電纜回收方式對(duì)綜采工作面遠(yuǎn)距離供電影響分析

閻東慧， 范生軍， 侯剛， 楊斐文， 榮相， 王越， 歐陽(yáng)敏

(1.大同煤礦集團(tuán)有限責(zé)任公司， 山西 大同 037003；2.陜煤集團(tuán) 神木張家峁礦業(yè)有限公司， 陜西 榆林 719313;3.中煤科工開采研究院有限公司， 北京 100013; 4.天地(常州)自動(dòng)化股份有限公司， 江蘇 常州 213015)

0 引言

隨著煤礦開采技術(shù)的不斷發(fā)展，對(duì)綜采裝備在高效生產(chǎn)、安全可靠、智能控制等方面提出了更高的要求[1-2]，傳統(tǒng)近距離供電方式的弊端日益明顯[3]。近距離供電采用設(shè)備列車安置在運(yùn)輸巷道中，壓縮了巷道空間，不便于通風(fēng)和設(shè)備維護(hù)，易產(chǎn)生底鼓現(xiàn)象,導(dǎo)致巷道變形，存在不安全因素。因此，迫切需要對(duì)煤礦綜采工作面采用遠(yuǎn)距離供電技術(shù)[4-6]。相應(yīng)地，需要采用自移電纜列車、單軌電纜回收吊、伸縮式電纜卷盤車等方式解決遠(yuǎn)距離供電時(shí)的電纜回收問題。但遠(yuǎn)距離供電中干線壓損問題較突出，制約了最遠(yuǎn)供電距離和設(shè)備帶載能力。因此，探究電纜回收方式及回收距離對(duì)遠(yuǎn)距離供電的影響，降低干線壓損，顯得尤為重要。文獻(xiàn)[7-8]分別針對(duì)梭車和采煤機(jī)的工作特點(diǎn)設(shè)計(jì)了電纜回收裝置，并開發(fā)出了配套電控系統(tǒng)。文獻(xiàn)[9]提出了一種新型管線拖掛單軌吊設(shè)備。文獻(xiàn)[10]設(shè)計(jì)出了一種以旋轉(zhuǎn)及導(dǎo)向機(jī)構(gòu)為核心的電纜回收機(jī)構(gòu)。以上研究主要側(cè)重電纜回收裝置的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，而對(duì)電纜回收方式對(duì)綜采工作面遠(yuǎn)距離供電的影響研究較少。電纜執(zhí)行回收操作會(huì)造成自身結(jié)構(gòu)形變，因不同的回收方式，呈現(xiàn)出卷、盤、彎曲等不同的形變狀態(tài)，從而造成電纜分布參數(shù)存在差異，進(jìn)而對(duì)遠(yuǎn)距離供電中干線壓損產(chǎn)生不同影響。文獻(xiàn)[11]基于終端開路的傳輸線測(cè)試方式對(duì)電纜分布參數(shù)的解析模型進(jìn)行求解，但實(shí)現(xiàn)流程復(fù)雜，制約了分布參數(shù)的提取精度和適用范圍。文獻(xiàn)[12]針對(duì)直線電纜利用ANSYS軟件建立了幾種常見電纜的二維布局模型，對(duì)電纜分布參數(shù)進(jìn)行了仿真計(jì)算，豐富了電纜電氣特性研究手段，但所采用的二維分析方法不適合對(duì)電纜回收過程中的大形變進(jìn)行分析。

針對(duì)以上問題，本文結(jié)合有限元仿真軟件與電力系統(tǒng)仿真軟件的專業(yè)優(yōu)勢(shì)，根據(jù)單軌吊、電纜車的工作原理，利用ANSYS分析電纜在回收過程中分布參數(shù)的變化，直觀反映電磁熱參量的空間分布情況；將所求分布參數(shù)代入ETAP(Electrical Transient Analysis Program,電力瞬時(shí)分析軟件)，分析電纜回收方式對(duì)綜采工作面遠(yuǎn)距離供電的影響。

1 回收方式對(duì)電纜分布參數(shù)的影響

1.1 直線電纜的分布參數(shù)

電纜分布參數(shù)的解析計(jì)算方法求解精度和適用范圍受限，對(duì)電纜執(zhí)行回收操作造成盤、卷、彎曲變形時(shí)的分布參數(shù)更無(wú)法計(jì)算。利用ANSYS可以實(shí)現(xiàn)電纜快速建模、分布參數(shù)提取、電磁熱參量分布的全面仿真分析[13-14]。

本文以山西同煤集團(tuán)某礦某綜采工作面遠(yuǎn)距離供電系統(tǒng)為研究對(duì)象，對(duì)比變形電纜與直線電纜分布參數(shù)的變化，揭示其變化規(guī)律。供電系統(tǒng)干線采用MYPT 1.9/3.3 3×185型礦用電纜，電纜標(biāo)稱尺寸參數(shù)見表1。

表1 MYPT 1.9/3.3 3×185型電纜的標(biāo)稱尺寸參數(shù)Table 1 Nominal size parameters of MYPT 1.9/3.3 3×185 cable

忽略電纜的地線芯、控制線芯等結(jié)構(gòu)，等效為動(dòng)力線芯等呈三相品字形布局。利用ANSYS對(duì)電纜的頻域傳輸特性進(jìn)行電磁場(chǎng)分析，仿真得到直線MYPT 1.9/3.3 3×185型礦用電纜的分布參數(shù)，見表2。

表2 直線電纜的分布參數(shù)Table 2 Distribution parameters of linear cables

1.2 單軌吊回收方式對(duì)電纜分布參數(shù)的影響

單軌吊具有較高的機(jī)械化和自動(dòng)控制水平，由乳化液泵站提供動(dòng)力源，通過步進(jìn)推移裝置實(shí)現(xiàn)電纜在開采過程中的高效運(yùn)輸。隨著工作面的推進(jìn)，單軌吊相應(yīng)采用伸展和收縮工作模式。在伸展模式下，電纜處于直線狀態(tài)，分布參數(shù)與表2一致。因此，本文重點(diǎn)分析收縮模式對(duì)電纜分布參數(shù)、磁熱特性的影響。

根據(jù)單軌吊的工作原理，當(dāng)電纜處于收縮狀態(tài)時(shí)，形成了背靠背對(duì)稱的彎曲變形，結(jié)合表1所示的電纜截面幾何尺寸參數(shù)，取單變形結(jié)構(gòu)建立電纜的三維仿真模型，如圖1所示。

圖1 電纜處于收縮狀態(tài)時(shí)的三維仿真模型Fig.1 Three-dimensional simulation model when the cable is in a contracted state

設(shè)置源-端激勵(lì)信號(hào)，施加350 A電流載荷，選擇低頻準(zhǔn)靜態(tài)磁場(chǎng)，設(shè)置奇對(duì)稱邊界條件以提高計(jì)算效率，利用ANSYS得到電纜收縮狀態(tài)時(shí)的電磁場(chǎng)仿真結(jié)果，如圖2所示。據(jù)此可直觀反映出電纜彎曲變形時(shí)的空間電磁場(chǎng)分布情況。當(dāng)電流載荷為350 A時(shí)，電流密度的最大值為1.5×106A/m2，磁感應(yīng)強(qiáng)度的最大值為6.3×103A/m，磁場(chǎng)強(qiáng)度的最大值為7.9×10-3T。在趨膚效應(yīng)的作用下，電磁場(chǎng)表征參量集中分布在動(dòng)力線導(dǎo)體的表面，且由動(dòng)力線芯及外逐漸減小，直至邊界處磁感應(yīng)強(qiáng)度僅為7.9×10-2A/m，磁場(chǎng)強(qiáng)度僅為9.9×10-8T。

(a) 電流密度

由圖2可知，電纜彎曲變形時(shí)，電磁場(chǎng)分布會(huì)發(fā)生變化，隨之電容值、電導(dǎo)值、電阻值及電感值也會(huì)改變。電纜處于收縮狀態(tài)時(shí)的分布參數(shù)見表3。

表3 電纜處于收縮狀態(tài)時(shí)的分布參數(shù)Table 3 Distribution parameters when the cable is in a contracted state

由表3可知，與表2對(duì)比，電容值、電導(dǎo)值和電阻值相應(yīng)增大，分別增大了1.4 %，1.41 %，0.60 %，但基本保持同一數(shù)量級(jí)。電感值減小了29.2%，影響最為顯著。

電容值和電感值的三相不均值性進(jìn)一步擴(kuò)大，該現(xiàn)象與電纜空間結(jié)構(gòu)的不對(duì)稱性有關(guān)。線芯1的電容值和電感值大于線芯2和線芯3。這是由于線芯1處于最外側(cè)，而線芯2和線芯3則位于內(nèi)側(cè)，彎曲形變減小了耦合距離，進(jìn)而增大了分布電容；增大了電流回路，進(jìn)而增大了分布電感。

1.3 電纜車回收方式對(duì)電纜分布參數(shù)的影響

將4節(jié)設(shè)備列車作為一個(gè)平臺(tái)，在該平臺(tái)的4個(gè)角落處焊接鋼柱，將電纜盤在4個(gè)鋼柱內(nèi)，可改裝為簡(jiǎn)易的電纜車回收裝置。根據(jù)線纜的截面規(guī)格大小，電纜盤繞時(shí)采用8字形或0形方式人工盤繞。MYPT 1.9/3.3 3×185型礦用電纜適用0形卷盤方式。與單軌吊設(shè)置相同電纜長(zhǎng)度，取最大變形處構(gòu)建電纜處于卷盤狀態(tài)時(shí)的三維仿真模型。

利用ANSYS進(jìn)行仿真分析，設(shè)置各激勵(lì)條件與單軌吊一致。電纜處于卷盤狀態(tài)時(shí)的電磁場(chǎng)仿真結(jié)果如圖3所示。

(a) 電流密度

從圖2、圖3可看出，2種回收狀態(tài)下，電磁場(chǎng)表征參量的分布規(guī)律相同，但在數(shù)值上存在差異。

利用ANSYS 得到電纜處于卷盤狀態(tài)時(shí)的分布參數(shù)，見表4。

表4 電纜處于卷盤狀態(tài)時(shí)的分布參數(shù)Table 4 Distribution parameters when the cable is in the reel state

對(duì)比于表3，電容值減小了1.3 %，電導(dǎo)值減小了1.6 %，電阻值減小了0.1 %，電感值減小了14.3 %。對(duì)比于表2，電容值增加了0.1 %，電導(dǎo)值減小了0.2 %，電阻值增加了0.9 %，電感值減小了19.2 %。

2 2種回收方式下電纜的散熱分析

在電磁仿真的基礎(chǔ)上，將軟件計(jì)算出的各動(dòng)力線芯損耗值導(dǎo)入至熱仿真軟件，并進(jìn)行熱流操作設(shè)置[15]，建立電纜6層疊加的簡(jiǎn)化模型，電纜切面的溫度云圖如圖4所示。

(a) 單軌吊回收方式

從圖4可看出，自然冷卻方式下，由于多層螺旋卷盤造成熱聚集，采用電纜車回收方式時(shí)的電纜溫度高于采用單軌吊回收方式時(shí)的電纜溫度，兩者相差11 ℃，不利于電纜的快速散熱。同時(shí)，考慮到實(shí)際疊層數(shù)和盤卷長(zhǎng)度更大，電纜散熱效果更差。

3 回收方式對(duì)綜采工作面遠(yuǎn)距離供電的影響

上述研究表明：電纜執(zhí)行回收操作造成盤、卷、彎曲變形導(dǎo)致電容值、電導(dǎo)值和電阻值小幅變化，電感值大幅減小。采用單軌吊回收方式時(shí)，電纜變形程度更大，單位長(zhǎng)度電感值更小，降幅高達(dá)29%。電纜分布參數(shù)的變化導(dǎo)致干線壓損有所改變，進(jìn)而影響最遠(yuǎn)供電距離和設(shè)備帶載能力。

根據(jù)同煤集團(tuán)某礦某綜采工作面供電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求，將3臺(tái)3 150 kVA/10 kV/3.3 kV動(dòng)力負(fù)荷中心從工作面設(shè)備列車處改裝到工作面膠帶運(yùn)料斜巷處，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離供電。參考該供電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求，利用ETAP建立供電系統(tǒng)模型進(jìn)行潮流計(jì)算仿真研究[16-17]。其中，采煤機(jī)供電網(wǎng)絡(luò)模型如圖5所示。模型設(shè)置電網(wǎng)所傳送的電壓為10 kV，經(jīng)移動(dòng)變電站輸出3.45 kV電壓向采煤機(jī)供電。

分別將采用單軌吊、電纜車回收方式時(shí)的分布參數(shù)單獨(dú)導(dǎo)入仿真模型，對(duì)比電纜回收方式對(duì)壓損指標(biāo)參量的影響。設(shè)置電纜長(zhǎng)度均為500 m，得到不同回收方式下的干線壓損，見表5。

表5 不同回收方式下的干線壓損Table 5 Main line voltage loss under different recovery methods

由表5可知，采用單軌吊回收方式時(shí)的干線壓損指標(biāo)優(yōu)于電纜車回收方式。單軌吊回收方式在自動(dòng)化程度、電纜散熱及干線壓損方面更具優(yōu)勢(shì)。

煤礦實(shí)際生產(chǎn)過程中，電纜的最大回收距離有限，且有單軌吊和電纜車2種回收方式并用的情況。因此，供電干路采用3根電纜串聯(lián)來模擬直線電纜和2種回收電纜的物理連接。探討超遠(yuǎn)供電條件，設(shè)置3段電纜的總長(zhǎng)度為3 000 m，2種方式的回收距離以800 m為限，電纜回收距離與采煤機(jī)供電干線總壓損如圖6所示。

圖6 電纜回收距離與采煤機(jī)供電干線總壓損關(guān)系Fig.6 Relation between cable recovery distance and total voltage loss of main power line of shearer

由圖6可知，在電纜分布參數(shù)、電纜長(zhǎng)度及采煤機(jī)電氣參數(shù)的耦合作用下，當(dāng)供電距離一定且2種回收方式并用時(shí)，電纜回收距離與供電干線總壓損沒有明確的正負(fù)相關(guān)及線性關(guān)系。

對(duì)于破碎機(jī)、轉(zhuǎn)載機(jī)及刮板輸送機(jī)供電干線，總壓損的變化趨勢(shì)一致，如圖7、圖8所示。隨著電纜回收距離的增加，遠(yuǎn)距離供電系統(tǒng)各干線總壓損整體呈下降趨勢(shì)，局部呈上升趨勢(shì)。

圖7 電纜回收距離與轉(zhuǎn)載機(jī)、破碎機(jī)供電干線總壓損關(guān)系Fig.7 Relation between cable recovery distance and total voltage loss of main power line of reversed loader and crusher

圖8 電纜回收距離與刮板輸送機(jī)供電干線總壓損關(guān)系Fig.8 Relation between cable recovery distance and total voltage loss of main power line of scraper conveyor

4 結(jié)論

(1) 電纜執(zhí)行回收操作造成盤、卷、彎曲變形導(dǎo)致電容值、電導(dǎo)值和電阻值小幅變化，電感值大幅減小。采用單軌吊回收方式時(shí)，電纜變形程度更大，單位長(zhǎng)度電感值更小，降幅高達(dá)29%。

(2) 由于多層螺旋卷盤造成熱聚集，采用電纜車回收方式時(shí)的電纜溫度高于采用單軌吊回收方式時(shí)的電纜溫度，不利于電纜快速散熱。

(3) 采用單軌吊回收方式時(shí)的供電干線壓損指標(biāo)優(yōu)于電纜車回收方式。

(4) 隨著電纜回收距離的增加，綜采工作面遠(yuǎn)距離供電系統(tǒng)各干線總壓損整體呈下降趨勢(shì)，局部呈上升趨勢(shì)。