矿井电力系统负载计算实例

矿井电力系统负载计算实例在矿井生产中，电力系统犹如心脏，其稳定可靠运行直接关系到生产安全与效率。而负载计算作为电力系统设计、改造及运行维护的基础，其准确性至关重要。矿井环境复杂，负载类型多样，既有大功率的提升设备、通风机，也有大量的采掘机械和辅助设备，这使得负载计算工作颇具挑战性。本文将结合一个简化的井下工作面实例，阐述矿井电力系统负载计算的基本思路与步骤，希望能为相关工程技术人员提供一些参考。一、负载计算的基本概念与目的负载计算，简而言之，就是确定电力系统中各部分所承担的用电负荷大小。在矿井中，我们通常关注的是“计算负荷”，它是一个假想的持续性负荷，其热效应与同一时间内实际变动负荷产生的最大热效应相等。计算负荷是选择变压器容量、开关设备、导线电缆截面，以及整定继电保护装置的重要依据。若计算值偏小，可能导致设备过热、跳闸甚至引发安全事故；若计算值偏大，则会造成设备投资浪费和运行效率降低。因此，寻求一个既安全又经济的计算负荷值，是我们的目标。矿井负荷具有以下显著特点：一是电动机负载占比极大，如采煤机、运输机、泵类等，它们的启动特性（如启动电流倍数、启动时间）对系统影响较大；二是存在周期性或非周期性的冲击负荷，如提升机的启动与制动过程；三是负荷的同时运行系数变化范围大，不同生产工序、不同时间段，设备的投入情况差异明显；四是负荷率受生产组织、设备完好率等多种因素影响。这些特点都需要在计算过程中予以充分考虑。二、负载计算的主要方法与数据准备目前，工程上常用的负载计算方法有需要系数法、二项式法、利用系数法等。其中，需要系数法以其简便易行、结果较为准确，在矿井电力系统设计中应用最为广泛。本文将主要采用需要系数法进行实例计算。采用需要系数法进行负载计算，核心公式为：`Pjs=Kd*Pe``Qjs=Pjs*tanφ``Sjs=√(Pjs²+Qjs²)`或`Sjs=Pjs/cosφ`其中：`Pjs`为计算有功功率(kW)`Qjs`为计算无功功率(kvar)`Sjs`为计算视在功率(kVA)`Pe`为设备额定功率之和(kW)，即总装机容量`Kd`为需要系数，表征设备实际运行功率与额定功率的比值，同时也考虑了设备的同时运行程度`cosφ`为设备的平均功率因数`tanφ`为对应于`cosφ`的正切值进行负载计算前，需收集以下基础数据：1.用电设备清单：包括设备名称、型号规格、额定功率(Pe)、额定电压(Ue)、额定电流(Ie)、功率因数(cosφ)等。2.设备的运行方式：哪些是连续运行，哪些是短时或断续运行；哪些是必须同时启动，哪些是分批启动。3.需要系数(Kd)的确定：这是需要系数法的关键。需要系数通常通过查阅设计手册、行业标准，并结合矿井实际经验来选取。同类设备数量越多，需要系数相对越小；设备效率越高，需要系数可适当取高。三、实例计算（一）实例背景假设我们需要对某矿井下一个综采工作面的配电点进行负载计算。该工作面主要用电设备如下表所示（为简化计算，部分设备参数做了理想化处理）：序号设备名称数量(台)额定功率(kW/台)额定电压(V)cosφtanφ备注(典型Kd范围):---:---------------:--------:---------------:-----------:----:----:------------------------1采煤机137511400.850.62连续运行，Kd0.7-0.92刮板输送机216011400.830.68连续运行，Kd0.75-0.953转载机111011400.820.72连续运行，Kd0.7-0.94乳化液泵站21256600.800.75一用一备，Kd0.6-0.85喷雾泵站2756600.800.75一用一备，Kd0.5-0.76破碎机116011400.830.68间断运行，Kd0.4-0.67小水泵2156600.780.80间断运行，Kd0.3-0.58照明及通讯设备151270.900.48常运行，Kd0.8-1.0（二）确定需要系数(Kd)根据设备的运行特性、数量及行业经验，为上述设备选取合适的需要系数Kd：采煤机：作为工作面核心设备，几乎连续满负荷运行，取Kd=0.85刮板输送机：两台，连续运行，负荷稳定，取Kd=0.85转载机：连续运行，但负荷可能略低于额定值，取Kd=0.80乳化液泵站：一用一备，实际运行一台，取Kd=0.70(单台)喷雾泵站：类似乳化液泵站，取Kd=0.60(单台)破碎机：间断运行，取Kd=0.50小水泵：两台，可能不同时运行，取Kd=0.40(单台)照明及通讯设备：常运行，取Kd=0.90（三）分回路计算我们按设备类型或功能单元进行分回路计算，然后再进行汇总。1.采煤机回路Pe1=1*375=375kWPjs1=Kd1*Pe1=0.85*375=318.75kWQjs1=Pjs1*tanφ1=318.75*0.62≈197.63kvar2.刮板输送机回路Pe2=2*160=320kWPjs2=Kd2*Pe2=0.85*320=272kWQjs2=Pjs2*tanφ2=272*0.68≈184.96kvar3.转载机回路Pe3=1*110=110kWPjs3=Kd3*Pe3=0.80*110=88kWQjs3=Pjs3*tanφ3=88*0.72≈63.36kvar4.乳化液泵站回路(按一台运行考虑)Pe4=1*125=125kW(注意：此处取单台功率，因Kd已考虑备用情况)Pjs4=Kd4*Pe4=0.70*125=87.5kWQjs4=Pjs4*tanφ4=87.5*0.75≈65.63kvar5.喷雾泵站回路(按一台运行考虑)Pe5=1*75=75kWPjs5=Kd5*Pe5=0.60*75=45kWQjs5=Pjs5*tanφ5=45*0.75=33.75kvar6.破碎机回路Pe6=1*160=160kWPjs6=Kd6*Pe6=0.50*160=80kWQjs6=Pjs6*tanφ6=80*0.68=54.4kvar7.小水泵回路Pe7=2*15=30kW(此处取两台总功率，Kd考虑了不同时运行)Pjs7=Kd7*Pe7=0.40*30=12kWQjs7=Pjs7*tanφ7=12*0.80=9.6kvar8.照明及通讯回路Pe8=1*5=5kWPjs8=Kd8*Pe8=0.90*5=4.5kWQjs8=Pjs8*tanφ8=4.5*0.48≈2.16kvar（四）总计算负荷各回路计算完毕后，需将其有功功率和无功功率分别相加，得到总的有功计算负荷(ΣPjs)和总的无功计算负荷(ΣQjs)。但需注意，当多个回路同时运行时，可能存在一定的负荷同时系数(Kt)。对于井下工作面配电点，各主要设备往往在同一生产循环内运行，同时系数可取较高值，此处取Kt=0.95(有功)，Ktq=0.97(无功，通常无功同时系数略高于有功)。ΣPjs'=318.75+272+88+87.5+45+80+12+4.5=907.75kWΣQjs'=197.63+184.96+63.36+65.63+33.75+54.4+9.6+2.16≈611.49kvarPjs_total=Kt*ΣPjs'=0.95*907.75≈862.36kWQjs_total=Ktq*ΣQjs'=0.97*611.49≈593.15kvarSjs_total=√(Pjs_total²+Qjs_total²)≈√(862.36²+593.15²)≈√(743,764+351,827)≈√1,095,591≈1046.7kVAcosφ_total=Pjs_total/Sjs_total≈862.36/1046.7≈0.824（五）变压器容量选择根据计算得到的总视在功率Sjs_total≈1046.7kVA。考虑到变压器的经济运行和一定的裕量，以及可能的短期过载能力，变压器容量通常按计算视在功率的1.1-1.2倍选择。同时，还需考虑变压器的额定电压等级是否与系统匹配（此处工作面配电点通常由上一级10kV变电所供电，经移动变电站降压至1140V/660V）。可选标准容量的移动变电站，例如1250kVA(10kV/1.2kV)。校核其负载率：1046.7/1250≈0.837，即83.7%，处于较经济的运行区间。四、计算过程中的注意事项1.需要系数的合理选取：这是负载计算中最关键也最考验经验的一步。应尽可能参考类似矿井或工作面的运行数据，并结合本矿的生产组织方式、设备新旧程度等因素综合确定。设计手册中的推荐值仅为参考。2.同时系数的影响：在对多个独立负荷中心或不同性质的负荷进行汇总时，必须考虑同时系数。上级变电所的同时系数通常比分变电所或配电点的要小。3.冲击负荷的处理：对于提升机、大型破碎机等具有较大启动冲击的设备，除了正常的计算负荷外，还需校核其启动时对系统电压的影响，必要时需进行电压损失计算或采取限压启动措施。本实例中未包含此类强冲击设备，若包含，则需特殊考虑。4.无功补偿：矿井负荷功率因数普遍偏低，无功损耗大。在计算出无功负荷后，应考虑进行无功补偿，以提高功率因数，降低线路损耗，提升变压器利用率。补偿后的功率因数通常要求达到0.9以上。本例中计算得cosφ≈0.824，后续应考虑增设无功补偿装置。5.负荷的发展与变化：计算时应适当考虑未来一段时间内可能增加的负荷，为系统留有一定的扩展余地。6.不同电压等级的分别计算：矿井电力系统通常有多个电压等级，如10kV、6kV、1140V、660V、380V、127V等，负载计算应按不同电压等级分别进行，再逐级向上汇总。7.电缆截面与保护整定：计算出各回路的计算电流后（Ijs=Pjs/(√3*Ue*cosφ)），即可进行电缆截面的选择和保护装置的整定计算。五、结论负载计算是矿井电力系统设计与管理的基石。本文通过一个简化的综采工作面实例，运用需要系数法完成了从单台设备到总