矿井电源线路一般采用架空导线的形式，但随着征地困难状况的加剧及煤电联营电厂为矿井直供电政策的推行，利用矿井或电厂所属的铁路专用线、输煤栈桥等构筑物长距离敷设电缆的供电方式得到了应用。电缆具有较大的相间及相对地电容[1，2]，与架空线路相比具有更大的电容电流，电容电流过大会造成功率损耗增加、功率因数降低、隔离开关无法关合空载线路等问题，影响设备的正常操作、增加运行费用[3，4]，这是以往矿井设计中没有遇到过的情况。本文借鉴电力系统超高压输电线路及铁路10kV电缆贯通线电容电流的限制方法，并结合矿井自身供电特点，提出了矿井35～110kV长距离电缆线路电容电流的限制措施。

1 电缆容性无功对线路运行的影响

矿井供电电压一般为35kV或110kV，长度在100km以内，属于中等长度线路。中等长度线路的等值电路采用Π形等值电路来分析，其等值电路如图1所示。

  

图1 中等长度电缆线路Π形等值电路

1.1 线路空载运行

空载时设首端电压线路首端充电功率线路上的功率损耗线路上电压降落纵分量此时U2>U1。线路末端充电功率电路中总的无功功率为首端的模值为方向与图1中方向相反，电缆的充电功率相当一个容性无功电源，电缆线路的电容电流这是电缆的最大电容电流。

公式(7)、(8)、(9)中：f(x)是城市化系统综合指数，g(y)是生态环境系统综合指数，C值为城市化与生态环境之间的系统耦合度，D值是耦合协调度；T值是城市化与生态环境综合调和指数，α与β分别为城市化与生态环境在综合调和指数中所占比重，为了使经济发展和生态环境重要性程度一致，本文取α=β=0.5。同时借鉴物理学关于协调类型的划分及其他各类研究文献，可以将城市化与生态环境的耦合类型分为4大类，12个亚类(表2)。

隔离开关不具备关合负荷的能力，但长距离电缆线路相当于一个容性无功电源，操作时有电容电流通过。

注意力的集中是指运动技能表现类的运动员在完成整套难度系数较高的动作时所需要的因素，也是进入流畅状态的运动员所应具备的特征。

通过上述分析可知，电缆线路空载及轻载运行时，负荷侧注入到线路上的感性无功较小，无法抵消电缆充电功率产生的电容电流，造成了流向系统的电容电流过大的现象。在设计长距离电缆线路时必须计算空载、轻载两种情况下的潮流，空载工况计算电缆电容电流Ic，轻载工况判断无功功率潮流方向。减小电缆线路电容电流最直接的方法就是注入感性电流，借鉴其他工程经验并结合矿井供电特点，限制矿井长距离电缆线路电容电流的主要措施如下。

SVG可连续地向系统注入容性或感性电流，在矿井中主要作为无功补偿及滤波器使用，安装在矿井主变低压侧母线上。当矿井电源线路的电容电流不超过5A，但轻载运行向电网反送无功时，若矿井具备安装SVG条件，可利用SVG向系统注入感性电流以限制线路电容电流。SVG的容量取为矿井所需补偿的最大容性无功。当电缆线路长度较短时线路轻载时SVG输出感性电流以补偿线路电容电流，线路重载时SVG输出容性电流以补偿负荷感性电流，并且容量不会因补偿线路电容电流而增大，经济性最佳。

1.2 线路带负荷运行

某矿井现有110kV架空电源线路一回，长度为25km，空载时线路电容电流约为4.5A，充电功率约为0.9MVar。现需新建一回110kV电缆线路，长度约7.7km，空载时线路电容电流约19A，充电功率约为3.6MVar。线路轻载运行时的计算无功功率为3MVar；线路重载运行时的计算无功功率为10.4MVar。

利用Solidworks 2012软件建立挖沟机的三维仿真分析模型,其基本参数:挖沟机原理样机质量为2 000 kg，长度Lmax=4 532 mm,宽度Wmax=1 485 mm,高度Hmax=1 540 mm,车轮直径为R=304.8 mm.根据上述参数建立仿真分析模型如图3所示,该三维模型的外形尺寸、质量分布等均按原理样机实际参数设定,同时,考虑到车轮与接触地面情况比较复杂,选择沙石简易铺装路面为模拟地面,即挖沟机在仿真运行过程中为刚性地面相互作用,在高低不平的地面行走时车轮与地面具有一定的冲击.

根据《导体和电器选择设计技术规定》(DL/T 5222-2005)11.0.9规定，隔离开关应使电容电流不超过5A的空载线路可靠切断。若电容电流较大，将使线路侧隔离开关无法正常关合[5，6]。

并联电抗器是限制电容电流最常用的方法。并联电抗器的安装位置根据不同情况可分为两种：① 安装在进线断路器的线路侧，这种措施适用于线路电容电流大于5A的情况，用以保证隔离开关可靠操作；②安装在矿井总降站高压母线上，这种措施适用于线路电容电流不大于5A，但轻载运行时向电网反送无功的情况。确定并联电抗器容量时，电容电流补偿度可在50%～75%范围之内[3]。

2 电缆电容电流的限制措施

为了保证运营安全与施工便利，矿井电缆线路的电源往往取自临近的变电站或煤电联营电厂，线路长度不会过长，空载时线路末端电压升高也不会太大，一般不需进行处理。

2.1 并联电抗器

线路带负荷运行时，矿井的感性无功负荷会起到平衡线路充电功率的作用，当Q2+ΔQz-ΔQy1-ΔQy2>0时，线路充电功率起到了无功补偿的积极作用。但线路长度到达一定程度时，会使Q2+ΔQz-ΔQy1-ΔQy2<0，此时容性无功过剩并向电网侧反送，在线路轻载运行时，负荷的感性无功(Q2)比较小，反送无功的现象更易发生。当ΔQy1+ΔQy2>2Q2+ΔQz时，将使功率因数降低、线路损耗增加。根据《国家电网公司电力系统无功补偿配置技术原则》第十条规定：在任何情况下，电力用户不应向电网反送无功电力。故必须采取措施避免上述状况发生。

2.2 静止无功发生器(SVG)

湍流模型选用较常用的RNGk-ε湍流模,气蚀模型为Rayleigh Plesset模型。输送介质为25℃的清水，温度设为25℃，水的气化压为3 574Pa。近壁面处选用标准壁面函数，壁面界条件设为绝热无滑移壁面，壁面粗糙度设为12.5mm。叶轮与蜗壳进口的交接面用frozen-rotor interface 连接。采用二阶离散格式对计算区域进行离散，计算精度设为高精度，收敛精度设为10-5。

3 计算举例

设矿井计算负荷中有功功率为P2、无功功率为Q2，末端设首端电压末端电压线路末端充电功率线路末端总的复功率为P2+jQ2-ΔQy2。线路上的功率损耗线路首端充电功率首端

诚实是诚信的要义。在科学研究中，诚实是第一位的。英国科学家克拉默认为，诚实是科学家在科学研究中必需持有的一种品格。他说：“从长远来看，一个诚实的科学家是不吃亏的，他不仅没有谎报成果，而且充分报道了不符合自己观点的事实。” 瑞利、迈克耳逊、彭齐亚斯和威尔逊的经历证明了这一点，他们能够获得科学界的最高奖赏，是实至名归、受之无愧的。

空载时，架空线路的电容电流小于5A；电缆线路的电容电流远大于5A，隔离开关将无法有效操作。轻载时，架空线路的无功潮流为由电源侧流向负荷侧(3MVar>0.9MVar)；电缆线路的无功潮流为由负荷侧流向电源侧(3MVar<3.6MVar)，向电网反送无功。重载时，架空线路的无功潮流为由电源侧流向负荷侧(10.4MVar>0.9MVar)；电缆线路的无功潮流为由电源侧流向负荷侧(10.4MVar>3.6MVar)，电缆电容电流起到无功补偿的作用，功率因数提高、线路损耗降低。本例中需对空载及轻载时的电缆电容电流采取限制措施，为了保证隔离开关有效关合空载线路，采用在矿井电缆进线断路器线路侧安装并联电抗器的方式限制电容电流，并联电抗器的容量为0.75×3.6MVar=2.7MVar。采取限制措施后，空载时电容电流为0.25×19A=4.8A<5A，满足隔离开关关合小电容电流的要求；轻载时3MVar>(3.6-2.7=0.9)MVar，不出现反送无功的现象。

4 结 论

1)电缆线路的电容电流较大，为了保证隔离开关有效关合空载线路及避免向电网反送无功，必须计算线路空载时的电容电流并确定线路轻载时的无功潮流方向。

2)空载运行的电缆线路电容电流超过5A时，在进线断路器线路侧安装并联电抗器以限制电容电流。

3)空载运行的电缆线路电容电流小于5A，但轻载运行向电网反送无功时，可以在矿井总降站高压母线上安装并联电抗器或综合利用主变低压侧静止无功发生器(SVG)来限制电容电流，当电缆充电功率小于矿井负荷所需无功补偿容量时，优先采用SVG补偿电容电流。

参考文献：

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[2] 电力工业部电力规划设计总院.电力系统设计手册[M].北京：中国电力出版社，1998.

[3] 王学明.并联电抗器在长电缆电力贯通线电容电流补偿中的应用[J].上海铁道科技，2010(1)：122-123.

[4] 赵 璞，蔡 轼，董丹煌，等.轻负荷时高压电缆充电功率对电网无功平衡的影响分析[J].浙江电力，2013(2)：20-22.

[5] 郑小永.铁路10kV长电缆线路电容电流补偿策略分析[J].机电信息，2014(24)：27-29.

[6] 王金凤，包 毅，程跃森，等.城市配电网电容电流补偿研究[J].郑州大学学报(工学版)，2012，33(2)：69-72.