摘要：基于变频一体技术和智能工作面背景，系统研究采煤工工作面远距离技术。通过电压降的分析，确定了远距离供电的电压等级，确定了采用变频一体技术的必要性，论述了远距离供电的关键技术，计算了供电极限距离。
关键词：远距离供电；压降；采煤工作面；变频一体机；智能化工作面；供电的极限距离
1.问题的提出
2018年10月20日山东能源龙口矿业集团龙郓煤业有限公司发生重大冲击地压事故造成惨痛损失后，国家对存在冲击地压风险隐患矿井的开采提出了更加严格的要求，规定冲击地压煤层的回采工作面及两巷超前300米范围内进入人员不得超过16人，并要求大力推广采煤工作面智能化无人（少人）开采技术，其中减少人数是关键。
移动变电站、组合开关、控制台及泵站的运维需要的人员较多，将前述装备布置在距离回采工作面300米以外，实施远距离供电、远距离供液，是减少人数的重要措施之一。另外，一些工作面煤层上下起伏较大，导致巷道上下起伏较大，不利于平板车移动，也对远距离供电、远距离供液有迫切需求。
随着智能化采煤工作面概念的提出和采煤工作面智能化升级改造的推进，采煤工作面的感知技术、监视技术、控制技术大大提高，为实现采煤工作面无人（少人）开采及实现远距离供电提供了监控层面的技术条件。
本文仅分析将移动变电站和组合开关布置在距离回采工作面300米以外区域的措施，即远距离供电措施。
2、远距离供电的主要技术
远距离供电的主要技术：采煤工作面设备采用高电压供电，工作面设备电动机实现变频一体，相应高电压等级的移变、组合开关、电缆等设备材料。
（1）供电电压的确定
目前，采煤工作面设备电压有0.66kV、1.14kV、3.3kV三个等级。
采用远距离供电，势必增加供电线路压降。提高供电电压等级，可降低供电线路压降、降低供电线路投资。下面定量分析电压提高对压降的影响。
ΔU=I*R=（P/U)*R=P*R/U （2-1）
ΔU0.66/ΔU1.14=1.14/0.66=1.73 （2-2）
ΔU0.66/ΔU3.3=3.3/0.66=5 （2-3）
ΔU1.14/ΔU3.3=3.3/1.14=2.89 （2-4）
式中，ΔU为压降、P是用电设备功率、R为线路阻抗、U是电压、I是线路电流，ΔU0.66是0.66kV供电时的压降、ΔU1.14、是1.14kV供电时的压降、ΔU3.3是3.3kV供电时的压降。
从式2-1可知：电压降与电压成反比。从式2-2、2-3、2-4可知：0.66kV供电压降是1.14kV供电的1.73倍，0.66kV供电压降是3.3kV供电的5倍，1.14kV供电压降是3.3kV供电的2.89倍。所以从压降角度，远距离供电宜选择3.3kV做为供电电压等级。
（2）3.3kV移动变电站、组合开关、电缆及煤机设备
目前，3.3kV煤机设备、包括采煤机、刮板输送机、转载机、破碎机，已经广泛应用于中型、大型、超大型煤矿的采煤工作面。本文不做分析。
3.3kV移动变电站：国内已有多家供应商，变压器容量从800kVA到5000kVA都是充分竞争的产品，少数供应商能提供容量为6300kVA、8000kVA的产品。技术很成熟，已经广泛应用于中型、大型、超大型煤矿的采煤工作面。
3.3kV组合开关：国内已有多家供应商，组合开关的容量有800A、1600A、2400A系列产品，回路数从2回路、4回路到14回路，技术很成熟，已经广泛应用于中型、大型、超大型煤矿的采煤工作面。
3.3kV电缆：国内已有多家供应商，电缆截面从10mm2到240mm2,，技术很成熟，已经广泛应用于中型、大型、超大型煤矿的采煤工作面。
（3）矿用变频一体机技术
矿用变频一体机是将变频技术、电机技术、隔爆技术及控制技术相结合的机电一体化产品，体积小、功率密度大、节能高效，是机电一体化的新技术。目前国内1140V、3300V系列变频一体机质量已有大幅度提升，生产厂商也在增加，产品开始替代进口产品，在中型、大型、超大型煤矿的采煤工作面开始应用。
变频一体机，不仅有利于智能控制，还有利于克服变频电缆长度受限的制约，非常适用于远距离供电场所。传统的分体变频器，由于变频器输出的不是标准的正弦波，只是类似正弦波，含有大量的高次谐波成分，变频器到电动机的电缆须选用变频专用电缆；还是由于高次谐波，变频电缆的长度一般不大于100m，采取特殊措施之后，变频器厂商承诺的最长电缆一般都小于500m，远距离供电必须解决变频电缆长度限制。变频一体机应运而生，将变频器与电动机集于一体，彻底甩开了变频电缆及其长度困扰！下面举例实证变频一体机在远距离供电中降低启动压降的作用。
某煤矿采煤工作面运输巷长度为3km，刮板机功率375kW，电压3300V，选用主截面为3*70mm2的电缆，远距离供电载流量及运行压降都满足要求，但启动压降达到46.1%，设备无法正常启动。如果采用传统分体变频器，变频器需要和组合开关布置在一起，变频器至刮板机之间需要采用变频专用电缆，而3km的距离否决了分体变频器方案。采用变频一体机无传输长度限制，计算启动压降为12.8%，刮板机可以正常启动。下面定量分析变频一体机技术对启动压降降低的程度。
交流电机设备工频启动时，启动电流约为额定电流的8倍；采用变频启动，启动电流约为额定电流的2.2倍。
ΔU=I*R （2-5）
ΔUGP/ΔUBP=8/2.2=3.64 （2-6）
式中，ΔUGP为工频启动时的压降，ΔUBP为变频启动时的压降。
从式2-6可知：电压降与启动电流为额定电流的倍数成正比，工频启动压降是变频启动的3.64倍。
综上分析，远距离供电所依赖的三个方面的技术条件均已具备。
（4）3.3kV供电极限距离研究
综采工作面，限制供电距离的是采煤机和刮板机。采煤机是目前唯一不能全变频的设备，刮板机是全变频设备中功率最大的设备。因此，研究这两个设备的供电极限距离就能确定3.3kV供电的极限距离。
据了解，采煤机最大功率可达2590kW，刮板机最大功率可达2000kW。
先分析采煤机，采煤机由切割电机、行进电机及油泵组成，主要用电负荷由两台切割电机提供，行进电机与油泵功率若按90kW考虑，则单台切割电机为1250kW，动力电缆最大截面积为240mm2,。约束条件:运行压降不超过7%、启动压降不超过25%。经计算，供电距离1715米时，运行压降5.54%，启动压降24.96%，满足约束条件。
再分析刮板机，刮板机最大功率2000kW，动力电缆最大截面积为240mm2,。约束条件:运行压降不超过7%、启动压降不超过25%。经计算，供电距离2450米时，运行压降6.98%，启动压降15.35%（变频一体机），满足约束条件。
这是最大用电设备和最大电缆的核算结果，若采煤机、刮板机负荷减小，极限距离将变长。
结语
基于变频一体和智能工作面技术，本文系统研究了采煤工工作面远距离技术。变频一体机技术的成熟使采煤工作面远距离供电从技术上成为可能；采煤工作面智能化使得远距离监控从技术上成为可能；采煤工作面远距离供电及远距离监控可使采煤工作面及两巷超前300米范围内运维人员有效减少，从而实现采煤工作面智能化无人（少人）开采。因此，远距离供电技术对智慧煤矿建设、煤矿安全运行具有重要作用。
参考文献
[1]GB50215－2015：煤炭工业矿井设计规范
[2]GB 50417-2007：煤矿井下供配电设计规范
[3]GB50070-2009：矿山电力设计规范
[4]霍华锋：中压矿用隔爆兼本质安全型变频调速一体机研制，电子技术与软件工程,2017-6.