布爾臺煤礦西南區(qū)開采供電電壓等級選擇

羅曉軍

(鄂爾多斯市神東工程設(shè)計有限公司，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017209)

0 引言

布爾臺煤礦是神東煤炭集團(tuán)一座特大型現(xiàn)代化礦井，設(shè)計生產(chǎn)能力20 Mt/a，目前布爾臺煤礦一盤區(qū)42上煤進(jìn)入回采末期，剩余2個工作面，預(yù)計2019年底回采結(jié)束。為了確保礦井20.00 Mt/a的生產(chǎn)規(guī)模，根據(jù)生產(chǎn)接續(xù)安排，2020年初需打開礦井西南區(qū)并進(jìn)行回采。西南區(qū)共計劃分為三、四、五共3個盤區(qū)。三、四、五盤區(qū)現(xiàn)沒有已建任何電壓等級變電站，為保證西南區(qū)三、四、五盤區(qū)開采電力負(fù)荷供應(yīng)，從供電的靠性、供電質(zhì)量2個主要方面論述新建變電站電壓等級選擇。

1 周邊電源條件及現(xiàn)有供電電源

1.1 西南區(qū)周邊電源條件

井田范圍附近有220 kV變電站3座，即烏蘭木倫220 kV變電站、康巴什220 kV變電站、掌崗圖220 kV變電站；110 kV變電站3座，即榆供松定110 kV變電站、鄂供布爾臺110 kV變電站、神東萬利110 kV變電站。在上述變電站中，烏蘭木倫220 kV變電站無備用容量；榆林供電公司松定110 kV變電站及鄂爾多斯供電公司布爾臺110 kV變電站兩站均無110 kV及35 kV出線且擴(kuò)建困難；康巴什220 kV變電站、掌崗圖220 kV變電站現(xiàn)有負(fù)荷較少，可以滿足西南區(qū)開采負(fù)荷需要。由于西南區(qū)-康巴什220 kV變電站及掌崗圖220 kV變電站距離較遠(yuǎn)，35 kV供電明顯不能滿足要求，故只能選擇110 kV電壓等級供電。

1.2 布爾臺煤礦現(xiàn)有供電電源

布爾臺煤礦現(xiàn)有神東萬利110 kV變電站及神東布爾臺松定霍洛立風(fēng)井35 kV箱變兩座變電站。其中，神東萬利110 kV變電站位于布爾臺工業(yè)廣場出口處，變電站現(xiàn)能夠提供35 kV出線柜；松定霍洛立風(fēng)井35 kV箱變位于二盤區(qū)靠近阿大線中間位置處。西南區(qū)開采一期工程有功負(fù)荷Pj=16 479 kW，視在功率Sj=17 202 kVA；二期工程：有功負(fù)荷Pj=46 658 kW；視在功率Sj=47 737 kVA。

2 110 kV、35 kV電壓等級供電分析

2.1 架設(shè)方案

根據(jù)西南區(qū)周邊電源條件調(diào)查，采用110 kV電壓等級供電可靠性較高，電源均取自掌崗圖和康巴什220 kV變電站。根據(jù)現(xiàn)場勘測，康巴什-明安木獨(dú)新建110 kV站的線路長度約為24 km，掌崗圖220 kV站-明安木獨(dú)新建110 kV站的線路長度為30 km，導(dǎo)線選擇型號為LGJ-240型架空導(dǎo)線。若采用35 kV電壓等級供電，則有35 kV單分列導(dǎo)線和35 kV雙分列導(dǎo)線兩種方案可供實(shí)施，電源取自神東萬利110 kV變電站，線路沿布爾臺煤礦大巷架設(shè)，單回線路長度為14 km，導(dǎo)線型號均為LGJ-240型架空導(dǎo)線。

2.2 電壓損失校驗(yàn)

線路電壓損失百分?jǐn)?shù)計算：線路電壓損失百分?jǐn)?shù)的計算見式(1)

(1)

式中：ΔU%—線路電壓損失百分?jǐn)?shù)；R0—線路單位長度電阻，Ω/km；X0—線路單位長度電抗，Ω/km；U—線路額定電壓，kV；P—有功功率，kW；L—線路長度，km；M—負(fù)荷矩，kW·km；Δμ%—線路每1 kW·km負(fù)荷矩時的電壓損失百分?jǐn)?shù)。

計算結(jié)果分析：經(jīng)代值計算，采用110 kV架空線路，Ⅰ、Ⅱ期工程電壓損失ΔU%分別為1.137，3.22。采用35 kV單導(dǎo)線架空線路時，Ⅰ、Ⅱ期工程電壓損失分別為4.96、16.51，值得注意的是，Ⅱ期工程不符合“壓降不超過5%”的相關(guān)規(guī)定[1-3]；采用35 kV雙導(dǎo)線架空線路時，Ⅰ、Ⅱ期工程電壓損失分別為2.48、9.49，同理，Ⅱ期工程不符合相關(guān)規(guī)定。

2.3 電壓偏差校驗(yàn)

110 kV線路供電：系統(tǒng)電壓最低為1.05 Un，負(fù)荷最大時為46.658 MW，110 kV線路末端電壓Ud為1.78。系統(tǒng)電壓最高為1.075 Un，負(fù)荷最小為10 MW，110 kV線路電壓損失Ug為6.81，電壓偏差正負(fù)絕對值之和為1.78+6.81=8.59≤10，符合規(guī)程規(guī)定。

35 kV單導(dǎo)線供電：系統(tǒng)電壓最低為1.05 Un，Ⅰ、Ⅱ期工程負(fù)荷最大時分別為16.479 MW、46.658 MW，Ⅰ、Ⅱ期工程線路末端電壓Ud分別為0.04、-11.51。系統(tǒng)電壓最高為1.075 Un，負(fù)荷最小為10 MW，Ⅰ、Ⅱ期工程線路末端電壓Ug分別為4.49、3.85。Ⅰ期工程電壓偏差正負(fù)絕對值之和為0.04+4.49=4.53≤10，符合規(guī)程要求；Ⅱ期工程電壓偏差正負(fù)絕對值之和為11.51+3.85=15.36≥10，不符合規(guī)程規(guī)定。

35 kV雙分列導(dǎo)線供電：系統(tǒng)電壓最低為1.05 Un，Ⅰ、Ⅱ期工程負(fù)荷最大時為16.479 MW、46.658 MW，Ⅰ、Ⅱ期工程線路末端電壓Ud分別為2.52、-4.49。系統(tǒng)電壓最高為1.075 Un，負(fù)荷最小時為10 MW，Ⅰ、Ⅱ期工程線路末端電壓Ug分別為6、5.35。Ⅰ期工程電壓偏差正負(fù)絕對值之和為2.52+6=8.52≤10，符合規(guī)程規(guī)定；Ⅱ期工程電壓偏差正負(fù)絕對值之和為4.49+5.35=9.84≤10，符合規(guī)程規(guī)定。

2.4 經(jīng)濟(jì)輸送功率計算

經(jīng)濟(jì)輸送功率計算：經(jīng)濟(jì)輸送功率計算見式(2)[4-6]

(2)

式中：P—經(jīng)濟(jì)輸送功率，kW；S—導(dǎo)線截面，mm2；Ue—線路額定電壓，kV；J—經(jīng)濟(jì)電流密度，A/mm2。式中經(jīng)濟(jì)電流密度取值按照最大負(fù)荷利用小時數(shù)為3 000～5 000檔取值，則鋁線經(jīng)濟(jì)電流密度取值為1.15 A/mm2。

計算結(jié)果分析：經(jīng)計算，采用110 kV架空線路，經(jīng)濟(jì)輸送功率P為49 954 kW。采用35 kV單、雙導(dǎo)線架空線路經(jīng)濟(jì)輸送功率P分別為15 895 kW、31 790 kW。

2.5 功率損耗

功率損耗計算：功率損耗ΔP的計算方式見式(3)[7-10]

(3)

式中：P—有功功率，kW；U—線路的額定線電壓，kV；cosφ—功率因數(shù)；R—線路電阻，Ω。

計算結(jié)果分析：經(jīng)代值計算，采用110 kV架空線路，功率損耗ΔP為777.75 kW。采用35 kV單、雙導(dǎo)線架空線路功率損耗ΔP分別為4 663 kW、1 399 kW。

2.6 電能損耗

電能損耗計算：電能損耗ΔA的計算方式見式(4)[11-13]

ΔA=ΔPyp×8 760+ΔPmax·τ

(4)

式中：ΔPyp—年平均電能損耗，MW；ΔPmax—最大負(fù)荷時有功功率損耗，MW；τ—損耗小時數(shù)。

計算結(jié)果分析：經(jīng)代值計算，采用110 kV架空線路，電能損耗ΔA為2 051 MW·h。采用35 kV單、雙導(dǎo)線架空線路電能損耗ΔA分別為10 258.6 MW·h、3 077.8 MW·h。通過上述計算結(jié)果可以看出，110 kV輸電線路比35 kV雙分列導(dǎo)線輸電線路每年至少節(jié)約電能1 026 MW·h，比35 kV單導(dǎo)線每年至少節(jié)約電能8 207 MW·h，現(xiàn)按電費(fèi)0.5元/kW·h計算，采用110 kV電壓等級供電比采用35 kV電壓等級供電每年至少節(jié)約電費(fèi)1 026 000×0.5=51.3萬元。據(jù)此采用高電壓等級供電時能夠明顯降低輸電線路上的電能損耗，以達(dá)到節(jié)能降耗目的，采用110 kV電壓供電較為經(jīng)濟(jì)。

2.7 供電可靠性分析

110 kV供電可靠性分析：《煤礦安全規(guī)程》2016第435條規(guī)定：“礦井應(yīng)當(dāng)有兩回路電源線路(即來自兩個不同變電站或者來自不同電源進(jìn)線的同一變電站的兩段母線)”。布爾臺西南區(qū)開采110 kV電源分別引自康巴什220 kV變電站和掌崗圖220 kV變電站，兩個變電站相互獨(dú)立，若一個220 kV變電站出線故障，另一個220 kV變電站可以提供全部負(fù)荷，供電可靠性高。且布爾臺煤礦擁有2座110 kV變電站通過聯(lián)絡(luò)線后可以互為電源備用，可以減輕神東萬利110 kV站對布爾臺區(qū)域的供電壓力。

35 kV供電可靠性分析：若采用35 kV電壓等級供電，則雙回路電源引自神東萬利110 kV變電站35 kV母線的不同母線段。神東萬利110 kV變電站110 kV雙回路電源引自不同電源進(jìn)線的烏蘭木倫220 kV變電站，此時神東萬利110 kV站作為布爾臺煤礦全礦井的主供電源亦符合《煤礦安全規(guī)程》規(guī)定，供電可靠性略低于110 kV供電。

3 結(jié)語

現(xiàn)行規(guī)程及規(guī)范對輸電線路的電壓偏差、電壓降等電能質(zhì)量指標(biāo)均做出了具體規(guī)定，綜合比較后容易看出，將線路的電壓損失控制在額定電壓的5%以內(nèi)，既能夠很好的保證電能質(zhì)量，又能保證電力系統(tǒng)輸電線路節(jié)能要求，且在條件允許時應(yīng)優(yōu)先采用高電壓等級供電。該供電電壓等級分析的思路，可以在大型礦區(qū)輸電線路電壓等級選擇時予以應(yīng)用，具有一定的借鑒作用。