康蘇珍
(陽泉固莊煤礦,山西 陽泉 045000)
當前我國煤炭生產(chǎn)發(fā)展的趨勢逐步走向大型化、集中化、智能化,煤礦井下采、掘、運設備的功率也隨之不斷增大,對于供電系統(tǒng)質(zhì)量、效率、降耗的要求也隨之提高,為此,一些不能適應當前發(fā)展要求的設備和技術(shù)也需要進行改進[1],本文所述的無功自動補償裝置的應用正是為了改善當前煤礦井下供電系統(tǒng)質(zhì)量而進行的技術(shù)應用研究。
某礦榆林垴配電室主供本礦丈八井下、九尺井下、空壓機房、五號風機房等動力負荷,裝機容量達4 926 kW,由于煤礦生產(chǎn)班次的特殊需要,日負荷變化較大。在礦井供電過程中出現(xiàn)功率因數(shù)變化較大,致使設備容量得不到充分的利用,噸煤產(chǎn)量電耗增大,尤其是井下大功率電力電子調(diào)速產(chǎn)品的應用,產(chǎn)生大量的諧波電流涌入電網(wǎng),直接影響了礦井自動控制裝置及通信設備的正常運行,對礦井安全造成一定威脅。加之大型負載周期性啟動,造成電壓波動,嚴重影響了礦井正常生產(chǎn)。本礦榆林垴配電室設計為單母線分段供電模式,該配電室原配有兩套固定式408 kvar、6 kV高壓補償電容器,靠35 kV變電所人工監(jiān)控功率因數(shù)情況,指揮值班員進行電容器投切。
1.2.1 原因分析及改進方案
隨著煤礦機械化水平的不斷提高,原配套使用的408 kvar固定式高壓補償電容器遠遠不能滿足現(xiàn)在的供電網(wǎng)絡,經(jīng)認真分析研判,致使本礦供電網(wǎng)絡功率因數(shù)變化較大,有時低于0.7的情況,主要是因為生產(chǎn)過程中負荷的不均衡造成,補償采用的固定式408 kvar補償電容器組遠遠不能滿足高壓無功補償?shù)募夹g(shù)要求。經(jīng)過技術(shù)理論分析,認為在榆林垴配電室采用兩套DWK3型高壓電容無功功率補償控制器,對榆林垴配電室進行無功自動補償[2]。
1.2.2 方案實施
在榆林垴配電室6 kV高壓進線總控柜電流互感器二次中相取電流信號,在配電室6 kV電壓互感器二次取電壓信號,通過兩信號收取的數(shù)據(jù)運算實時控制并聯(lián)電容器組的投切,系統(tǒng)所需無功功率就根據(jù)負荷變化情況進行自動投切供給,保持系統(tǒng)較高的功率因數(shù)系數(shù)。補償后現(xiàn)場功率因數(shù)可提高至0.95以上,節(jié)能效果、功率因數(shù)控制平穩(wěn)均可達到技術(shù)要求。在選用無功功率自動補償裝置進行無功自動補償時,必須根據(jù)系統(tǒng)相關數(shù)據(jù)確定自動補償裝置的容量。
某礦榆林垴配電室的無功自動補償裝置的應用,主要是根據(jù)負荷變化的需要,通過電容器分組投入或切除調(diào)節(jié)供電系統(tǒng)中的無功功率,也就是使用開關設備分級地調(diào)節(jié)電容器補償容量,穩(wěn)定供電設備受電端電壓,提高本礦供電系統(tǒng)的功率因數(shù)。
由于現(xiàn)場測量榆林垴配電室的無功功率時耗時長、不易測量等原因,通過實時監(jiān)視榆林垴配電室所安裝的多功能數(shù)字顯示儀,采集6 kV高壓進線總控開關運行功率、電壓、電流等數(shù)據(jù)??傻贸鋈缦聰?shù)據(jù):
正常維修時:平均功率750 kW左右;電壓6.4 kV;工作電流105 A(無補償)。
正常生產(chǎn)時:平均功率1 500 kW左右;電壓6.3 kV;工作電流210 A(無補償)。
根據(jù)以上數(shù)據(jù)計算補償前平均功率因數(shù)。
正常檢修時:
正常生產(chǎn)時:
式中:cosΦ1為正常檢修(生產(chǎn))時,補償前平均功率因數(shù);P為運行功率,kW;U為電網(wǎng)電壓,kV;I為運行電流,A。
由上可知,在無補償情況下,某礦供電系統(tǒng)功率因數(shù)較低,為此,原有在配電室裝配了兩套固定式408 kvar、6 kV高壓補償電容器,靠35 kV變電所人工監(jiān)控功率因數(shù),值班員進行電容器投切,經(jīng)常出現(xiàn)不能及時進行無功補償和操作滯后于電網(wǎng)實時運行情況的問題,在保持較高的功率因數(shù)和電網(wǎng)電能的高效利用上,操作人員勞動強度大,且不精確、不科學,技術(shù)手段落后,因此,要進行技術(shù)改進,在系統(tǒng)中采用無功自動補償裝置進行無功補償,功率因數(shù)可達并保持在0.85~0.9。
2.2.1 公式計算確定
可以根據(jù)負荷的最大功率、補償前的功率因數(shù)及要求補償后達到的功率因數(shù),用下式計算確定:
Q=αP(tanΦ1-tanΦ2).
式中:Q為所需補償?shù)目偀o功功率kvar;α為平均負荷系數(shù),取0.7~0.8;P為用戶最大負荷,kW;tanΦ1為補償前平均功率因數(shù)角;tanΦ2為補償后平均功率因數(shù)角。
2.2.2 查表法確定
查每千瓦負荷所需無功功率補償率值表[1]確定補償率值,計算容量。
2.2.3 本次利用查表法計算確定
計算步驟:
采用Q=αPq,假設榆林垴配電室現(xiàn)無任何補償裝置,根據(jù)固定長期運轉(zhuǎn)負荷計量報表統(tǒng)計數(shù)據(jù)(不包括井下生產(chǎn)班運行負荷),計算得某礦榆林垴配電室平均輸出功率僅為720 kW。
1)電容器長期投入無功補償?shù)娜萘?
Q1=αPq
=0.7×720×0.87
=451 kvar.
式中:Q1為所需長期補償?shù)臒o功功率, kvar;α為平均負荷系數(shù),取0.7~0.8;P為固定長期運轉(zhuǎn)負荷,kW;q為每kW負荷所需無功功率補償率值。
當cosΦ1=0.64,cosΦ2=0.95時,查出q=0.87 kvar/kW;α=0.7;P=720 kW。
取整數(shù)Q1=450 kvar。即將450 kvar電容器做為長期投入無功補償容量保持不變。
2)自動補償裝置補償容量計算:
Q2=αPq
=0.7×1 500×0.87
=913.5 kvar.
式中:Q2為負荷最大時所需補償?shù)目偀o功功率,kvar;α為平均負荷系數(shù),取0.7~0.8;P為井下生產(chǎn)時最大負荷,kW;q為每kW負荷所需無功功率補償率值。
井下生產(chǎn)班次時,負荷急劇增加,榆林垴配電室平均輸出功率為1 500 kW(根據(jù)計量報表),查出當cosΦ1=0.64,cosΦ2=0.95時,q=0.87 kvar/kW,α=0.7。
取整數(shù)Q2=900 kvar.
3)在生產(chǎn)班次時,自動投切容量為:
Q=900-450=450 kvar.
式中:Q為無功功率自動補償裝置所需補償?shù)臒o功功率,kvar,也即無功功率自動補償裝置的容量。
無功功率自動補償裝置的容量確定為450 kvar,選取450 kvar容量的無功自動補償裝置,可滿足礦井供電的需要。
1)節(jié)能顯著。榆林垴配電室采用無功自動補償裝置后,提高了功率因數(shù)系數(shù),減少了本礦電費支出。根據(jù)實際運行分析每年節(jié)省電量60萬kW·h~80萬kW·h,固莊煤礦平均電價0.4元/(kW·h),可節(jié)省電費24萬元~32萬元。
2)提高了供配電設備供電能力。對于一定容量的用電負荷,當其有功功率為一定值時,功率因數(shù)越低,需要提供的電流越大。進行無功補償后,所需無功電流大部分由電容器組供電,設備的供電能力得到提高。
3)延長電氣設備使用壽命。采取無功自動補償裝置后,由于線路上無功電流減少,其線路電壓降也相應減少,供電線路電壓有所提高,改善了用電設備受電端電壓,控制開關故障率也隨之降低,使用壽命得到了增加,減少日常維護費用。
無功功率自動補償裝置在某礦榆林垴配電室的應用,解決了以往采用固定式補償裝置帶來的因生產(chǎn)班次、負荷變化大等原因帶來的一系列安全供電中的隱患問題,改善和穩(wěn)定了用電設備受電端的電壓,提高了供電系統(tǒng)的功率因數(shù),減少了供配電設備及輸電線路有功電能的損耗,最為明顯的有形效益就是節(jié)約了電費24萬元~32萬元,無形效益也很可觀。綜上分析,無功自動補償裝置在我礦榆林垴配電室的應用,發(fā)揮了投資少、見效快、收益高、操作簡單、節(jié)能效果非常明顯可觀的特點。
[1] 李正祥.煤礦機電工程師技術(shù)手冊[M].北京:煤炭工業(yè)出版社,2010.
[2] 顧永輝.煤礦電工手冊[M].北京:煤炭工業(yè)出版社,2009.