劉文濤

（江西銅業(yè)集團(tuán)有限公司 德興銅礦，江西 德興 334224）

1 引言

2300XPC電鏟電氣采用國(guó)外先進(jìn)的交流電轉(zhuǎn)換成直流電從而驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)［1］。無功功率補(bǔ)償柜提供整流器所需要的無功功率控制部件，同時(shí)在挖掘機(jī)正常運(yùn)行期間過濾電氣系統(tǒng)所產(chǎn)生的主要諧波，因此我們采用的是進(jìn)口無功功率補(bǔ)償斷路器［2］。

德興銅礦1989年～1998年先后引進(jìn)了四臺(tái)2300XPC型電鏟。在日常維護(hù)電鏟工作中，更換斷路器是一件繁重的工作，平均更換工作時(shí)間是7h左右。無功功率補(bǔ)償斷路器的保護(hù)原理是RPC柜內(nèi)的電抗器和電容發(fā)生短路而起到一種保護(hù)作用從而防止其他電氣柜發(fā)生更嚴(yán)重的損壞。無功功率補(bǔ)償斷路器斷路元件和輔助觸點(diǎn)元件組合，安裝在RPC柜門內(nèi)。當(dāng)無功功率補(bǔ)償斷路器出現(xiàn)故障時(shí)，維修難度大且時(shí)間長(zhǎng)。早班人員在現(xiàn)場(chǎng)更換時(shí)，幾乎都要加班至中班。作為電鏟技術(shù)人員，首要任務(wù)就是合理地優(yōu)化維修程序，減少電鏟故障停機(jī)時(shí)間。

2 無功功率補(bǔ)償原理

2.1 RPC運(yùn)行

無功功率補(bǔ)償（RPC）柜包括提供整流器所需要無功功率控制方法的部件，同時(shí)在挖掘機(jī)正常運(yùn)行期間向電氣系統(tǒng)所產(chǎn)生的主要諧波提供過濾器。

RPC系統(tǒng)包括以下基本部件：

加法變壓器、KVAR感應(yīng)電壓互感器、KVAR傳感器、智能接口模塊、RPC防火板、脈沖變壓器、開關(guān)部件、反應(yīng)器及電容器。

2.2 功率因數(shù)校正

電樞及磁場(chǎng)換流器的載荷為感應(yīng)電機(jī)，要求電磁場(chǎng)運(yùn)行。這些感應(yīng)載荷要求兩個(gè)供電部件運(yùn)行。

工作功率（KW）執(zhí)行創(chuàng)建運(yùn)行的實(shí)際工作，無功功率（KVAR）用來維持電磁場(chǎng)。

工作功率或者KW消耗的瓦特?cái)?shù)可以由瓦特計(jì)來讀出。無功功率或者KVAR不執(zhí)行任何有用的工作，因?yàn)闊o功電流在換流器及電機(jī)之間循環(huán)，在電源和配電系統(tǒng)產(chǎn)生更大電流。KW和KVAR一起構(gòu)成視在功率（AP），其可以以千伏安（KVA）來測(cè)量。有關(guān)KW、KVAR、以及KVA的圖解表示，如圖1。

圖1 KW、KVAR、以及 KVA 關(guān)系圖

功率因數(shù)（PF）是實(shí)際 KW 和流動(dòng)電流總KVA 的比值。PF 可以使用以下公式來確定。

PF = KW ÷ KVA

PF為1則表示為電源和載荷之間的所有電流消耗在載荷功的產(chǎn)生上［3］。隨著無功電流增加以及功率因數(shù)減少，電流做功的量就會(huì)減少。這種電氣條件或者經(jīng)濟(jì)情形并不理想，但是可以通過使用無功功率補(bǔ)償系統(tǒng)來克服之［4］。

在連接到交流線上的時(shí)候，RPC 系統(tǒng)利用電容器自然趨勢(shì)的優(yōu)點(diǎn)來獲得超前電流。RPC系統(tǒng)通過連接和斷開電線上的電容器組，借助于電氣開關(guān)來控制無功功率的電平。

超前電容電流在運(yùn)動(dòng)換流器運(yùn)行中補(bǔ)償其固有的滯后感應(yīng)無功電流。結(jié)果就是總線電流與有功電流相等。在功率方面，有功功率等于視在功率或伏安數(shù)，即功率因數(shù)達(dá)到1的地方。

2.3 無功功率補(bǔ)償

KVAR 傳感器 U94B7 對(duì)進(jìn)給電樞整流器的母線中電壓和電流相態(tài)關(guān)系進(jìn)行比較。KVAR傳感器收到兩個(gè)輸入信號(hào)，并且產(chǎn)生輸出誤差信號(hào)，其與 600VAC 母線上電壓和電流之間的相差成比例關(guān)系。在無載荷的情況下，輸出信號(hào)為 0V 或者接近0V，而交流母線上的電壓和電流仍為同相。在載荷增加的情況下，當(dāng)挖掘機(jī)開始挖掘并且使用提升加壓動(dòng)作的時(shí)候， KVAR 傳感器的輸出將會(huì)隨著電壓電流相態(tài)關(guān)系的變化而增加［5］。

KVAR 傳感器從 KVAR 感應(yīng)電壓互感器 U94B5和 U94B6 獲得 115VAC。該輸入作為電源以及電壓基準(zhǔn)。電流感應(yīng)輸入來自加法變壓器 K02E1 和K06E1。加法變壓器 A 相 K02E1 使用電流互感器來測(cè)量 1L1 和 2L1 母線的 A ?線電流。加法變壓器 C 相 K06E1 也使用電流互感器來測(cè)量 1L3和 2L3 母線的 C? 線電流。KVAR 傳感器對(duì)來自KVAR 感應(yīng)電壓互感器的電壓以及來自加法變壓器的電流進(jìn)行內(nèi)部分析。輸出誤差電壓代表必需的KVAR 修正因數(shù)，并且應(yīng)用到遠(yuǎn)程 I/O 系統(tǒng) 2 模擬電壓輸入高速模塊 U94A8N［6］，如圖2。

圖2 2300XPC挖掘機(jī) RPC 系統(tǒng)的方塊圖

3 無功補(bǔ)償斷路器電流的危害

無功功率補(bǔ)償斷路器的保護(hù)原理是RPC柜內(nèi)的電抗器和電容發(fā)生短路而起到一種保護(hù)作用從而防止其他電氣柜發(fā)生更嚴(yán)重的損壞［7］。無功功率補(bǔ)償斷路器的斷路元件和輔助觸點(diǎn)元件組合，安裝在RPC柜門內(nèi)。當(dāng)無功功率補(bǔ)償斷路器出現(xiàn)故障時(shí)，維修難度大且時(shí)間長(zhǎng)。

無功功率補(bǔ)償斷路器在電鏟作業(yè)的震動(dòng)下，常造成無功功率補(bǔ)償斷路器部件松動(dòng)和接觸不良、觸點(diǎn)氧化，導(dǎo)致輸出電壓極不穩(wěn)定，影響無功補(bǔ)償?shù)姆€(wěn)定性。

實(shí)際運(yùn)行中發(fā)現(xiàn)，無功功率補(bǔ)償斷路器在南方野外下雨環(huán)境下，易出現(xiàn)無功功率補(bǔ)償斷路器高壓會(huì)串入低壓輔助觸點(diǎn)信號(hào)線，導(dǎo)致RPC遠(yuǎn)程站柜內(nèi)元件大部分燒壞嚴(yán)重。

4 斷路器串電危害的解決方案

4.1 加入中間繼電器進(jìn)行阻隔

（1）改RPC遠(yuǎn)程站輔助觸點(diǎn)信號(hào)從斷路器分離出來；將輔助信號(hào)從斷路器中分離移出繼電器箱內(nèi)，同時(shí)改裝線路。

（2）加入中間繼電器進(jìn)行隔離。

加入中間繼電器提供的無功功率補(bǔ)償斷路器保護(hù)裝置，器件主要包括：中間繼電器1、無功功率補(bǔ)償斷路器輔助點(diǎn)2、模數(shù)開關(guān)3和電源4，中間繼電器1一端通過導(dǎo)線5與地連接，另一端通過導(dǎo)線5依次串聯(lián)連接無功功率補(bǔ)償斷路器輔助點(diǎn)2、模數(shù)開關(guān)3和電源4的正極端，電源4的負(fù)極端與地連接，構(gòu)成一個(gè)完整的電路回路，如附圖1所示。中間繼電器1為安全防護(hù)繼電器，無功功率補(bǔ)償斷路器輔助點(diǎn)2為帶電閉合開關(guān)，電源4為電鏟低壓電源。提供的保護(hù)裝置能及時(shí)準(zhǔn)確地防護(hù)強(qiáng)電串入弱電的故障，簡(jiǎn)單實(shí)用，安全可靠，經(jīng)濟(jì)效果顯著。

如附圖2所示，把保護(hù)裝置中的中間繼電器1安裝在無功功率補(bǔ)償斷路器輔助點(diǎn)2與無功功率補(bǔ)償模塊8之間，則可以防護(hù)這一部分結(jié)構(gòu)的電壓，并決定無功功率補(bǔ)償斷路器輔助點(diǎn)2的閉合或斷開狀態(tài)。

當(dāng)電鏟啟動(dòng)并運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，強(qiáng)電經(jīng)過母排到無功功率補(bǔ)償斷路器6，通電無功功率補(bǔ)償斷路器6通電吸合，隨后無功功率補(bǔ)償斷路器輔助點(diǎn)2吸合，中間繼電器1得電吸合，并對(duì)中間繼電器輔助點(diǎn)7吸合以及對(duì)外輸出信號(hào)，此時(shí)，無功功率補(bǔ)償斷路器輔助點(diǎn)2閉合，由于模數(shù)開關(guān)3處于斷開狀態(tài)，因此中間繼電器1不工作。

當(dāng)模數(shù)開關(guān)3吸合時(shí)，則有兩種狀態(tài)：第一種為無功功率補(bǔ)償斷路器6無強(qiáng)電串入弱電系統(tǒng)正常工作的狀態(tài)，即中間繼電器輔助點(diǎn)7吸合而無功功率補(bǔ)償模塊8中的PLC通訊模塊得到電信號(hào)，PLC通訊模塊通訊正常，電鏟可以正常啟動(dòng)，因而中間繼電器1不起防護(hù)作用；第二種為無功功率補(bǔ)償斷路器6發(fā)生短路的狀態(tài)，即強(qiáng)電電壓通過無功功率補(bǔ)償斷路器輔助點(diǎn)2串入，強(qiáng)電到達(dá)中間繼電器1，因燒壞中間繼電器1線圈而不再工作，但中間繼電器1可以起到隔離電壓的作用，使中間繼電器1后面的無功功率補(bǔ)償模塊8和元器件處于斷開狀態(tài)，同時(shí)模數(shù)開關(guān)3處于斷開狀態(tài)，因而中間繼電器1起到防護(hù)的作用，并且PLC通訊模塊能夠提示無功功率補(bǔ)償斷路器6有強(qiáng)電串入弱電故障。如圖3

圖3 加入中間繼電器原理圖

將原來的信號(hào)線解除，從繼電器箱內(nèi)繼電器線圈上再引兩根線到斷路器，斷路器通電吸合，輔助觸點(diǎn)得電，繼電器線圈吸合，繼電器輔助信號(hào)得電，并信號(hào)給PLC，顯示得到信號(hào)，形成新的斷路器輔助信號(hào)。

圖4 原接線圖

圖5 新接線圖

4.2 制作安裝繼電器箱

（1）繼電器箱組裝。

（2）繼電器安裝。

在RPC柜右方電鏟的墻板上焊接繼電器箱支架；將繼電器箱固定在支架上，再將繼電器箱的出線與斷路器的輔助點(diǎn)端連接。

繼電器箱改進(jìn)后如下。

圖6 整體式繼電器箱圖

圖7 繼電器箱內(nèi)元件圖

改進(jìn)后的2300XPC電鏟（12#、14#）的RPC斷路器平均更換時(shí)間是2.9h，小于改造前的7h。2017年，電鏟可開動(dòng)率達(dá)到了89%，比2016年84.59%提高了四個(gè)百分點(diǎn)。

4.3 取得效果

活動(dòng)至今，電鏟未出現(xiàn)穩(wěn)壓器故障， 故障時(shí)間由原來的7h/次減少為2.9h/次；取得了很好的效果，實(shí)現(xiàn)了我們改進(jìn)的目的。

圖8 攻關(guān)后的RPC斷路器故障時(shí)間標(biāo)注狀圖

5 結(jié)束語

礦山工程技術(shù)人員經(jīng)過幾月對(duì)電鏟無功補(bǔ)償斷路器技術(shù)的創(chuàng)新，完成了斷路器的改進(jìn)，改造至今，電鏟未出現(xiàn)串電故障。 實(shí)現(xiàn)了無功補(bǔ)償斷路器的改造。達(dá)到了電鏟斷路器的技術(shù)要求，確保電鏟的穩(wěn)定，提高了電鏟的可開率。執(zhí)行了鞏固措施后，今年故障和更換時(shí)間比以往又有所縮短，實(shí)施效果得以維持。并將改造創(chuàng)新推廣到6#、12#、13#鏟。

這項(xiàng)改進(jìn)減少了電鏟停機(jī)時(shí)間，提高電鏟作業(yè)率，提高了技術(shù)創(chuàng)新能力，為礦山的不斷發(fā)展提供了一個(gè)好的基礎(chǔ)。