Электроснабжение подземных потребителей глубоких и энергоемких шахт

Высокая степень механизации и электрификации современных угольных и рудных шахт приводит к росту уровней электрических нагрузок и объемов электропотребления, значительно превышающему темпы роста объема добычи полезных ископаемых подземным способом. Это обусловлено как производственно-организационными факторами (тенденция к интенсификации горных работ, укрупнение и объединение шахт, увеличение суточной нагрузки на лаву), так и существенным усложнением горнотехнологических условий в связи с переходом на отработку более глубоких горизонтов. Добыча полезных ископае- мых на глубоких горизонтах из-за увеличения общей длины распределительных сетей высокого и низкого напряжения, неравномерности графиков нагрузки и т.п. приводит к уменьшению надежности и экономичности подземных систем электроснабжения. Техническое переоснащение предприятий угольной и горнорудной промышленности связано с увеличением электрооснащенности, электропотребления, установленной электрической мощности электроустановок, а также повышением уровня рабочего напряжения. Согласно отмеченным факторам повышаются требования к уровню оснащенности и безопасности

МИСиС

систем электроснабжения шахт, принципы построения и экономические показатели которых зависят от производственной мощности крупнейших приемников электрической энергии, максимальных расчетных значений электрических нагрузок, от уровней потребления основных групп потребителей (очистные работы, транспорт, подъем, водоотлив и т.п.), распределения нагрузок между потребителями на поверхности и подземными установками, а также от горногеологических особенностей месторождения. В то же время количественный рост энерговооруженности и показателей энергопотребления формирует новые требования к системам электроснабжения, которые, как правило, не могут быть успешно реализованы при существующем уровне развития электрооборудования и систем питания.

Основными потребителями электрической энергии при этом являются стационарные и передвижные установки значительной электрической мощности. Мощность наибольших приемников электрической энергии на поверхности шахт составляет 5 - 8 МВт (подъем установки и вентиляторы главного проветривания) и 1 - 2 МВт в подземных выработках (углесосы и установки главного водоотлива). С увеличением глубины шахты увеличивается доля установленной мощности подъемных и водоотливных установок, их количество.

Динамика развития горнодобывающих предприятий за последние годы указывает на значительное увеличение уровня потребления электрической энергии. Так, за последние 50 лет на шахтах Донбасса установленная мощность электродвигателей и силовых трансформаторов напряжением выше 1 кВ увеличилась в 13,5 раз, расход электроэнергии на 1 т добытого угля - в 2,7 раза, а энергооснащенность труда - более чем в 7 раз. Аналогичная тенденция увеличения установленной мощности характерна для иностранных угольных шахт. Так, например, за расчетный период мощность приводов очистных забоев в Польше увеличилась в

• 6 раз, во Франции - в 4,6 раза, в Германии - в 10 раз [38, 43].

Увеличение глубины горных предприятий с подземной добычей ископаемых также существенно. Например, средняя глубина разработки на шахтах Украины в 2000 г. составляла 635 м. При этом на глубоких горизонтах (более 600 м) работали 105 шахт (48,2 %), доля которых составляла 47,9 % от всей добычи угля. На 25 шахтах (11,5 %) горные работы велись на глубинах 1000 - 1300 м. Ежегодно глубина разработки полезных ископаемых на шахтах увеличивается в среднем на 11 - 15 м. Если в 80-х годах прошлого века средняя глубина разработок составляла 557 м [22], то в 2010 г. это значение достигло 730 м. С увеличением глубины и производственной мощности значительно повышаются горное давление и газообильность угольных пластов, повышаются опасность внезапных выбросов угля, газа и породы, горных ударов, рабочая температура, осложняется обеспечение необходимого режима проветривания, подъема, водоотведения и работы рудничного транспорта, снижается общая безопасность ведения горных работ. Указанные факторы приводят к тому, что энергоемкость горных предприятий вырастает [22, 28].

Переход на более глубокие горизонты требует решения ряда вопросов технологии горного производства, создания и внедрения новых средств и мер механизации и автоматизации производственных процессов, надежного обеспечения потребителей электрической энергией с соответствующими показателями качества, повышения уровня безопасности труда. Указанных показателей можно достичь за счет обоснования оптимального класса напряжения подземной системы питания, что позволит в полном объеме и на длительный срок решить вопросы построения эффективных систем электроснабжения глубоких шахт с учетом перспектив развития горных предприятий, связанных с углублением и ростом мощности электрических нагрузок подземных электроприемников.

МИСиС

Целью настоящей статьи является оценка повышения энергоэффективности и надежности систем электроснабжения глубоких и энергоемких шахт на основе использования напряжения 35 кВ для питания подземных потребителей.

В условиях глубоких энергоемких угольных и рудных шахт наблюдается повышение интенсификации подземных горных работ, вызывающее дальнейший рост производительности выемочных комбайнов и других забойных машин и, следовательно, значительное увеличение общего объема потребления электрической энергии. Кроме того, углубление уровня горных выработок приводит к росту мощности насосных агрегатов [25]. Известно, что большинство современных горных предприятий тратит на подземное производство около 60 % всей потребляемой электроэнергии [28, 30].

Одним из основных направлений технического развития забойного оборудования является значительный рост энерговооруженности. Установленная мощность оборудования в высокопроизводительном очистном забое достигает 1500 - 2000 кВт, а мощность отдельных двигателей забойных машин превышает 400 - 600 кВт. Наблюдается значительный рост единичной мощности двигателей подъемных машин, вентиляторов, других машин и механизмов. В связи с этим одной из наиболее актуальных задач, стоящих перед отраслью, является экономное расходование энергоресурсов и электроэнергии и соответствующее регулирование режимов электропотребления.

Как показали исследования [7, 22, 39, 40, 50], наибольшее влияние на эффективность работы подземных потребителей оказывают отклонения и колебания напряжения. Отклонение напряжения на шинах шахтных подстанций в нормальном режиме достигает 10, а в отдельных случаях 15 % и более от номинального. Колебания напряжения на шинах 6 кВ главной понизительной подстанции (ГПП), расположенной на поверхности шахты, вызваны запуском мощных синхронных и асинхронных с короткозамкнутым ротором двигателей и неравно- мерным режимом работы подъемных машин, мощность которых в течение одного цикла значительно меняется.

В условиях глубоких шахт затраты на построение системы электроснабжения растут в большей степени, чем производительность горизонтов и шахт, так как уровень роста электропотребления связан в первую очередь с ростом энерговооруженности труда. Таким образом, вопросы обеспечения требуемого значения напряжения питания и уровня ее изменения должны тщательно рассматриваться при разработке схем внутреннего и внешнего электроснабжения горных предприятий, при расчете шахтных сетей, выборе способа пуска двигателей, проверке возможности самозапуска и т.п. Исходя из условий обеспечения нормированного уровня напряжения необходимо принимать меры мониторинга и регулирования уровня напряжения питания подземных потребителей электрической энергии. Следовательно, необходим поиск технических решений по построению рациональной или модернизированной системы электроснабжения шахт, которые могли бы обеспечивать необходимые показатели эксплуатации электрооборудования с минимальными затратами.

Основные пути обеспечения необходимого уровня напряжения питания подземных потребителей в условиях глубоких шахт.

Предельные значения уровней и колебаний напряжения в первую очередь обеспечиваются поддержкой стабильности напряжения на шинах источника питания, входящей в обязанность энергоснабжающей организации. Все мероприятия [2, 15, 17], направленные на снижение негативного влияния изменения напряжения, можно условно разделить на три группы:

• 1)    меры, направленные на изменение работы устройств генерации;

• 2)    меры, позволяющие регулировать параметры напряжения при изменении режима работы потребителей;

• 3)    мероприятия, направленные на снижение потерь напряжения за счет повышения пропускной способности сети.

МИСиС

Для условий угольных и рудных шахт следует говорить о получивших распространение второй и третьей группах мероприятий.

Ко второй группе мероприятий относится централизованное регулирование напряжения трансформаторов ГПП шахты. Оно обеспечивается применением устройств регулирования напряжения под нагрузкой (РПН) с рабочим диапазоном до 15 - 20 %. Эффективность данного мероприятия характеризуется не только ограничением уровня отклонений напряжения в допустимых пределах, но и расходом электроэнергии. Как низкие, так и повышенные уровни напряжения на шинах ГПП, помимо снижения надежности системы электроснабжения, могут вызвать и дополнительные потери мощности, и чрезмерное потребление электрической энергии. При таком способе регулирования необходимо помнить, что отклонение напряжения на шинах ГПП влияет на качество потребляемой электрической энергии большого количества различных приемников, расположенных как на поверхности, так и в подземных выработках шахты. Эти электроприемники могут отличаться по допустимым значениям отклонения напряжения в зависимости от режима работы и их индивидуальных характеристик [12, 13, 46].

В центре электрических нагрузок (ЦЭН) шахты (как правило, ее ГПП) и в узлах нагрузки есть определенная совокупность электроприемников с различными технологическими режимами работы и графиками электропотребления. Общий регулирующий эффект узла нагрузки зависит от статических характеристик отдельных приемников электрической энергии и их взаимовлияния и определяется по соответствующим методикам. В качестве регулирующих устройств используются вольтодобавочные трансформаторы (линейные регуляторы) и другие средства регулирования [21, 24, 33]. Большое внимание должно быть уделено мерам по поддержанию стабильности напряжения и уменьшению уровня его колебаний непосредственно в шахтных сетях, а также повышению эффек- тивности использования горных машин и комплексов. К этим мерам относятся:

• 1)    применение средств автоматического регулирования напряжения трансформаторов при использовании нерегулируемого привода в качестве нагрузки с учетом особенностей мощных асинхронных двигателей, работа которых особенно зависима от напряжения в сетях;

• 2)    применение регулируемого привода для забойных машин, который оказывает меньшее влияние на эксплуатационные параметры сети, что требует значительных затрат;

• 3)    выбор технологического оборудования и электроприводов в соответствии с мощностью нагрузки и режима работы. Успешность этого мероприятия в значительной степени зависит от опыта и интуиции проектировщика и значительно изменяется в процессе эксплуатации;

• 4)    упорядочение технологического процесса для обеспечения равномерного графика нагрузки в течение смены и суток. Для реализации мероприятия необходима оснащенность системы электроснабжения горного предприятия соответствующими средствами технического мониторинга, работа которых связана с эффективными мерами энергоменеджмента и диспетчеризации системы.

Эффективность реализации методов второй группы в условиях шахты можно реализовать на основе расчета параметров питающей сети отдельного объекта. Так, при применении в качестве основного класса подземной шахтной сети напряжения 6 кВ необходимо выполнять оценку степени изменения напряжения у потребителей соответствующего горизонта [23, 48]. Уровень отклонения напряжения в такой питающей сети может быть определен с помощью построения эпюры отклонения напряжения, и общие потери напряжения определяются выражением:

ЕА U = A U вл_По + A U ^ + A U рба + A U _и6 + A U трупп ,(1) где A U _вл110 - потери напряжения в воздушной линии (110 кВ) внешнего электроснабжения; A U _тргпп - потери напряжения в трансформаторе ГПП; ^{A U} рба —

МИСиС

потери напряжения в токоограничивающем реакторе (при наличии); A U кл₆ - потери напряжения в кабельной линии, питающей потребителей подземной системы электроснабжения; A U _{тр упп} - потери напряжения в трансформаторе участковой подстанции.

Имея в системе трансформаторы, можно автоматически (при наличии РПН) или стационарно (трансформаторы без РПН) частично компенсировать потери напряжения в элементах питающей сети. Уве-

• 2)    увеличение количества питающих кабелей;

• 3)    компенсация реактивной мощности (поперечная компенсация) в нерегулируемых приводах с постоянным режимом работы;

• 4) продольная компенсация реак

тивных параметров линии;

• 5) использование более высокого

личение напряжения на выходе соответствующих трансформаторов, не оборудо-

ванных специальными средствами регулирования напряжения, возможно на уровне 5 %. Для таких условий выражение для определения уровня напряжения у потребителя с учетом возможной компенсации потерь напряжения будет иметь вид

класса напряжения для распределительной сети.

Увеличение пропускной способности кабельных линий за счет первого и второго способов целесообразно только для шахт, выработки которых проходят реконструкцию или проектируются. Замена питающих кабелей кабелями большого сечения связана с большим расхо-

U nom = U un — A U вл110 — A U ^ + A E^

дом цветного металла, а прокладка новых линий электропередачи (стволовых кабелей) требует больших капитальных вложений и поэтому может быть рекомендо-

—

—A U _р ба

^{A U} кл6   ^{A U} тр.упп + ^{A E} тр.упп ,

где U _nom – напряжение источника питания; A E _{тр гпп}, A E тр уп _п - увеличение напряжения на трансформаторах ГПП и УПП соответственно.

Поскольку возможный уровень регулирования напряжения на трансформаторах ограничен превышением номинального значения на 5%, можно сделать вывод, что для условий глубоких шахт и мощных удаленных подземных потребителей обеспечить необходимое качество напряжения (особенно при отсутствии РПН) названными средствами проблематично.

К третьей группе мероприятий относится комплекс технических решений, направленных на совершенствование линий подземной системы питания и распределения [18, 22, 49]. Уменьшение уровня потерь напряжения в линиях обеспечивается увеличением их пропускной способности в процессе проектирования несколькими технически возмож-

вана только в тех случаях, когда повысить пропускную способность существующих линий другим путем не удается.

Компенсация реактивной мощности в системах внутреннего электроснабжения является обязательным мероприятием повышения пропускной способности в сетях промышленных предприятий. Не

являются исключением и подземные рас-

пределительные сети горных предприятий. Отсутствие этого мероприятия приводит к загрузке кабелей распределительной сети реактивной составляющей рабочего тока. Кроме того, компенсация реактивной мощности позволяет снизить потери электрической энергии, повысить общий коэффициент мощности сети и

уменьшить отклонения напряжения у потребителя. Включение или выключение секций конденсаторных установок (КУ) приводит к изменению уровня отклоне-

ния напряжения в месте ее присоединения на величину, % [18, 50]:

A u

c ку

^{10 UU} ном ^,

ными путями, из которых основными являются:

• 1)    замена питающих линий кабелями большего сечения;

где X_c – индуктивное сопротивление

внешней сети по отношению к месту присоединения КУ; U – значение напряжение в месте присоединения КУ (до его

МИСиС

регулирования); U ном - номинальное напряжение сети; Q ку - мощность конденсаторной установки.

Расчеты и опыт [23, 51] показали целесообразность применения поперечной компенсации в шахтных сетях. Лучшая эффективность их использования достигается в сети низкого напряжения, где участковые сети являются достаточно длинными и с подключенными мощными потребителями. В высоковольтных подземных сетях эффективность такой меры снижается из-за незначительного регулирующего эффекта (по напряжению) и наличия большого количества потребителей с высоким коэффициентом мощности (мощные насосные установки, вентиляторы и др.) [8].

Использование повышенного напряжения в распределительных подземных сетях шахт также может быть довольно эффективной мерой. На сегодня завершен перевод высоковольтных подземных распределительных сетей всех отечественных шахт из класса напряжения 3 кВ до 6 кВ, довольно значительное количество угольных и рудных шахт получает питание по схеме «глубокого ввода» с напряжением 35, 110 и 220 кВ. Научной и технической общественностью не обсуждается проблема применения напряжения более 6 кВ для внутришахт-ных распределительных сетей [20]. Это связано в первую очередь, с требованиями действующих правил безопасности и недостаточным техническим обоснованием перевода подземной сети на более высокие классы напряжения.

Одним из компромиссных вариантов, имеющих незначительные капитальные расходы, является обеспечение соответствующего качества напряжения за счет применения продольной компенсации в подземной сети [21].

Обеспечение необходимого уровня рабочего напряжения подземной сети за счет продольной компенсации.

В условиях горных предприятий, отдельные потребители которых имеют резкопеременные нагрузки, для относительной стабилизации уровня рабочего напряжения целесообразно использова- ние продольной емкостной компенсации, что обеспечивается последовательным включением к питающей линии батареи конденсаторов. Это мероприятие было впервые предложено Р. Рюденбергом [46] и за годы эксплуатации доказало свою эффективность. Устройства продольной емкостной компенсации (ПЕК) способны несколько улучшить показатели качества напряжения: уменьшить колебания напряжения питания, снизить коэффициент несимметрии и даже повысить уровень напряжения. Они имеют по сравнению с другими средствами стабилизации напряжения определенные преимущества: установленная мощность ПЕК меньше мощности других устройств компенсации, незначительные удельные потери активной мощности и простота в эксплуатации. К недостаткам ПЕК следует отнести трудности обеспечения защиты конденсаторных батарей установок от токов коротких замыканий, появления в переходных режимах субгармонических колебаний токов и напряжений и т.п.

В условиях использования ПЕК для подземных стволовых сетей отдельного горизонта сопротивление емкости конденсаторов компенсирует (частично или полностью) или даже перекомпенсирует индуктивное сопротивление линии, вследствие чего в ней уменьшается потеря напряжения. Схема электроснабжения глубокого горизонта с использованием установки ПЕК приведена на рис. 1.

Напряжение на шинах ЦПП, значение которого обеспечивается последовательно включенными в цепи питания конденсаторами, пропорционально значению тока нагрузки и меняется практически безынерционно при его изменении. Это обстоятельство определяет особую эффективность последовательного включения конденсаторов при колебаниях нагрузки (при частых пусках двигателей с большими пусковыми токами, при работе сварочных агрегатов и т.д.) для снижения колебаний напряжения [5, 12].

МИСиС

Рис. 1. Электроснабжение глубокого горизонта с установкой ПЕК

Реактивное сопротивление конденсаторов в этом случае компенсирует не только индуктивное сопротивление линии, но и в некоторой степени падение напряжения на активном сопротивлении:

Δ U = V 3 I _н ⋅ R _ЛЭП ⋅ cos φ +

+ V3 I _н X _ЛЭП ⋅ sin φ- V3 I _н ⋅ X _КУ ⋅ sin φ .

При включении компенсирующего устройства, имеем «прибавку» напряжения Δ U (рис. 2) на зажимах электроприемника, причем при соответствующих параметрах можно обеспечить превышение напряжения у потребителя над напряжением источника питания.

Использование класса напряжения 35 кВ для питания потребителей глубоких горизонтов угольных и рудничных шахт.

РП

ь

ЛЭП

I

R л          X л

U 1 4---□----^^

КУ

I P+jQ

X КУ

HI КУ     _{U 2}

∆U

Рис. 2. Принцип повышения напряжения у потребителя методом продольной компенсации

В последнее десятилетие ряд рудных и угольных шахт уже осуществляют добычу полезных ископаемых на горизонтах более 1000 м. Это обстоятельство повлияло на увеличение уровня электрических нагрузок, и в ближайшее время таким предприятиям необходимо оценить возможности существующей системы электроснабжения с точки зрения ее пропускной способности при одновременном обеспечении необходимого качества электроэнергии. Следует определить пропускную способность стволовых кабелей к конкретным горизонтам с учетом параметров существующих кабелей без их усиления или замены. Анализ результатов исследований показывает, что для горизонта глубже 1000 м, напряжения 6 кВ для подачи электроэнергии на горизонт оказывается недостаточно, посколь-

МИСиС

ку больше половины допустимой потери напряжения приходится на стволовые кабели, а еще предполагается многокилометровая передача электроэнергии распределительными сетями горизонта.

В практике проектирования систем электроснабжения шахт известны варианты сравнения уровней напряжения, превышающих принятые 6 кВ, даже для распределительных сетей [1, 19, 27, 28]. Полученные результаты показывают перспективность такого мероприятия в плане снижения потерь, уменьшения сечения и количества стволовых кабелей и т.п. Поэтому вариант с использованием глубокого ввода напряжения 35 кВ для соответствующих условий подземного электроснабжения предполагает значительный экономический эффект. Однако для принятия окончательного решения по введению под землю напряжения 35 кВ и эксплуатации электротехнического оборудования и кабельных сетей на 35 кВ в шахтах необходим анализ действующих нормативно-правовых документов [24, 25].

Согласно нормативным материалам, действующим в горнорудной отрасли, в подземных выработках рудничных предприятий должны применяться электрические машины, трансформаторы, аппараты и приборы только в рудничном исполнении, которые удовлетворяют требованиям Правил изготовления взрывозащищенного и рудничного электрооборудования. Допускается к освоению выпуск электрооборудования в рудничном исполнении для употребления в шахтах электрооборудования в нормальном (не рудничном) исполнении (закрытом, защищенном). Однако в соответствии с указанными документами для питания стационарных приемников электрической энергии, передвижных подстанций, а также при проходке стволов допускается применение напряжения не выше 6000 В, а для стационарных подземных подстанций допускается с разрешения органов Госгортехнадзора использование напряжения до 10 000 В.

На основании результатов исследований, выполненных в Национальном горном университете Украины, при реконструкции системы подземного электроснабжения глубокой шахты с целью дальнейшего развития предприятия и разработки горизонтов на глубине 1000 м и более рекомендуется рассмотреть вариант применения класса напряжения 35 кВ [34-36]. Электроснабжение глубокого горизонта шахты предлагается осуществлять по схеме глубокого ввода напряжением 35 кВ с установкой подземной подстанции 35/6 кВ с последующим распределением электроэнергии по горизонту напряжением 6 кВ.

Для определения экономически целесообразного напряжения системы электроснабжения шахты при определенной передаваемой мощности и протяженности кабелей следует провести расчет стоимостных показателей элементов системы (кабелей, электродвигателей, трансформаторов и т.д.) и всей системы в целом при нескольких выбранных уровнях напряжения (существующего и планируемого). Эффективность перевода питающих линий на повышенное номинальное напряжение определяется тем, что при одинаковых нагрузках, коэффициенте мощности, материале и сечении токоподводящих жил при повышении напряжения линии с U до U получим соответствующие соотношения потерь напряжения и потерь мощности:

A U 2 ₌Ц н1   А Р 2     U _Н1 ]

,                                            ,

^{А U} 1    ^U н2    ^{А Р} 1    I ^U н2 )

где А U ], А P_Y , А U ₂ , А Р₂ — потери напряжения и мощности соответственно при    номинальных    напряжениях

U н1 и U н2 .

Расчетные значения соотношений потерь напряжения и потерь мощности в шахтных кабельных сетях при неизменных параметрах системы приведены ниже в таблице.