(chǔ)上，提出了一種通過繪制電力負(fù)荷曲線來有效降低變壓器容量的方法。該方法不僅可降低企業(yè)的設(shè)備投資，也降低了電費(fèi)的支出，給企業(yè)創(chuàng)造了極大的經(jīng)濟(jì)效益。

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關(guān)恒祝，丁桂寶，肖群.礦山立井施工變壓器容量選擇方法研究[J].工礦自動(dòng)化，2016,42(1)：67-70.

作者簡(jiǎn)介：關(guān)恒祝(1957-)，男，遼寧遼陽人，教授級(jí)高級(jí)工程師，主要從事礦山機(jī)電的規(guī)劃、管理和礦山供配電及自動(dòng)化工程的設(shè)計(jì)與研究工作，E-mail:dtgkyghz@126.com。

收稿日期：2015-10-09；修回日期：2015-11-25；責(zé)任編輯：胡嫻。

中圖分類號(hào)：TD611

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A網(wǎng)絡(luò)出版時(shí)間：2015-12-31 16:01

文章編號(hào)：1671-251X(2016)01-0067-04DOI:10.13272/j.issn.1671-251x.2016.01.020