如何计算煤矿变压器的整定电流?
低压供电系统过流保护的整定基本上是根据《煤矿低压电网短路保护装置整定规则》的规定进行计算,必须满足要求。
1.1低压馈电开关过流保护装置电流整定值计算
IZ=IQe+Kx∑Ie[1]
其中:IZ——过流保护装置的电流整定值;
IQe-最大容量电机的额定启动电流;
Kx-需求系数,0.5 ~ 1;
∑Ie-其他电机的额定电流之和。
1.1.2所选短路保护装置整定电流的计算;
Ue Id=
2(∑R)2+(∑X)2[2]
其中:Id——保护装置保护范围最远点的两相短路电流;
UE——变压器二次侧的额定电压;
σr——短路时一相电阻值之和;
σx-短路时一相电抗值的总和。
1.1.3保护装置动作可靠性验证;
Id IZ≥1.5[3]
1.2整定计算中遇到的问题
随着煤矿开采技术的发展和高产高效工作面的增加,煤矿机械设备的功率越来越大。如采煤机、刮板输送机、带式输送机的功率都达到了1000 kW以上,工作面走向也达到了1~2 km,给采掘工作面的供电设计带来了一定的困难。由于设备功率增大,启动电流IQe增大,过流保护的整定电流值IZ相应增大,直接导致动作灵敏系数降低,短路保护装置不能可靠动作。同时,随着供电距离的增加,线路阻抗增大,最小两相短路电流减小,也降低了动作灵敏系数,短路保护装置不能可靠动作。这是目前低压供电系统设计中普遍存在的问题。
1.3传统解决方案
一般来说,保护装置的灵敏度系数是通过增加最小两相短路电流来提高的。主要方法有:
1)增加干线或支线电缆的截面。随着电缆截面的增大,线路阻抗会减小,短路电流会增大;
2)尽量减小电缆长度,线路阻抗也会随着线路长度的减小而减小,即短路电流增大;
3)更换大容量变压器或变压器并联的方法,增加短路电流;
4)增加分段保护开关,缩短保护范围,提高相应保护范围内的最小短路电流;
5)采用移动变电站供电,主要是减少低压供电电缆长度,尽可能将高压延伸到矿区,提高保护范围内的最小短路电流。
对于大功率设备较多的综采工作面,低压供电电缆截面为95mm2,除平行电缆外,增加电缆截面的空间不大。而且综采工作面的一些干线电缆已经并联使用,非常不经济,使用维护难度更大,事故也多。部分综采工作面地质条件差,巷道受挤压变形严重。为了避免移动变电站移得离工作面太近,巷道断面变小,移动困难,移动变电站和泵站都放在远离工作面的地方。虽然采用移动变电站供电,但供电距离长的问题无法避免。
二、电源设计的新思路
随着新技术、新设备的应用,可以通过降低整定值来提高动作系数。
2.1降低电机启动电流IQe
从公式[1]可知,只要减小电机的启动电流IQe,就可以减小整定电流IZ。
2.1.1用每个电机逐一启动。
在由多个马达驱动的工作机中,每个马达被一个接一个地启动。该方法适用于采煤机、刮板输送机和带式输送机。设想一台刮板输送机由两台电机驱动,单台电机额定电流为Ie,直接起动电流为6倍,那么该刮板输送机两台电机同时起动电流达到12倍Ie。逐一启动时,最大启动电流为6Ie+Ie=7Ie,接近翻倍。如果是多台电机驱动的工作机,启动电流会降低更多。
2.1.2采用双速电机。
在刮板输送机上使用双速电机可以大大降低启动电流。双速电机低速绕线启动,高速绕线运行。低速绕组的额定功率和电流约为高速绕组的0.5倍,起动电流小。启动后,切换到高速绕线。由于工作机已经启动,切换到高速绕组后的启动电流比直接启动电流大大降低。
2.1.3采用各种软启动技术。
带式输送机采用各种软启动技术。比如液压和粘性软启动技术,辅助液压马达转轮系统和电气软启动系统,比如变频调速系统和可控硅开关磁阻系统。特别是在变频调速系统中,在计算机的控制下,软启动时间可任意调节,启动电流可降至额定电流的1~2倍,对解决大功率设备启动电流过大的问题非常有效。
2.2选择最合适的整定值IZ
因为老式开关电子保护的短路整定是以开关的额定电流倍数为基础的,相邻两个档位之间的间隔很大,所以选择较低档位时无法避免最大启动电流,选择较高档位时可靠性动作系数太小,只好采用增加一根电缆的方法,既不经济也不便于维护。现在新一代开关广泛采用单片机技术,其整定值几乎可以连续调节,为整定值IZ的选择提供了更大的空间,避免了老开关存在的这些问题。
2.3采用相敏保护技术
传统的馈电开关短路保护依赖于电流信号的采样。对于长距离供电线路,末端短路电流较小,无法与大型电动机的启动电流区分开来,因此整定困难。灵敏的保护可以区分短路电流和电动机起动电流。原理是采样方式是电流和功率因数,即信号不仅按电流采样,还按功率因数采样:
u=Icosθ[4]
式中:u-保护装置的采样信号;
电流信号;
Cosθ-功率因数。
电动机启动时电流较大,但功率因数较小,一般为0.2~0.5,而短路电流的功率因数较大,约等于1。如果启动电流和短路电流一样大,总的启动电流信号会比通过相敏转换单元的短路电流信号小一半,所以可以分开,所以不会误动作跳闸。这种保护技术特别适用于长距离掘进工作面。