5 Спеціальна частина

5.1 Задачи модернизации системы электроснабжения современных энергоемких механизированных комплексов

Чтобы стабильно добывать отечественными высокопроизводительными механизированными комплексами из одной лавы 5—7 тыс. т угля в сутки, или 1,5—2 млн. т в год [16], в Украине предлагается широко внедрять очистные комплексы МКД-90 на пологих пластах мощностью 1,2 м и выше.

В настоящее время добычная техника как старой конструкции, так и вновь создаваемая (комбайны и комплексы РКУ, ГШ68, МКД-90, ГШ200Б, ГШ500, КДК, КШЭ и др.) оснащена электродвигателями с водяным охлаждением типа ЭКВ мощностью 90; 160; 180; 200; 250; 355 кВт; струговые установки УС-2У и УСВ2 — электродвигателями ЭКВ на 110 и 132 кВт допускают до 160 включений в час. Для дальнейшего повышения энерго­вооруженности выемочных машин созданы комбайновые электродвигатели с водяным охлаждением корпуса и заполнением внутренней полости диэлектрической жидкостью ЭКВЖ. Их мощность в 1,7—2 раза больше, чем у двигателей типа ЭКВ, т. е. 220; 250; 280; 315; 400 кВт, при высоте корпуса 400 мм.

Рост энерговооруженности и производительности комбайнов, стругов и комплексов требует соответствующего увеличения энерговооруженности забойного конвейера и его пропускной способности, превышающей производительность добычного механизма. Электротехнической промышленностью Украины созданы конвейерные электродвигатели мощностью 55; 75; 90; 110 кВт с воздушным охлаждением и 160; 200; 250 кВт с водяным. При установке четырех электродвигателей (по два на приводной и натяжной головках скребкового конвейера) установленная мощность приводов может достигать 1000 кВт. Кроме того, имеется возможность поставлять двухскоростные электродвигатели для привода скребковых конвейеров с соотношением скоростей 1:3.

Поскольку основными элементами механизированных очистных комплексов, формирующих грузопоток угля из лавы, являются комбайн и забойный (лавный) конвейер, необходимо ориентироваться на использование мощных электродвигателей для их привода. Электроснабжение подземных машин и механизмов осуществляется кабельными линиями с медными жилами. При этом мощность электроприемников иногда сравнима с мощностью источников, а длина кабельных линий настолько велика, что устойчивая работа электродвигателей связана со значительными трудностями. Чтобы обеспечить работоспособность электродвигателей, а также снизить потери электроэнергии, увеличивают сечение кабелей, прокладывают их параллельно, не считаясь с расходом меди.

Поэтому целью модернизации системы электроснабжения добычного участка является улучшение качества электроэнергии подводимой к двигателям забойных машин.

5.2 Пути повышения уровня напряжения в участковых и распределительных сетях шахт

Одним из основных требований к системам электроснабжения шахт является достаточно надежное и качественное обеспечение потребителей электроэнергией при любых условиях, возникающих в процессе эксплуатации. В связи с этим при построении и расчете схем электроснабжения осуществляется проверка выбранных элементов сети по допустимой потере напряжения. В соответствии с [17] при известных значениях напряжения на ЦПП (РПП-6) такую проверку производят исходя из условия обеспечения нормируемых уровней напряжения на зажимах двигателей очистного комбайна или струга в j-м режиме по формуле

(5.1)

де U_ЦПП — напряжение на шинах ЦПП (РПП-6), В;

U_ном — номинальное напряжение низковольтной сети, В;

К_т — коэффи­циент трансформации силового трансформатора передвижной подстанции (ПУПП);

К_от — коэффициент изменения напряжения в силовом трансформаторе ПУПП, принимают равным 0,95 при отпайке +5 %; 1,0 при нулевой отпайке и 1,05 при отпайке —5%;

К_з — средневзвешенный коэффициент загрузки работающих элек­тродвигателей суммарной мощностью ∑Р_н.р. (кроме двигателей комбайна или струга);

R_к.в., Х_к.в. —соответственно активное и индуктивное сопротивление кабеля от ЦПП (РПП-6) до ПУПП, Ом;

Х_к.з = U²/S_к.з — индуктивное сопротивление системы напряжения 6 кВ до ЦПП (РПП-6) включительно, Ом;

U — расчетное значение напряжения сети, принимаемое равным напряжению холостого хода обмотки НН трансформатора, кВ;

S_к.з — мощность трехфазного к.з. на шинах ЦПП (РПП-6), MB∙А;

∑Р_н.рі — установленная мощность электродвигателей, питающихся от і-x элементов сети, через которые подключены двигатели комбайна (струга), кВт;

∑R_і, ∑X_і — соответственно суммарные активные и индуктивные сопротивления i-x элементов сети, Ом;

I_j, cosφ_j, — соответственно ток (А) и коэффициент мощности двигателя в j-м режиме;

n_j — количество одновременно пускаемых электродвигателей комбайна или струга в одном приводе, получающих питание по одному кабелю; для режима опрокидывания n_j — количество кинематически связанных двигателей;

∑R, ∑X — соответственно суммы активных и индуктивных сопротивлений трансформатора, магистрального и гибкого кабелей, питающих двигатели комбайна (струга), Ом.

Величины ∑Р_н.рі , ∑R_і , ∑X_і - зависят от схемы питания РПП-НН и принятого типа выемочной машины.

Как следует из выражения (5.1), повышение качества напряжения на зажимах двигателей очистных машин может быть достигнуто следующими способами:

1) уменьшением сопротивления элементов сети за счет увеличения сечения питающих кабелей, а также сокращения длины низковольтных кабелей путем приближения источников питания непосредственно к потребителям;

2) раздельным включением двигателей многодвигательного привода;

3) применением минусовых отпаек на трансформаторах;

4) повышением уровня номинального напряжения в распределительной и участковой сети;

5) повышением мощности короткого замыкания (к.з.) в подземной сети и соответственно уменьшением индуктивного сопротивления системы Х_кз;

6) снижением потребляемой реактивной мощности путем ее компенсации.

Рассмотрим каждый способ подробнее.

5.2.1 Первый способ в настоящее время широко применяют при эксплуатации электрооборудования, а также при проектировании систем электроснабжения, хотя увеличение сечения кабеля и является наиболее дорогим мероприятием стабилизации напряжения.

5.2.2 Раздельное включение двигателей горных машин обычно используют для снижения пусковых токов и вызванных ими больших потерь напряжения во всех элементах сети. В ряде случаев на практике используют раздельное включение двигателей при пуске многодвигательных скребковых конвейеров.

5.2.3 При повышении напряжения на выходе участковой трансформаторной подстанции путем переключения на минусовые регулировочные отпайки пропорционально K_Т увеличивается приведенное ко вторичному напряжению сопротивление внешней сети.

Кроме того, применение на практике такого решения допустимо только при питании мощных электродвигателей от отдельной подстанции, если величина напряжения со стороны первичной обмотки лежит в пределах допустимых значений.

В противном случае в режимах, близких к холостому ходу трансформатора, возрастает напряжение на зажимах маломощных потребителей, подключенных непосредственно к трансформатору, которое может превысить допустимое значение.

5.2.4 В связи с ростом электрических нагрузок подземных потребителей становится все более затруднительным обеспечение их качественного и экономичного электроснабжения при увеличении передаваемой мощности на основе применяемых напряжений в участковых и распределительных сетях.

Поэтому во многих зарубежных угледобывающих странах осуществлен перевод на повышенный уровень напряжения (865—4160 В) электрических сетей, питающих добычные и подготовительные участки. При таком способе достигается наибольший эффект повышения качества напряжения на зажимах двигателей забойных машин.

Для питания очистных комбайнов большой энерговооруженности на шахтах США и Канады применяют напряжение 4160 В. В перспективе предполагается перевод питания забойных машин с единичной мощностью электродвигателей 300— 350 кВт на напряжение 5—6 кВ [17].

В Украине для участковых сетей высокопроизводительных очистных забоев принят уровень номинального напряжения 1140 В и созданы специальное взрывобезопасное электрооборудование и шахтные кабели.

При переходе на повышенное напряжение кратность уменьшения потерь напряжения Δ и электроэнергии ΔW в сети при передаче по кабелям меньшего сечения одинаковой мощности определяют из выражений

(5.2)

(5.3)

при ,

де - относительные значения соответственно активной и реактивной составляющих потери напряжения в сети;

— длительно допустимый (по нагреву) ток кабеля (А) с сечением токопроводящих жил s (мм²) и удельным индуктивным сопротивлением х, Ом/км;

— годовое число часов использования максимума нагрузки, ч.

Индексы 1 относятся к сети с номинальным напряжением , индексы 2— с напряжением . При .

Так, при переводе питания комбайна, мощность электродвигателя которого составляет 200 кВт, с напряжения 660 на 1140 В и одновременном уменьшении сечения питающего гибкого кабеля с 70 до 35 мм² активная и реактивная составляющие потери напряжения в этом кабеле уменьшаются соответственно на 33,3 и 64,6%, потери электроэнергии на 33,3%.

Наиболее эффективная мера разрешения проблемы — повышение напряжения в электрической шахтной сети. Поэтому до 50-х годов XX ст. применялось напряжение 380 В, после — уже 660 В, а с 80-х годов начат действенный перевод электроснабжения высокопроизводительных очистных комплексов, включающих комбайны, скребковые конвейеры, маслостанции механизированных крепей и другие энергопотребители, на напряжение 1140 В.

При включении мощных комбайновых двигателей в сетях на 380 В напряжение уменьшается на 25—45% от номинального в 76% случаев, а в электросетях на 660 В в 23% случаев — на 25%. Поэтому фактические пусковые моменты составляют 30—60% номинальных у 87% электродвигателей в сетях 380 В и 38% — в сетях 660 В, что означает недоиспользование технологических возможностей горных машин. Кроме того, усложняются условия пуска двигателей, возникает так называемый режим "раскачки" с частыми включениями и отключениями [16].

Возникшие проблемы можно решить увеличением сечения кабельных линий, сокращением шага передвижки участковой трансформаторной подстанции за забоем и ростом ее мощности, раздельным включением двигателей многодвигательного привода, использованием регулируемого привода и другими мерами. Однако наиболее эффективный способ увеличения реального максимального момента электродвигателей — повышение напряжения [16]. Обычно следующая ступень напряжения выбирается с учетом коэффициента сопряженности фаз, равного . В ряде стран просто переключают обмотки трансформаторов с параллельного на последовательное соединение и, например, вместо напряжения 500 В получают 1000 В. Влияют на выбор напряжения также требования к изготовлению и обслуживанию электрооборудования на 1000 В и более.

За рубежом для горной промышленности приняты разные напряжения: в Англии 1130 или 3300 В; в Германии 1050 или 2300 В; во Франции 950 В; в Польше и Голландии 865 В; в Австралии 3300 В; в США 950 или 2300 и 4160 В; в Канаде 4160 В. Международное бюро труда рекомендовало напряжение 1100 В, но в СССР следующей ступенью было принято 1140 В, равное 660 В.

Вследствие роста опасности использования напряжения 1140 В по сравнению с 660 В сформулированы дополнительные требования в специальной "Инструкции по электроснабжению и применению электрооборудования напряжением 1140 В в шахтах", чем были сняты всякие ограничения. Эффективность повышенного напряжения связана с сокращением потерь электроэнергии, уменьшением сечения жил кабеля, увеличением фактического вращающего момента электродвигателей и снижением токов короткого замыкания.

Один из важных показателей участковых электрических сетей — их протяженность при нормальном режиме работы, определяемая через потери напряжения в трансформаторе , в бронированном и гибком кабелях:

(5.4)

Для обеспечения нормальных условий эксплуатации и эффективного использования электропривода очистных комплексов необходимо, чтобы сеть, через которую осуществляется их электроснабжение, имела такие параметры, при которых гарантировалось бы требуемое значение напряжения на зажимах двигателей. Параметры сети, питающей комбайн, определяются в основном мощностью силовой трансформаторной подстанции, длиной и сечением силовых кабелей, а также номинальным напряжением.

Произведем расчет зависимости максимальной длины гибкого кабеля (м) от номинального напряжения (В) и передаваемой по этому кабелю, с сечением силовых жил 50 мм² мощности (кВт) из условия допустимого отклонения напряжения на зажимах ЕД токоприемника ( ) в программе Mathcad (приложение Б). Полученные данные занесем в табл. 5.1 и построим график (рис. 5.1).

Таблиця 5.1 – Значение максимальной длины гибкого кабеля, м

P, кВт	UН		P, кВт	UН
	660	1140		660	1140
50	1314	4468	450	146	496
100	657	2234	500	131	446
150	438	1489	550	119	406
200	328	1117	600	109	372
250	263	893	650	101	343
300	219	744	700	94	319
350	188	638	750	88	297
400	164	558	800	82	279

Рисунок 5.1 - Зависимость максимальной передаваемой мощности Р от длины L линии электроснабжения по кабелю с сечением жил 50 мм² при напряжении 660В и 1140 В.

Магистральные линии от участковых подстанций до распределительного пункта лавы выполняют обычно бронированными кабелями сечением 95-120 мм² (90%) и 150 мм² (10%). Для очистных комбайнов и скребковых конвейеров применяют гибкие кабели сечением 50 мм² (70%), 70 мм² и 35 мм² (30%). Протяженность гибких забойных кабелей до 400 м и более. Прогнозы [16] показывают, что в ближайшие годы мощность и реальные вращающие моменты электродвигателей очистных комбайнов и скребковых конвейеров должны быть увеличены в 1,7—2 раза. Однако из-за потерь напряжения в шахтной сети использование электродвигателей мощностью более 160 кВт в сети напряжением 660 В становится недостаточно эффективным и приводит к значительным экономическим потерям (увеличение числа и сечения кабелей). Кардинальное решение задачи повышения энерговооруженности очистных комбайнов и конвейеров возможно при питании шахтных участковых сетей напряжением 1140 В.

Из рис. 5.1 видны зависимости максимальной передаваемой мощности от длины линии электроснабжения гибким кабелем с медными жилами сечением 50 мм² при напряжении 660 и 1140 В. Расчеты показывают, что благодаря переводу питания электродвигателей с напряжения 660 на 1140 В можно на каждые 250 м приведенной длины кабеля (в диапазоне 250—1000м) увеличить максимальный вращающий момент на 15%. В шахтной сети с усредненной длиной 500 м электродвигатели при 1140 В развивают максимальный вращающий момент, который на 20—30% превышает его значение при 660 В.

Максимальная мощность передаваемая кабелем.

Для питания РПНН от одной ПУПП можно использовать два кабеля с максимальным сечением силовой жилы 120 мм². Длительно допустимый ток жил фидерного кабеля для данного сечения 321 А. Следовательно максимальный ток который можно пропустить на данном участке

Зная максимально допустимый ток определим полную мощность

(5.5)

Для напряжения 660 В

Для напряжения 1140 В

Активная мощность равна

(5.6)

Для напряжения 660 В

Для напряжения 1140 В

(↑73,2% от )

С применением конденсаторной установки (КУ) предельная передаваемая мощность по фидерному кабелю равна

Для напряжения 660 В

(↑15,5% от )

Для напряжения 1140 В

(↑100% от )

Как видно из расчетов применение следующей ступени номинального напряжения сети позволяет увеличить допустимую мощность передаваемую по кабелю на 73,2%, а применение КУ установленной в конце фидерного кабеля повышает пропускную способность на 15,5%. Если на данном участке применить КУ и одновременно повысить номинальное напряжение то мощность которую можно передать увеличится в два раза по сравнению с участком с низшей степенью напряжения и без КУ.

Рассчитаем предельную мощность единичного потребителя питаемого по гибкому кабелю нового образца с 6 силовыми жилами сечением 95 мм² марки КГЭБУШ (производитель «Донбасскабель») . При :

Для напряжения 660 В

Для напряжения 1140 В

Активная мощность равна

(5.7)

Для напряжения 660 В

Для напряжения 1140 В

Т.е. максимальная мощность единичного или группы ЭД питающихся от одного кабеля с сечением жил 6 95 мм² увеличится на 386 кВт, что дает возможность увеличить производительность забойных машин.

Таким образом, использование забойных электродвигателей на номинальное напряжение 1140 В не только существенно улучшает технико-экономические показатели сети при заданной мощности (уменьшение шага передвижки трансформаторных подстанций и сечений кабеля), но обеспечивает большие вращающие моменты и мощности. В настоящее время можно повысить энерговооруженность отечественных очистных комбайнов и комплексов в 2 раза и более, а также отказаться от дорогостоящего импортного добычного оборудования. Достижения в области отечественной электротехнической промышленности позволяют обеспечить требуемые нагрузки на забой и стабильно добывать очистными механизированными комплексами из одной лавы до 7 тыс. т угля в сутки.

Распределительная сеть

В связи с ростом энерговооруженности шахтных машин и механизмов вопрос о необходимости повышения напряжения распределительных сетей неоднократно рассматривался как в нашей стране, так и за рубежом. Так, в 1979 г. на северном поле шахты «Остерфельд» (ФРГ) введена в эксплуатацию сеть электроснабжения с номинальным напряжением 10 кВ. Эта сеть питает стационарное оборудование и участковые трансформаторные подстанции.

Основными причинами, обусловливающими необходимость дальнейшего повышения номинального напряжения в шахтных распределительных сетях, являются наметившаяся в последние годы тенденция роста единичных мощностей электроприемников подземных и поверхностных установок в связи с увеличением объема добычи угля, глубины разработки а также увеличение протяженности сетей из-за удаления горных работ от стволов, по которым осуществляется питание подземных потребителей.

5.2.5 Максимальная мощность короткого замыкания в подземной сети ограничивается предельной мощностью отключения коммутационных аппаратов КРУВ и на данный момент не превышает 100 МВ·А.

5.2.6 Последним из упомянутых способов повышения качества напряжения может служить компенсация реактивной мощности в подземных распределительных и участковых сетях, которые, как правило, работают с весьма низким значением коэффициента мощности.

Компенсация реактивной мощности в линиях электропередачи и сетях промышленных предприятий является обязательным требованием современной техники. Большинство потребителей электроэнергии на шахтах составляют асинхронные двигатели, которые наряду с активной расходуют также и реактивную мощность. Поэтому с точки зрения минимальных потерь мощности и падений напряжения при передаче энергии и максимальной активной мощности, передаваемой по проводам заданного сечения, необходимо иметь требуемую реактивную мощность непосредственно около потребителя. Эта реактивная мощность может быть получена от синхронных двигателей или конденсаторных установок.

Включение или отключение секций конденсаторной установки (КУ) емкостью С (мкФ) приводит к изменению напряжения в точке ее присоединения на величину, % [1]:

(5.8)

де Х_с — индуктивное сопротивление внешней сети по отношению к месту присоединения КУ, Ом;

U — значение напряжения в месте присоединения КУ до ее регулирования, кВ;

— номинальное напряжение сети, кВ;

Q_к.у — мощность конденсаторной установки, кВар.

Установив КУ на ЦПП и РПП-6 шахты и регулируя реактивную мощность, можно разгрузить стволовые и магистральные распределительные кабели от реактивной нагрузки, снизить потери напряжения и мощности, благодаря чему можно в ряде случаев отказаться от прокладки параллельных кабелей.

При включении в работу компенсирующего устройства мощностью Q_к.у составляющая потерь активной мощности, обусловленная протеканием реактивной мощности по п участкам сети, будет

(5.9)

де і = l, 2, ... , n — порядковый номер элемента электрической сети, имеющего активное сопротивление R_і;

Q_і — передаваемая реактивная мощность на і-м участке;

U_і — напряжение в i-м узле.

Если компенсация реактивной мощности производится со вторичной стороны трансформатора, то по сравнению с групповой компенсацией в распределительной сети можно добиться дополнительного снижения потерь и токовой нагрузки в сети, питающей трансформатор, и в самом трансформаторе. Увеличение напряжения на обмотке НН трансформатора при установке на его выходе компенсирующего устройства мощностью Q_Ky (квар) определяют по формуле:

(5.10)

де , — соответственно напряжение к.з. трансформатора и его реактивная составляющая, %.

Значения изменения напряжения при включении или отключении секций конденсаторной установки в различных точках сети (удельные регулирующие эффекты), вычисленные по формулам (5.8) и (5.10) в соответствии с исходными данными [16], приведены в табл. 5.2.

Таблиця 5.2 - Значения изменения напряжения при включении секций КУ

Элементы внешней сети	Диапазон регулирования напряжения для КУ мощностью 100 квар, %	Мощность секций КУ, при которой ступень регулирования равна 1 %, квар
Трансформаторная подстанция мощностью, кВ·А: КТПВ 100 КТПВ 160 КТПВ 250 КТПВ 400 ВСТП 630 ВСТП 1000	3,56 2,24 1,46 0,92 0,53 0,45	28 45 68 108 189 220
Кабельная линия (выполненная бронированным кабелем) длиной 1 км на номинальное напряжение, кВ: 0,66 6 10	1,38 0,022 0,008	72 4500 12500

Как следует из табл. 5.2, наибольший регулирующий эффект при установке конденсаторов достигается в сетях низкого напряжения (участковых). При этом диапазон регулирования напряжения зависит от значения индуктивного сопротивления внешней сети по отношению к месту установки КУ и будет неизменным при постоянстве этого сопротивления. Так, если к секциям шин ЦПП, РПП-6 и на выходе ПУПП поочередно подключать конденсаторные установки мощностью соответственно 450; 225 и 75 квар, то напряжение в указанных точках сети от включения каждой из КУ изменится соответственно на 1,24; 0,71 и 0,82%.

При регулировании напряжения с помощью КУ в соответствии со статическими характеристиками нагрузки повышение напряжения за счет включения секций КУ сопровождается увеличением потребления электроприемниками активной и реактивной мощности. Это, в свою очередь, приводит к некоторому дополнительному увеличению падения напряжения в электрической сети, в результате чего регулирующий эффект КУ оказывается несколько ниже значений , определяемого по (5.8) и (5.10).

Необходимая мощность конденсаторной установки для поддержания коэффициента мощности на участке 0,988 при 0,75

(5.11)

(5.12)

В угольных шахтах ФРГ уже в течение длительного времени применяют компенсирующие устройства во взрывобезопасном и общепромышленном исполнении, в том числе конденсаторные установки. В связи с небольшим регулирующим (по напряжению) эффектом таких установок в распределительных сетях основное назначение КУ — снижение реактивной нагрузки и повышение коэффициента мощности подземной сети.