孫林艷+史大新

摘 要 針對(duì)目前煤礦井下供電系統(tǒng)中功率因數(shù)普遍偏低的情況，分析煤礦井下無功補(bǔ)償?shù)囊饬x，結(jié)合現(xiàn)有各井下無功補(bǔ)償裝置的特點(diǎn)，通過一個(gè)實(shí)際設(shè)計(jì)案例的具體數(shù)據(jù)計(jì)算，得出井下無功功率補(bǔ)償裝置應(yīng)用的可行性。

關(guān)鍵詞 煤礦井下；功率因數(shù)；無功補(bǔ)償裝置

中圖分類號(hào)：TD609 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-7597（2014）07-0118-02

隨著現(xiàn)代化礦井快速發(fā)展，機(jī)械化程度不斷提升，工作面設(shè)備至供配電硐室距離不斷增大，大功率電機(jī)大量使用，用電設(shè)備與電網(wǎng)供電電源之間必然循環(huán)著大量無功功率，造成供電質(zhì)量惡化和電能嚴(yán)重浪費(fèi)。目前各煤礦井下低壓供電系統(tǒng)中的功率因數(shù)普遍在0.5-0.7之間，嚴(yán)重影響整個(gè)礦井的功率因數(shù)，使得煤礦井下無功補(bǔ)償?shù)淖饔脴O為重要。

1 煤礦井下無功補(bǔ)償?shù)囊饬x

1）提高功率因數(shù)。

2）提高變壓器的利用率。

3）減小電壓損失、改善電壓質(zhì)量。

4）治理諧波，凈化井下電網(wǎng)。

5）穩(wěn)定電網(wǎng)電壓。

6）減少電氣事故率，延長(zhǎng)設(shè)備使用壽命。

2 井下無功補(bǔ)償裝置

1）礦用一般型高壓無功補(bǔ)償裝置。該裝置額定電壓等級(jí)為6 kV、10 kV，其特點(diǎn)是采用高壓專用真空接觸器投切，投切組數(shù)按用戶確定補(bǔ)償?shù)穆窋?shù)及每路的容量設(shè)定。該裝置可以安裝于井下無瓦斯煤塵爆炸的井下中央變電所，利用高壓電纜連接于井下變電所的各段母線的饋線柜上。

其缺點(diǎn)為外殼防護(hù)等級(jí)為礦用一般型，不能應(yīng)用于高壓大功率電機(jī)的無功補(bǔ)償，另外就是根據(jù)《并聯(lián)電容器裝置設(shè)計(jì)規(guī)范》中第8.1.4條及《10 kV及以下變電所設(shè)計(jì)規(guī)范》中第5.3.1條，高壓電容器裝置宜設(shè)置在單獨(dú)房間內(nèi)的要求，需要在變電所附近設(shè)置專門的硐室用來安裝高壓無功補(bǔ)償裝置。

2）礦用隔爆型無功功率自動(dòng)補(bǔ)償裝置。礦用隔爆型動(dòng)態(tài)無功功率自動(dòng)補(bǔ)償裝置是用于甲烷和煤塵爆炸危險(xiǎn)的礦井中1140 V、660 V供電系統(tǒng)進(jìn)行無功功率自動(dòng)補(bǔ)償?shù)膶Ｓ迷O(shè)備。該設(shè)備可與煤礦井下供電系統(tǒng)中的移動(dòng)變電站或干式變壓器并聯(lián)使用，可應(yīng)用于綜采、掘進(jìn)、運(yùn)輸?shù)蓉?fù)荷。

特點(diǎn)是：實(shí)時(shí)跟蹤井下供電系統(tǒng)的電氣參數(shù)，根據(jù)設(shè)定目標(biāo)自動(dòng)投切補(bǔ)償支路，補(bǔ)償無功功率，有些裝置可以濾除部分高次諧波，有效改善電網(wǎng)電能質(zhì)量，達(dá)到節(jié)能降耗的目的。

3）礦用隔爆型無功功率終端補(bǔ)償器。礦用隔爆型低壓無功終端補(bǔ)償裝置是與用電設(shè)備安裝在同一位置的就地補(bǔ)償裝置，是最理想的無功功率補(bǔ)償方式，節(jié)能效果最好。

特點(diǎn)是體積小，重量輕，隨不同的電機(jī)配置合適的電容，補(bǔ)償效果好，保護(hù)功能齊全。

3 無功補(bǔ)償裝置應(yīng)用范例

以某礦井井下供電系統(tǒng)為例，對(duì)井下其中一組單母線分段系統(tǒng)補(bǔ)償設(shè)計(jì)前后的供電系統(tǒng)予以說明。

3.1 供電系統(tǒng)現(xiàn)狀

本例采用某礦井下主變電所其中的一組單母線分段系統(tǒng)，安裝總?cè)萘繛?6255.20 kW，負(fù)載總?cè)萘?3523.20 kW，補(bǔ)償前視在功率為12725.08 kVA，平均功率因數(shù)0.79，將平均功率因數(shù)補(bǔ)償至0.94以后，視在功率為11680.08 kVA。

變電所至移動(dòng)變電站至終端負(fù)載的距離100 m到2500 m不等。電纜截面有240 mm2、120 mm2、50 mm2多種規(guī)格。各終端負(fù)載每天用電時(shí)間也不盡相同。

3.2 無功補(bǔ)償方案的確定

根據(jù)供電系統(tǒng)圖以及就地補(bǔ)償優(yōu)先的原則，對(duì)本礦井采用集中補(bǔ)償，分散補(bǔ)償和就地補(bǔ)償相結(jié)合的補(bǔ)償方式。在井下中央變電所，采用礦用一般型高壓無功補(bǔ)償裝置對(duì)中央變電所的10 kV高壓母線段進(jìn)行集中補(bǔ)償。移動(dòng)變電站至盤區(qū)變電所較遠(yuǎn)，在移動(dòng)變電站采用礦用隔爆型動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償裝置對(duì)移動(dòng)變電站進(jìn)行分散補(bǔ)償。另外對(duì)一些大功率的660 V設(shè)備進(jìn)行就地補(bǔ)償。

3.3 補(bǔ)償前后電流及功率的計(jì)算

僅以移動(dòng)變電站TM1，TM2所在回路為例進(jìn)行計(jì)算，設(shè)備工作容量2520 kW，2520 kW計(jì)算，功率因數(shù)按從COSφ=0.65提高到COSφ=0.79計(jì)算。TM2一側(cè)電纜長(zhǎng)度為2.5 km，一次側(cè)電纜截面為95 mm2，阻值R=0.25 Ω/km，二側(cè)電纜長(zhǎng)度為0.05 km，共4根，二次側(cè)電纜截面為150 mm2，阻值R=0.17Ω/km；TM1一側(cè)電纜長(zhǎng)度為0.6 km，一次側(cè)電纜截面為185 mm2，阻值R=0.15 Ω/km，二側(cè)電纜長(zhǎng)度為0.05 km，共4根，二次側(cè)電纜截面為150 mm2，阻值R=0.17 Ω/km，兩個(gè)變壓器容量均為3150 kVA，短路損耗12.8 kW，短路阻抗電壓百分?jǐn)?shù)5.5%。根據(jù)公式：

折算到變電站一次側(cè)補(bǔ)償前后的電流為：

補(bǔ)償前一次側(cè)電流I21=223.84 A

補(bǔ)償后一次側(cè)電流I21'=184.17 A

折算到變電站二次側(cè)補(bǔ)償前后的電流為：

補(bǔ)償前二次側(cè)電流I22=1963.51 A

補(bǔ)償后二次側(cè)電流I22'=1615.55 A

則補(bǔ)償后，從移動(dòng)變電站到井下變電所再到皮帶運(yùn)轉(zhuǎn)機(jī)降低的線路損耗為：

ΔP=3（I2-I'2）RL

ΔP21=3×（223.842-184.172）×0.25×2.5=30.35 kW

ΔP22=3×（1963.512-1615.552）×0.17÷4×0.05=7.93 kW

ΔPTM=（P/S）2（1/COS1-1/COS2）（Pk+λQk）

=（P/S）2（1/COS1-1/COS2）（Pk+0.01λUk%S）

注：P取額定功率的70%

ΔPTM2=（0.7×2520/3150）2（1/0.65-1/0.79）（12.8+0.01×0.1×5.5×2500）=2.58 kWendprint

對(duì)于TM1則

折算到變電站二次側(cè)補(bǔ)償前后的電流為：

補(bǔ)償前二次側(cè)電流I12=1963.51 A

補(bǔ)償后二次側(cè)電流I12=615.55 A

ΔP12=3×（1963.512-1615.552）×0.17÷4×0.05=7.93 kW

補(bǔ)償前一次側(cè)電流I11=447.68 A

補(bǔ)償后一次側(cè)電流I11=368.35 A

ΔP11=3×（447.682-368.352）×0.15×0.6=17.48 kW

ΔPTM1=2.58 kW

3.4 井下變電所至地面變電所線路降耗的計(jì)算

井下主變電所干線計(jì)算如下：

I干11=I干21=988.32 A

I干12=I干22=830.61 A

ΔP干1=ΔP干2=55.94 kW

其他移動(dòng)變電站一、二次側(cè)電流，功率均按此方式計(jì)算。

西翼盤區(qū)變電所干線計(jì)算如下：

I干31=I干41=447.68++27.09+65.38+79.94=620.09 A

I干32=I干42=368.35+22.01+53.12+57.74=501.21 A

ΔP干3=ΔP干4=3×（620.092-501.212）×0.15×1.6=95.98 kW

東翼盤區(qū)變電所干線計(jì)算如下：

I干51=I干61=365.52 A

I干52=I干62=292.57 A

ΔP干5=ΔP干6=28.0838 kW

ΔP支=ΔPTM總1+ΔPTM總2=151.28 kW

3.5 線路總降耗及變壓器降耗

將各段線路降耗匯總：

ΔP線總=ΔP干1+ΔP干3+ΔP干5+ΔP支

=55.94+95.98+28.08+151.28 kW=331.25 kW

變壓器的降耗按如下計(jì)算：P變總=13.1 kW。

3.6 經(jīng)濟(jì)效益分析

整個(gè)補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)節(jié)能為P總=P線總+P變總=331.25+13.1=344.35 kW

年節(jié)約用電 344.35kW×18小時(shí)/天×350天/年=2169405 kW·h

年節(jié)約資金 2169405 kW·h×0.52元/kW/h=112.8萬元

可見進(jìn)行無功補(bǔ)償后不僅為國(guó)家節(jié)能降耗作出貢獻(xiàn)，本礦的經(jīng)濟(jì)效益也是十分可觀的，一般在五年左右即可收回投資。

4 結(jié)束語

目前1140 V，660 V隔爆無功補(bǔ)償裝置，高壓6 kV，10 kV礦用一般型無功補(bǔ)償裝置已經(jīng)技術(shù)成熟，且在煤礦井下得到廣泛應(yīng)用，并取得良好的效果。3300 V的隔爆無功補(bǔ)償裝置正處于研發(fā)階段，6 kV，10 kV高壓隔爆補(bǔ)償裝置目前市場(chǎng)還處于空白階段。在目前，如果采用三級(jí)補(bǔ)償，可能還存在一些問題，包括系統(tǒng)復(fù)雜，設(shè)備投資高，占地面積大，設(shè)備維護(hù)困難等，但是相信隨著人們對(duì)節(jié)能意識(shí)的增強(qiáng)以及補(bǔ)償技術(shù)的提高，完美的井下補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)應(yīng)該會(huì)很快實(shí)現(xiàn)。

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作者簡(jiǎn)介

孫林艷（1981-），女，河北衡水人，工程師，2004年畢業(yè)于河北建筑科技學(xué)院，現(xiàn)就職于中煤邯鄲設(shè)計(jì)工程有限責(zé)任公司電氣工程所從事電氣設(shè)計(jì)工作。endprint