矿山立井施工变压器容量选择方法研究

摘要：通过对矿山立井施工变压器容量一般选择方法的分析，阐明了工程领域采用需要系数法选择设备的局限性，并提出在充分了解施工工艺过程、非常熟悉施工用电设备工作状况的基础上，采用绘制电力负荷曲线的方法能够更合理地选择变压器容量。

关键词：矿山立井；变压器容量；需要系数法；电力负荷曲线

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

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

在我国新建坑内矿山基建期间，需要配置大量的10 kV(或6 kV)施工变配电所。施工变配电所的电源一般引自地方区域电网的上一级变电站，由于受地方电网的制约，施工变配电所的设计必须考虑诸多因素，如变配电所主接线形式、无功补偿及计量方式等，其所内变压器容量的选择尤为重要。变压器容量的选择偏小会影响配电系统的正常运行，选择偏大会给企业或投资者造成不必要的投资浪费。因此，如何合理地选择变压器容量是矿山立井施工变配电所设计的关键所在。长期以来，矿山立井施工变压器容量的选择偏大几乎成了一种极为普遍的现象，因变压器容量选择偏大带来的经济损失往往不易被察觉，即使觉察到了也没有十分有效的解决办法，因此，这成了多年来摆在广大工程技术人员面前亟待解决的一项课题。

本文介绍了目前矿山立井施工变压器容量的一般选择方法，并结合矿山立井施工实例，分析了变压器容量选择方法的合理性，通过研究立井施工工艺与其用电设备的内在联系，归纳出在立井施工过程中合理选择变压器容量的一套切实可行的方法。

1　矿山立井施工变压器容量的选择方法

矿山立井施工变压器容量的选择同矿山企业其他变压器容量的选择一样，一般均采用需要系数法[1]。由于该方法简单易行且适用于工程设计的各个阶段，所以被广大工程技术人员所普遍接受。变压器容量的选择都是以电力负荷计算为基础的，通过电力负荷计算所求得的计算负荷，又称需要负荷或最大负荷，通常采用30 min最大平均负荷作为按发热条件选择电器和导体的依据[2]。在已知设备容量和需要系数后，即可求出计算负荷。有功计算负荷Pjs、无功计算负荷Qjs、视在计算负荷Sjs的计算公式如下：

式中:Pe为电气设备的额定功率，kW；Kx为电气设备的需要系数；φ为功率因数角。

依据式(1)—式(3)，施工单位一般便可根据投入使用的电气设备名称和数量，进行负荷计算。采用需要系数法计算的某工程措施井施工用电负荷计算结果见表1。

表1　措施井施工用电负荷计算结果

[HT]　　由表1可知，补偿前视在功率为1 265 kVA，补偿后视在功率为910 kVA。实际选择变压器容量时有2种可能：当不设置低压无功补偿时，可选择变压器容量为1 250 kVA或1 600 kVA；当设置低压无功补偿时，一般选择1 000 kVA或1 250 kVA。以上2种选择均符合要求，但不一定合适。笔者认为，只有当变压器实际运行状况与选择相一致或相接近时才可以认为合适。但是，当变压器投入运行后，即使发现不合适也很难对其进行更换，因为这不仅仅是费用问题，还要涉及到向电力部门办理用电手续变更等问题。因此，有必要事先对变压器容量的常规选择方法加以讨论和研究，分析导致变压器容量偏差的症结所在，客观评价其准确程度，从而寻找出一种新的、切实可行的选择方法。

2　变压器容量选择方法的合理性分析

变压器容量的选择只需根据常规方法进行负荷计算、满足规范要求就可认为是合理的，而是否合适才是企业或投资者所必须关注的问题。合适是指满足以下2个条件：① 在任何工况、任何时段内用电设备正常与安全运行；② 运行费用最低。这里的运行费用是指当采用两部电价制向供电公司支付费用时的基本电费，因此，从这个角度来讲，变压器容量越小越合适。

通过分析上述工程实例的用电负荷计算过程可知，影响变压器容量的选择主要取决于5种因素：电气设备的额定功率Pe，电气设备的需要系数Kx，功率因数角的正切值tan φ，变电所的同时系数和无功补偿量。其中电气设备的额定功率、功率因数角的正切值以及变电所的无功补偿量很容易确定，一般不会对变压器容量选择的准确程度造成影响，而电气设备的需要系数和变电所的同时系数选择范围比较宽泛，是影响变压器容量选择的关键因素，因此,本文仅对这2种因素进行分析。

电气设备的需要系数Kx是由公式Kx=KtKfz/η简化而来[3]，式中Kt为设备的同时使用系数,Kt等于在最大负荷时某组工作着的用电设备容量与线路中全部用电设备总容量的比值；Kfz为负载系数，表示在最大负荷时，所有工作着的用电设备实际所需的功率与全部被投入用电设备总容量的比值；η为用电设备运行于实际功率时的效率。若令Kfz=η(实际中Kfz与η基本相等)，则Kx=Kt，所以只需考虑Kt就可以了(考虑Kt更方便通过画图来分析负荷分布情况，此处不再赘述)。工程中Kt的取值范围为0<Kt≤1，该取值来源于大量的测定和统计，多数情况下其值不能够与实际情况相吻合，因此具有很大的局限性和主观性，加上受设计人员的个人经验影响，极易导致取值不合理，也就直接影响了变压器容量的合理选择。

工程中一般规定变电所的同时系数取值范围为0.8～0.9，该值是否科学与合理很难证实。另外，普遍认为，采用需要系数来选择变压器容量，对于用电设备足够多、设备容量差异不大、设备工作制类型不是很复杂的情况，是较为适宜的，否则偏差会加大，变压器容量的选择也更加趋于不合理。因此，为使变压器选择更加趋于合理，有必要寻找出其他方式来选择变压器的容量。

3　降低变压器容量的方法

目前最有效、也最为通用的降低变压器容量的方法是设置低压无功补偿装置，但因为现场实际用电负荷多种多样，所以还必须具体情况具体分析。笔者认为,在充分了解施工工艺过程、非常熟悉施工用电设备工作状况的基础上，采用绘制电力负荷曲线的方法，能够有效地降低变压器容量。电力负荷曲线可以将施工用电设备与施工工艺过程密切结合起来，使得在某个时段内，如某日、某月或某年内，最大负荷很直观地显现出来。当然，该方法不仅适用于各种不同场合的电力变压器容量的选择，而且也适用于用电设备台数较少、工艺过程不太复杂的情况。为方便起见，仍以上述工程为例来加以说明。

该矿山立井施工的工艺概况：施工完全采用机械化作业方式，施工工序可概括为凿岩、爆破、装岩和砌壁，其详细作业内容与作业时间见表2。

根据表1中所提供的用电设备，结合表2中的详细作业内容，可以将具体的用电设备与每道工序结合起来，如在第1道凿岩准备工序中包含2项内容：① 交接班及安全检查；② 下伞钻及凿岩准备。下伞钻只需投入1台55 kW的凿井绞车，此时凿井绞车工作时间很短，在10 min内便可完成；当进入到第2道工序凿岩时，1台250 kW、2台110 kW空压机及2台55 kW通风机投入运行，再加上50 kW其他负荷，负荷P总计为630 kW，运行时间长达6 h，此段负荷最大，成为影响变压器容量选择的关键性用电设备。依此类推，可以将该立井施工的1个作业循环的用电设备使用情况粗略地描述出来，并绘制电力负荷曲线，如图1所示。

图1是按照每段工序投入运行的设备容量相加而得，可以看出，所选择的变压器只要满足凿岩情况即可，因此，可以根据630 kW来确定变压器容量。在变压器低压侧加无功补偿，使其功率因数达到0.9时，视在功率为700 kVA，据此可以初选变压器容量为800 kVA。

以上变压器容量的选择只考虑了用电设备在最大负荷时段额定运行时的功率输出情况，而未考虑大容量电动机启动时对电网电压允许偏差的影响、启动容量的限制以及变压器过负荷能力的要求。一般来讲，采用全压启动的电动机会对电网造成很大冲击，尤其是大容量电动机，这一点在选择变压器容量时必须充分考虑。工程上规定，经常启动的电动机其电压降不得超过10%，不经常启动的电动机其电压降不得超过15%；电动机的启动容量不得超过电源容量和变压器的过负荷能力[4]，否则，必须对电动机采取降压启动方式或加大变压器容量。下面以本例中最大一台空压机为例进行计算，来校验初选变压器容量为800 kVA是否合适。

已知空压机配置1台Y2-355M-4笼型电动机，额定功率Pe=250 kW，额定电压Ue=380 V，额定电流Ie=458 A，功率因数cos φ=0.88，额定效率ηe=0.94，启动电流倍数Kq=6.5，电动机接线方式为Y-Δ时，启动电流倍数Kqy-Δ=6.5/3=2.17；由1台S11-800/10变压器供电，变压器额定容量Sb=800 kVA，变比为10/0.4 kV，阻抗电压百分比Ud=0.045；变压器一次侧短路容量S″=50Sb=40 MVA(无系统短路数据)，母线其他负荷功率因数取cos φfh=0.7，母线其他负荷Sfh=0.42 MVA(估算)。由于接至电动机的距离较短，线路阻抗可忽略，即XI=0。计算过程如下：

(1) 电动机启动容量及启动时的母线电压偏差和电动机端电压偏差校验。电动机的额定容量为

Uqm>0.9，满足电压偏差要求。由于XI=0，电动机启动时的端电压相对值等于电动机启动时的母线电压相对值Uqm，所以也符合对电动机频繁启动情况下端电压不低于90%的规定。

(2) 变压器过负荷校验。800 kVA变压器二次额定电流为1 155 A，250 kW电动机采用Y-Δ方式降压启动时，启动电流为2.17×458=994 A，电动机的启动电流与变压器的额定电流之比为994/1 155=0.86。根据工程规定，若电动机每昼夜启动6次，每次启动持续时间不超过15 s，变压器负荷率小于90%(或每次启动持续时间不超过30 s，变压器负荷率小于70%)，则最大启动电流允许值为变压器额定电流的4倍。若电动机每昼夜启动1 020次(或每次启动持续时间不超过30 s，变压器负荷率小于70%)，则允许最大启动电流相应减小为变压器额定电流的23倍。通过校验可知，800 kVA的变压器完全满足过负荷要求。

4　降低变压器容量的意义

根据我国电力部门的规定[5]，大工业用电的用户按两部电价制收费，基本电费加电度电费，基本电费是与用电量无关的，当以变压器容量作为基本电费收取时，用户便不得不考虑该变压器容量的选择。选择合适的变压器容量不仅会减少初期的设备投资，更重要的是运行费用会大幅度降低。如本文的例子中将变压器容量由1 250 kVA(是否加无功补偿都可以选取的容量)降为800 kVA，容量减少了450 kVA，若按每月22元/ kVA收取基本电费，每年可节省118 800元的支出。这只是某个工程的其中1条井、1座变电所，如果变电所的数量增加至10座乃至20座，则每年节省的费用相当可观。如果企业的终端变电所电压等级为35、66、110 kV，变压器台数为2台及以上，容量达20 000 kVA以上，则选择合适的变压器给企业带来的经济效益将更大。

5　结语

对矿山立井施工变压器容量选择普遍采用的需要系数法进行了合理性分析，并结合施工工程实例，在熟悉施工工艺及设备的基础上，提出了一种通过绘制电力负荷曲线来有效降低变压器容量的方法。该方法不仅可降低企业的设备投资，也降低了电费的支出，给企业创造了极大的经济效益。

[1]　长沙黑色金属矿山设计院.黑色金属矿山企业电力设计参考资料[M].北京:冶金工业出版社,1979.

[2]　中国航空工业规划设计研究院.工业与民用配电设计手册[M].3版.北京:中国电力出版社,2005.

[4]　钢铁企业电力设计手册编委会.钢铁企业电力设计手册[M].北京:冶金工业出版社,1996.

[5]　国家能源局.供电营业规则[EB/OL].(2012-01-04)[2015-09-04]. http://www.nea.gov.cn/2012-01/04/c_131262676.htm.

关恒祝，丁桂宝，肖群.矿山立井施工变压器容量选择方法研究[J].工矿自动化，2016,42(1)：67-70.

作者简介：关恒祝(1957-)，男，辽宁辽阳人，教授级高级工程师，主要从事矿山机电的规划、管理和矿山供配电及自动化工程的设计与研究工作，E-mail:dtgkyghz@126.com。

收稿日期：2015-10-09；修回日期：2015-11-25；责任编辑：胡娴。

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

矿山立井施工变压器容量选择方法研究

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

0 引言

1 矿山立井施工变压器容量的选择方法

2 变压器容量选择方法的合理性分析

3 降低变压器容量的方法