Определение потерь электроэнергии в системах электроснабжения очистных забоев

Определение потерь электроэнергии в системах электроснабжения очистных забоев

В последние годы на шахтах Кузбасса существенно возросла производительность забойных машин и увеличилась мощность их электродвига­телей. Это обстоятельство выдвинуло новые задачи перед системами электроснабжения очистных забоев (СЭС 03) по обеспечению их экономичности и надежности. С целью выявления фактических характеристик СЭС были изучены 86 схем питания очистных забоев на шахтах, разрабатывающих пологие и наклонные (до 30°) пласты мощностью 2,3 — 3,2 м, как наиболее представительных для бассейна в целом.

Из всего многообразия применяемых на практике СЭС 03 выделены две наиболее характерных. Одна из них приведена на рис. 1 и условно названа «через очистной забой». Здесь по высоковольтному кабелю LВК, проложенному по вентиляционному штреку, получают питание три подстанции ТСВП, мощность которых в сочетании (630+400+400) кВּА, (630+630+400) кВּА или (630+630+630) кВּА определяется мощностями двигателей технологически связанных потребителей 03: комбайна, забойного конвейера, дробилки и перегружателя.

Определение потерь электроэнергии в системах электроснабжения очистных забоев 1
Рис. 1 – Схема электроснабжения «через очистной забой»

где

  • К- комбайн; ЗСК — забойный конвейер
  • Л – лебедка
  • М – маслостанция
  • БС – буровой станок
  • УHP – установка нагнетания воды в пласт
  • Д – дробилка
  • П – перегружатель
  • О – освещение
  • ЛК – ленточный конвейер
  • Н – насос
  • LK1, LК2 – комбайновые кабели
  • L, L, L – кабели забойного конвейера
  • LВК, LВУ — высоковольтный бронированный кабели по вентиляционному штреку и по уклону (бремсбергу)
  • РПК и РПВ — распредпункты, соответственно, на конвейерном и вентиляционном штреках
  • LНК — кабель питания нагрузки конвейерного штрека

От одной из них по двум кабелям питаются электродвигатели комбайна. От другой — электродвигатели забойного конвейера. При использовании двухскоростных конвейерных электродвигателей к каждому их них прокладывается по два самостоятельных кабеля. Вся нагрузка на сопряжении 03 и конвейерного штрека получает питание через кабель, прокладываемый вдоль забоя и передвигаемый вместе с секциями крепи. Нагрузка на сопряжении конвейерного штрека и уклона (бремсберга) получает электроэнергию от ТСВП мощностью 400 или 630 кВּА.

Общая мощность подстанций, обслуживающих один 03, составляет 1830-2520 кВּА. При такой СЭС 03 нет необходимости прокладывать кабель по конвейерному штреку, вследствие чего снижаются потери электроэнергии в целом по участку. Эта СЭС находит применение при установке по конвейерному штреку ленточных конвейеров 1ЛТ100, 1ЛТ100-01 или 2ЛТ-100, средняя длина поставки которых составляет 1200 — 1500 м, что примерно равно средней длине столба по простиранию на начало его отработки.

Разделение питания потребителей 03 от разных подстанций позволяет применять для каждой из их групп свой уровень номинального напряжения, например, для электродвигателей комбайна и забойного конвейера — 1140 В, а для других, менее мощных — 660 В. Недостаток схемы состоит в необходимости прокладки по очистному забою нескольких (от 5 до 7) гибких кабелей сечением 50-70 мм2.

Вторая разновидность СЭС 03 применяется при наличии на конвейерном штреке двух и более ленточных конвейеров (рис. 2). В этом случае два головных электродвигателя забойного конвейера получают питание от подстанции со стороны конвейерного штрека, а хвостовой электродвигатель (электродвигатели) забойного конвейера, двигатели комбайна и другие потребители — от подстанций на вентиляционном штреке, мощность которых составляет (630+630) кВּА или (630+400) кВּА, при общей мощности подстанций участка 1660-1890 кВּА. Здесь электродвигатели всех потребителей могут питаться напряжением 660В, а комбайна — 1140В. Для управления магнитными пускателями электродвигателей забойного конвейера по забою прокладывается специальный контрольный кабель, служащий для их взаимной блокировки и обеспечения нужной последовательности запуска. Длина комбайнового кабеля обычно на 30 — 80 м превышает длину очистного забоя. Недостатком такой схемы являются повышенные потери электроэнергии в связи с большой длиной низковольтного бронированного кабеля по конвейерному штреку.

Обычно выбор СЭС производят по минимуму приведенных (годовых) затрат, в которые входит стоимость потерь электроэнергии. Однако этим показателем не всегда можно воспользоваться, поскольку в условиях рыночной экономики стоимость потерь электроэнергии может быть несравнимо меньше затрат на кабельные сети. Между тем, сами по себе потери электроэнергии могут служить мерилом выбора СЭС.

Потери электрической энергии в кабельной сети очистного забоя состоят из постоянной ΔЭпост и переменной ΔЭпер составляющих:

Определение потерь электроэнергии в системах электроснабжения очистных забоев 2

(1)

Постоянная составляющая потерь обусловлена не изменяющейся за все время работы 03 нагрузкой (число двигателей, их установленная мощность и длина гибких кабелей остаются постоянными). Переменная составляющая определяется тем, что по мере подвигания забоя уменьшается (при отработке столба обратным ходом) или увеличивается (при прямом ходе) длина низковольтных и высоковольтных бронированных (фидерных) кабелей, а также изменяется (соответственно, уменьшается или растет) нагрузка ленточных конвейеров за счет периодического их сокращения или наращивания.

Например, при питании 03 по схеме на рис. 1, при подвигании 03 будет периодически сокращаться высоковольтный кабель LВК на длину lC, соответствующую шагу перемещения подстанции, а также будет снижаться нагрузка ленточного конвейера ЛК за счет также периодического уменьшения его длины. Таким образом, переменная часть потерь изменяется по величине и во времени. При питании 03 по схеме рис. 2 будет сокращаться высоковольтный LВК и низковольтный LKK бронированные кабели, а также нагрузка ленточного конвейера ЛК2, а по мере того, как он будет выведен из работы, будет происходить периодическое постепенное снижение нагрузки ЛК1.

Определение потерь электроэнергии в системах электроснабжения очистных забоев 3
Рис. 2 – Схема электроснабжения через конвейерный и вентиляционный штреки

где

  • LKK— низковольтный кабель по конвейерному штреку
  • ЛК1, ЛК2 — ленточные конвейеры

Вместе с тем, в гибких кабелях, питающих электродвигатели комбайна забойного конвейера, дробилки, перегружателя и другого ГШО, длина которых остается неизменной, потери электроэнергии определяются режимом работы потребителей и характером нагрузки.

Если бы высоковольтный бронированный кабель не сокращался, то годовые потери электроэнергии в нем могли составить:

Определение потерь электроэнергии в системах электроснабжения очистных забоев 4

(2)

где

  • LВК – длина бронированного кабеля, м
  • τг – годовое время максимальных потерь, ч
  • ΔР – потери мощности, кВт:
Определение потерь электроэнергии в системах электроснабжения очистных забоев 5

(3)

где

  • lМ — максимальный ток, A
  • g, s — проводимость медного кабеля, м/(Ом мм2), и сечение, мм2.

При годовом подвигании забоя Lг, м, произойдет n=Lг/lC сокращений, где lC — подвигание забоя на одно сокращение. На такое же число отрезков сокращается и бронированный кабель. Обозначив через τc число часов максимальных потерь на одно сокращение кабеля, получим потери электроэнергии, кВт ч, за это время до первого сокращения при условии, что:

Определение потерь электроэнергии в системах электроснабжения очистных забоев 6

(4)

Выполняем действия до второго сокращения:

Определение потерь электроэнергии в системах электроснабжения очистных забоев 7

(5)

Выполняем действия до третьего сокращения:

Определение потерь электроэнергии в системах электроснабжения очистных забоев 8

(6)

Выполняем действия до n-го сокращения:

Определение потерь электроэнергии в системах электроснабжения очистных забоев 9

(7)

Просуммировав потери после каждого сокращения и выполнив преобразования с учетом того, что nlc=Lг, получим:

Определение потерь электроэнергии в системах электроснабжения очистных забоев 10

(8)

Выполняем замену:

Определение потерь электроэнергии в системах электроснабжения очистных забоев 11

(9)

Окончательно получим:

Определение потерь электроэнергии в системах электроснабжения очистных забоев 12

(10)

Соотношение (1) отражает процесс уменьшения потерь электроэнергии при сокращении кабеля, когда нагрузка сохраняется постоянной.

Для СЭС, когда при работе 03 производят периодическое наращивание кабеля (отработка столба ведется прямым ходом), изменение потерь электроэнергии определено в [1, 2] и может быть подсчитано по формуле:

Определение потерь электроэнергии в системах электроснабжения очистных забоев 13

(11)

Соотношение постоянных и переменных потерь в СЭС 03 проиллюстрировано расчетом, выполненным для схемы на рис. 1, где приняты следующие параметры:

  • Комбайновые кабели s=70 мм2, LK1=LK2=200 м, ток нагрузки IK1=IK2=126 А , напряжение 1140 В
  • Кабели забойного конвейера s=70 мм2, L1K=L2K=210 м, L3K = 90 м, ток нагрузки I1K=I2K= I3K=100 А, напряжение 1140 В
  • Кабель питания нагрузки конвейерного штрека s=70 мм2, длина LHK=220 м, ток нагрузки IНК=230 А, напряжение 660 В
  • Нагрузка распредпункта РПВ IРПВ=120 А;
  • Высоковольтный бронированный кабель LBK=1200 м, сечение s=35 мм2, IBK= 140А, lс =80 м, τг= 4000 ч, cosϕ=0,8

На рис. 3 показано соотношение потерь постоянных ΔЭпост, переменных ΔЭпер и потерь ΔЭn в трех подстанциях КТПВ 630/6-1,2(0,69) при коэффициенте загрузки K3=0,8.

Определение потерь электроэнергии в системах электроснабжения очистных забоев 14
Рис. 3 – Зависимость постоянных ΔЭпост и переменных ΔЭпер потерь электроэнергии и потерь в трех подстанциях ΔЭn от числа сокращений n бронированного кабеля

Видно, что потери в гибких и бронированных кабелях становятся соизмеримыми уже при числе сокращений n>10. По этой причине увеличение числа сокращений кабеля можно рассматривать как одну из мер энергосбережения. Например, увеличение числа сокращений кабеля с n1=2 до n2=8 может дать экономию электроэнергии до 18,5%. Вместе с тем, при увеличении числа сокращений возникает проблема повторного использования бронированного кабеля, поскольку небольшие по длине отрезки повторно использовать практически невозможно.

Снижение нагрузки по мере отработки запасов угля обратным ходом (от границы столба) происходит за счет сокращения ленточных конвейеров, установленных на конвейерном штреке, т.е. снижается нагрузка на трансформатор подземной участковой передвижной подстанции (ПУПП) и уменьшается длина бронированных кабелей, проложенных по конвейерному штреку, т.е. уменьшаются потери электроэнергии.

При работе прямым ходом, наоборот, по мере увеличения длины конвейерного штрека в нем устанавливают новые ленточные конвейеры, т.е. нагрузка на ПУПП растет, возрастает и длина бронированного кабеля по конвейерному штреку и, следовательно, увеличиваются потери.

Анализ показал, что по конвейерным штрекам устанавливают не более двух ленточных конвейеров общей мощностью 160-400 кВт, что составляет 10-16% общей установленной мощности электродвигателей очистного забоя. Снижение потребляемой ими электроэнергии происходит периодически по мере отработки столба и составляет не более 2-3% на одно сокращение. По этой причине этот процесс не оказывает существенного влияния на общий результат электропотребления очистного забоя и может не учитываться.

Список литературы

  1. Муравьев В.П. Расчет электрических сетей угольных предприятий. — М.: Недра, 1974. — 184 с
  2. Захарова А.Г. Закономерности электропотребления на угольных шахтах Кузбасса: Монография / Гос. учреждение Кузбас. гос. техн. ун-т. — Кемерово, 2002. — 198 с

Источник: Определение потерь электроэнергии в системах электроснабжения очистных забоев / А.Г. Захарова, Г.А. Казунина // Вестник КузГТУ. — 2006. — №1. — C. 58-61

Добавить комментарий

Gekoms LLC

Коллектив экспертов большая часть опыта и знаний которых востребованы в области промышленной автоматизации, разработке технически сложного оборудования, программировании АСУТП, управлении электроприводом. Телефон: +7(812) 317-00-87 Email: info@gekoms.com Сайт: https://gekoms.org