0 引言
随着煤矿开采技术的不断发展，对综采装备在高效生产、安全可靠、智能控制等方面提出了更高的要求[1-2]，传统近距离供电方式的弊端日益明显[3]。近距离供电采用设备列车安置在运输巷道中，压缩了巷道空间，不便于通风和设备维护，易产生底鼓现象,导致巷道变形，存在不安全因素。因此，迫切需要对煤矿综采工作面采用远距离供电技术[4-6]。相应地，需要采用自移电缆列车、单轨电缆回收吊、伸缩式电缆卷盘车等方式解决远距离供电时的电缆回收问题。但远距离供电中干线压损问题较突出，制约了最远供电距离和设备带载能力。因此，探究电缆回收方式及回收距离对远距离供电的影响，降低干线压损，显得尤为重要。文献[7-8]分别针对梭车和采煤机的工作特点设计了电缆回收装置，并开发出了配套电控系统。文献[9]提出了一种新型管线拖挂单轨吊设备。文献[10]设计出了一种以旋转及导向机构为核心的电缆回收机构。以上研究主要侧重电缆回收装置的设计与实现，而对电缆回收方式对综采工作面远距离供电的影响研究较少。电缆执行回收操作会造成自身结构形变，因不同的回收方式，呈现出卷、盘、弯曲等不同的形变状态，从而造成电缆分布参数存在差异，进而对远距离供电中干线压损产生不同影响。文献[11]基于终端开路的传输线测试方式对电缆分布参数的解析模型进行求解，但实现流程复杂，制约了分布参数的提取精度和适用范围。文献[12]针对直线电缆利用ANSYS软件建立了几种常见电缆的二维布局模型，对电缆分布参数进行了仿真计算，丰富了电缆电气特性研究手段，但所采用的二维分析方法不适合对电缆回收过程中的大形变进行分析。
针对以上问题，本文结合有限元仿真软件与电力系统仿真软件的专业优势，根据单轨吊、电缆车的工作原理，利用ANSYS分析电缆在回收过程中分布参数的变化，直观反映电磁热参量的空间分布情况；将所求分布参数代入ETAP(Electrical Transient Analysis Program,电力瞬时分析软件)，分析电缆回收方式对综采工作面远距离供电的影响。
1 回收方式对电缆分布参数的影响
1.1 直线电缆的分布参数
电缆分布参数的解析计算方法求解精度和适用范围受限，对电缆执行回收操作造成盘、卷、弯曲变形时的分布参数更无法计算。利用ANSYS可以实现电缆快速建模、分布参数提取、电磁热参量分布的全面仿真分析[13-14]。
本文以山西同煤集团某矿某综采工作面远距离供电系统为研究对象，对比变形电缆与直线电缆分布参数的变化，揭示其变化规律。供电系统干线采用MYPT 1.9/3.3 3×185型矿用电缆，电缆标称尺寸参数见表1。
表1 MYPT 1.9/3.3 3×185型电缆的标称尺寸参数
Table 1 Nominal size parameters of MYPT 1.9/3.3 3×185 cable
芯数×标称截面积/mm2标称厚度 /mm动力线芯动力线芯绝缘护套3×1853.26
忽略电缆的地线芯、控制线芯等结构，等效为动力线芯等呈三相品字形布局。利用ANSYS对电缆的频域传输特性进行电磁场分析，仿真得到直线MYPT 1.9/3.3 3×185型矿用电缆的分布参数，见表2。
表2 直线电缆的分布参数
Table 2 Distribution parameters of linear cables
线芯电容C/(F·m-1)电导G/(mS·m-1)电阻R/(Ω·m-1)电感L/(H·m-1)11.021×10-103.834×10-127.087×10-51.279×10-621.020×10-103.836×10-127.146×10-51.279×10-631.020×10-103.841×10-127.140×10-51.278×10-6
1.2 单轨吊回收方式对电缆分布参数的影响
单轨吊具有较高的机械化和自动控制水平，由乳化液泵站提供动力源，通过步进推移装置实现电缆在开采过程中的高效运输。随着工作面的推进，单轨吊相应采用伸展和收缩工作模式。在伸展模式下，电缆处于直线状态，分布参数与表2一致。因此，本文重点分析收缩模式对电缆分布参数、磁热特性的影响。
根据单轨吊的工作原理，当电缆处于收缩状态时，形成了背靠背对称的弯曲变形，结合表1所示的电缆截面几何尺寸参数，取单变形结构建立电缆的三维仿真模型，如图1所示。
图1 电缆处于收缩状态时的三维仿真模型
Fig.1 Three-dimensional simulation model when the cable is in a contracted state
设置源-端激励信号，施加350 A电流载荷，选择低频准静态磁场，设置奇对称边界条件以提高计算效率，利用ANSYS得到电缆收缩状态时的电磁场仿真结果，如图2所示。据此可直观反映出电缆弯曲变形时的空间电磁场分布情况。当电流载荷为350 A时，电流密度的最大值为1.5×106 A/m2，磁感应强度的最大值为6.3×103 A/m，磁场强度的最大值为7.9×10-3 T。在趋肤效应的作用下，电磁场表征参量集中分布在动力线导体的表面，且由动力线芯及外逐渐减小，直至边界处磁感应强度仅为7.9×10-2 A/m，磁场强度仅为9.9×10-8 T。
(a) 电流密度
(b) 电磁感应强度
(c) 磁场强度
图2 电缆收缩状态时的电磁场仿真结果
Fig.2 Electromagnetic field simulation results when the cable is in the contracted state
由图2可知，电缆弯曲变形时，电磁场分布会发生变化，随之电容值、电导值、电阻值及电感值也会改变。电缆处于收缩状态时的分布参数见表3。
表3 电缆处于收缩状态时的分布参数
Table 3 Distribution parameters when the cable is in a contracted state
线芯电容C/(F·m-1)电导G/(mS·m-1)电阻R/(Ω·m-1)电感L/(H·m-1)11.037×10-103.902×10-127.172×10-50.906×10-621.036×10-103.898×10-127.181×10-50.906×10-631.029×10-103.872×10-127.148×10-50.901×10-6
由表3可知，与表2对比，电容值、电导值和电阻值相应增大，分别增大了1.4 %，1.41 %，0.60 %，但基本保持同一数量级。电感值减小了29.2%，影响最为显著。
电容值和电感值的三相不均值性进一步扩大，该现象与电缆空间结构的不对称性有关。线芯1的电容值和电感值大于线芯2和线芯3。这是由于线芯1处于最外侧，而线芯2和线芯3则位于内侧，弯曲形变减小了耦合距离，进而增大了分布电容；增大了电流回路，进而增大了分布电感。
1.3 电缆车回收方式对电缆分布参数的影响
将4节设备列车作为一个平台，在该平台的4个角落处焊接钢柱，将电缆盘在4个钢柱内，可改装为简易的电缆车回收装置。根据线缆的截面规格大小，电缆盘绕时采用8字形或0形方式人工盘绕。MYPT 1.9/3.3 3×185型矿用电缆适用0形卷盘方式。与单轨吊设置相同电缆长度，取最大变形处构建电缆处于卷盘状态时的三维仿真模型。
利用ANSYS进行仿真分析，设置各激励条件与单轨吊一致。电缆处于卷盘状态时的电磁场仿真结果如图3所示。
(a) 电流密度
(b) 电磁感应强度
(c) 磁场强度
图3 电缆处于卷盘状态时的电磁场仿真结果
Fig.3 Electromagnetic field simulation results when the cable is in the reel state
从图2、图3可看出，2种回收状态下，电磁场表征参量的分布规律相同，但在数值上存在差异。
利用ANSYS 得到电缆处于卷盘状态时的分布参数，见表4。
表4 电缆处于卷盘状态时的分布参数
Table 4 Distribution parameters when the cable is in the reel state
线芯电容C/(F·m-1)电导G/(mS·m-1)电阻R/(Ω·m-1)电感L/(H·m-1)11.027×10-103.862×10-127.270×10-51.044×10-621.017×10-103.825×10-127.156×10-51.030×10-631.018×10-103.828×10-127.132×10-51.029×10-6
对比于表3，电容值减小了1.3 %，电导值减小了1.6 %，电阻值减小了0.1 %，电感值减小了14.3 %。对比于表2，电容值增加了0.1 %，电导值减小了0.2 %，电阻值增加了0.9 %，电感值减小了19.2 %。
2 2种回收方式下电缆的散热分析
在电磁仿真的基础上，将软件计算出的各动力线芯损耗值导入至热仿真软件，并进行热流操作设置[15]，建立电缆6层叠加的简化模型，电缆切面的温度云图如图4所示。
(a) 单轨吊回收方式
(b) 电缆车回收方式
图4 电缆切面的温度云图
Fig.4 Temperature cloud diagram of cable section
从图4可看出，自然冷却方式下，由于多层螺旋卷盘造成热聚集，采用电缆车回收方式时的电缆温度高于采用单轨吊回收方式时的电缆温度，两者相差11 ℃，不利于电缆的快速散热。同时，考虑到实际叠层数和盘卷长度更大，电缆散热效果更差。
3 回收方式对综采工作面远距离供电的影响
上述研究表明：电缆执行回收操作造成盘、卷、弯曲变形导致电容值、电导值和电阻值小幅变化，电感值大幅减小。采用单轨吊回收方式时，电缆变形程度更大，单位长度电感值更小，降幅高达29%。电缆分布参数的变化导致干线压损有所改变，进而影响最远供电距离和设备带载能力。
根据同煤集团某矿某综采工作面供电系统的设计要求，将3台3 150 kVA/10 kV/3.3 kV动力负荷中心从工作面设备列车处改装到工作面胶带运料斜巷处，实现远距离供电。参考该供电系统的设计要求，利用ETAP建立供电系统模型进行潮流计算仿真研究[16-17]。其中，采煤机供电网络模型如图5所示。模型设置电网所传送的电压为10 kV，经移动变电站输出3.45 kV电压向采煤机供电。
分别将采用单轨吊、电缆车回收方式时的分布参数单独导入仿真模型，对比电缆回收方式对压损指标参量的影响。设置电缆长度均为500 m，得到不同回收方式下的干线压损，见表5。
表5 不同回收方式下的干线压损
Table 5 Main line voltage loss under different recovery methods
回收方式干线压损/%电缆车1.82单轨吊1.67
图5 采煤机供电网络模型
Fig.5 Shearer power supply network model
由表5可知，采用单轨吊回收方式时的干线压损指标优于电缆车回收方式。单轨吊回收方式在自动化程度、电缆散热及干线压损方面更具优势。
煤矿实际生产过程中，电缆的最大回收距离有限，且有单轨吊和电缆车2种回收方式并用的情况。因此，供电干路采用3根电缆串联来模拟直线电缆和2种回收电缆的物理连接。探讨超远供电条件，设置3段电缆的总长度为3 000 m，2种方式的回收距离以800 m为限，电缆回收距离与采煤机供电干线总压损如图6所示。
图6 电缆回收距离与采煤机供电干线总压损关系
Fig.6 Relation between cable recovery distance and total voltage loss of main power line of shearer
由图6可知，在电缆分布参数、电缆长度及采煤机电气参数的耦合作用下，当供电距离一定且2种回收方式并用时，电缆回收距离与供电干线总压损没有明确的正负相关及线性关系。
对于破碎机、转载机及刮板输送机供电干线，总压损的变化趋势一致，如图7、图8所示。随着电缆回收距离的增加，远距离供电系统各干线总压损整体呈下降趋势，局部呈上升趋势。
图7 电缆回收距离与转载机、破碎机供电干线总压损关系
Fig.7 Relation between cable recovery distance and total voltage loss of main power line of reversed loader and crusher
图8 电缆回收距离与刮板输送机供电干线总压损关系
Fig.8 Relation between cable recovery distance and total voltage loss of main power line of scraper conveyor
4 结论
(1) 电缆执行回收操作造成盘、卷、弯曲变形导致电容值、电导值和电阻值小幅变化，电感值大幅减小。采用单轨吊回收方式时，电缆变形程度更大，单位长度电感值更小，降幅高达29%。
(2) 由于多层螺旋卷盘造成热聚集，采用电缆车回收方式时的电缆温度高于采用单轨吊回收方式时的电缆温度，不利于电缆快速散热。
(3) 采用单轨吊回收方式时的供电干线压损指标优于电缆车回收方式。
(4) 随着电缆回收距离的增加，综采工作面远距离供电系统各干线总压损整体呈下降趋势，局部呈上升趋势。
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