張先春,楊尊勝

（山東里能魯西礦業(yè)有限公司,山東 濟(jì)寧 272053）

1 當(dāng)前系統(tǒng)現(xiàn)狀

魯西煤礦井下供電為6kV電壓等級(jí)，現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)設(shè)備也均為1140V、660V電壓等級(jí)。其中影響電能質(zhì)量的主要因素及表現(xiàn)如下。

1.1 電壓波動(dòng)

由于煤礦井下生產(chǎn)條件具有不確定性，煤礦通常采用大型設(shè)備提高生產(chǎn)的適應(yīng)性和可靠性，這些設(shè)備單機(jī)功率大，啟動(dòng)頻繁，產(chǎn)生電壓波動(dòng)，對(duì)煤礦的配電系統(tǒng)或供電末端的電壓質(zhì)量造成影響。一采區(qū)二號(hào)變電所，輔助采區(qū)變電所包含采煤機(jī)、刮板機(jī)、帶式輸送機(jī)和綜掘機(jī)等大功率負(fù)荷設(shè)備，設(shè)備啟動(dòng)時(shí)大量無(wú)功沖擊造成工作面電壓劇烈波動(dòng)，導(dǎo)致設(shè)備無(wú)法正常啟動(dòng)，進(jìn)而影響正常生產(chǎn)。

1.2 諧波含量

供電線路未配備變頻裝置的采煤機(jī)、轉(zhuǎn)載機(jī)、破碎機(jī)、乳化液和噴霧泵等非線性負(fù)荷，線路諧波含量高，功率因數(shù)低，線路損耗大。

2 項(xiàng)目實(shí)施的必要性

2.1 調(diào)研分析

經(jīng)調(diào)研，低壓無(wú)功補(bǔ)償配點(diǎn)裝置具有以下優(yōu)點(diǎn)。

（1）低壓無(wú)功補(bǔ)償裝置位于移變低壓側(cè)，實(shí)現(xiàn)零距離補(bǔ)償，安裝方便，補(bǔ)償效果好。

（2）采用地面電網(wǎng)終端普遍推廣使用的成熟動(dòng)態(tài)補(bǔ)償技術(shù)，產(chǎn)品技術(shù)成熟可靠，補(bǔ)償效果好。

（3）獨(dú)有的高精度電能計(jì)量考核功能，即可實(shí)時(shí)統(tǒng)計(jì)負(fù)載電量，還可以統(tǒng)計(jì)出投入使用無(wú)功補(bǔ)償節(jié)省的電費(fèi)支出，產(chǎn)品的節(jié)能效果一目了然。

（4）產(chǎn)品采用全模塊化設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，維護(hù)方便。

（5）采用7吋彩屏顯示，補(bǔ)償數(shù)據(jù)、電參數(shù)據(jù)一目了然，顯示內(nèi)容豐富直觀，所有數(shù)據(jù)全部可并入供電自動(dòng)化實(shí)現(xiàn)上傳地面。

2.2 實(shí)施效果

2.2.1提高功率因數(shù)和供電設(shè)備的供電能力

由P=S*COSΦ可看出，當(dāng)設(shè)備的視在功率一定時(shí)，功率因數(shù)的提高,相應(yīng)的P也隨之增大，供電設(shè)備的有功出力也就提高了。

2.2.2降低電網(wǎng)中的功率損耗和電能損耗

由公式I=P/(√3*U*COSΦ)可知，當(dāng)有功功率為定值時(shí)，負(fù)荷電流和功率因數(shù)為反比，安裝無(wú)功補(bǔ)償后，功率因數(shù)提高，可使線路中的電流減小，從而使功率損耗降低，從而達(dá)到節(jié)約電能的效果。

2.2.3改善電壓質(zhì)量、降低電壓損失

在線路中電壓損失△U的計(jì)算公式如下：

△U=(PR+QX)÷Ue

其中：△U——線路中的電壓損失，kV。

R——線路總電阻，Ω。

P——有功功率，kW。

Q——無(wú)功功率，Mvar。

Ue——額定電壓，kV。

XL——線路感抗，Ω。

由上式可以看出，無(wú)功功率Q減少后，線路中的電壓損失就會(huì)相應(yīng)的減少。

2.2.4降低線損，節(jié)約電費(fèi)支出，降低生產(chǎn)成本

在電力供電系統(tǒng)中，要通過(guò)導(dǎo)線和變壓器等輸、配電設(shè)備送到終端設(shè)備，由于變壓器和導(dǎo)線都具有電阻和電抗，因此電流在電網(wǎng)流動(dòng)時(shí)，將會(huì)產(chǎn)生有功和無(wú)功的電能損耗。

電能損耗的大小與流過(guò)導(dǎo)線的電流的平方成正比。在同一導(dǎo)線截面內(nèi)，電流越大，功率損耗越大，并轉(zhuǎn)化為熱能散發(fā)到空氣中，造成浪費(fèi)。

2.2.5抑制諧波、凈化電網(wǎng)，改善電網(wǎng)供電質(zhì)量

隨著防爆變頻器以及各類電力電子設(shè)備在井下的廣泛應(yīng)用，電網(wǎng)中往往存在5次、7次以上等不同頻率的諧波干擾。諧波的存在不僅影響到供電設(shè)備的正常運(yùn)行（如饋電開(kāi)關(guān)保護(hù)器經(jīng)常因?yàn)楦蓴_出現(xiàn)故障），同時(shí)也會(huì)影響到井下其他通訊、控制系統(tǒng)的可靠運(yùn)行。

無(wú)功補(bǔ)償裝置各支路安裝電抗器與補(bǔ)償電容器相串聯(lián)，其作用有兩點(diǎn)：一是限制涌流，二是抑制諧波達(dá)到使裝置內(nèi)電器件安全運(yùn)行和凈化電網(wǎng)的目的。

3 就地補(bǔ)償方案

根據(jù)煤礦井下供電系統(tǒng)圖，供電系統(tǒng)末端負(fù)載電壓等級(jí)多為660V、1140V，因此可以在負(fù)載端增設(shè)低壓無(wú)功補(bǔ)償裝置，就地對(duì)負(fù)載進(jìn)行補(bǔ)償。

因供電系統(tǒng)末端負(fù)載較多，現(xiàn)針對(duì)其中一路進(jìn)行說(shuō)明，因末端負(fù)載容量的實(shí)際數(shù)據(jù)不清楚，只能通過(guò)供電系統(tǒng)圖中的移變?nèi)萘窟M(jìn)行理論估算。

3.1 補(bǔ)償容量計(jì)算

確定無(wú)功補(bǔ)償容量的原則如下：滿足正常運(yùn)行時(shí)補(bǔ)償需求，兼顧設(shè)備啟動(dòng)時(shí)等快速補(bǔ)償無(wú)功沖擊，支撐電壓。

根據(jù)煤礦井下實(shí)際供電系統(tǒng)圖，依據(jù)實(shí)際的現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)分析，采煤機(jī)回路主要負(fù)荷是采煤機(jī)、轉(zhuǎn)載機(jī)、刮板機(jī)和破碎機(jī)，因負(fù)載的實(shí)際功率不知，現(xiàn)通過(guò)所帶組合開(kāi)關(guān)容量進(jìn)行理論估算。組合開(kāi)關(guān)容量為1600 kVA，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，負(fù)載率按0.52，則總視在功率為832kVA。估算設(shè)備正常運(yùn)行時(shí)功率因數(shù)平均值為0.65。

補(bǔ)償前視在功率：S1=1600kVA*0.52=832kVA。

有功功率：P=S1*φ1=832kVA*0.65=540.8kW。

補(bǔ)償前無(wú)功量：Q12=S12-P2得Q1=632.3kVar。

補(bǔ)償后視在功率：S2=P/φ2=540.8kW/0.95=569.3kVA。

需補(bǔ)償無(wú)功由：Q22=S22-P2得Q2=177.8kVar。

最終可得無(wú)功需求量：ΔQ=Q1-Q2=454kVar左右。

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)值估算，設(shè)備啟動(dòng)瞬間無(wú)功需求可達(dá)到500～600kVar，WJ1-560/1140無(wú)功補(bǔ)償裝置具有短時(shí)過(guò)載能力，可達(dá)到670kVar，完全滿足設(shè)備啟動(dòng)時(shí)的無(wú)功需求。

3.2 補(bǔ)償方案內(nèi)容

3.2.1 結(jié)構(gòu)特征

（1）保護(hù)箱的總體結(jié)構(gòu)由隔爆外殼與芯體組成。上方為保護(hù)箱部分及無(wú)功補(bǔ)償電源部分，下方為無(wú)功補(bǔ)償部分。

（2）隔爆外殼為方型非快開(kāi)門結(jié)構(gòu)，可分為接線腔、主腔、電纜引入裝置等。

（3）芯體由隔離開(kāi)關(guān)、無(wú)功補(bǔ)償控制器、補(bǔ)償控制回路、熔斷器、補(bǔ)償回路、電流互感器、PLC可編程控制器等組成。

3.2.2工作原理

通過(guò)電流互感器和電壓互感器對(duì)主回路進(jìn)行信號(hào)采樣，送入無(wú)功功率補(bǔ)償控制器WBKC并給出控制信號(hào)，以無(wú)功補(bǔ)償控制器為核心的投切裝置，通過(guò)循環(huán)方式控制補(bǔ)償控制回路的通斷，控制對(duì)應(yīng)的補(bǔ)償回路的投入和退出，對(duì)供電系統(tǒng)的無(wú)功功率進(jìn)行自動(dòng)補(bǔ)償。同時(shí)也可以根據(jù)需要進(jìn)行手動(dòng)的投入與切除操作。在隔離裝置合閘前應(yīng)確保每一路的轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)都處于切除位置。

3.2.3絕緣檢測(cè)

絕緣檢測(cè)是進(jìn)行絕緣檢測(cè)，負(fù)荷側(cè)絕緣電阻在40kΩ(1140V)、22kΩ（660V）動(dòng)作值以下時(shí)，能可靠地實(shí)現(xiàn)漏電保護(hù)并顯示“漏電故障，數(shù)據(jù)采集器中J2繼電器斷開(kāi)，如絕緣電阻值達(dá)到（1140V）40KΩ以上，數(shù)據(jù)采集器中J2繼電器閉合，3號(hào)線與+24V線采集到信號(hào)送至高壓開(kāi)關(guān)，高壓斷路器可以合閘。如主回路絕緣電阻低于閉鎖動(dòng)作值時(shí)，J2自動(dòng)能斷開(kāi)，高壓配電裝置中斷路器不能合閘，對(duì)移變高壓側(cè)實(shí)施漏電閉鎖。

3.2.4漏電保護(hù)

漏電檢測(cè)的附加直流電源經(jīng)三相電抗器SK～濾波電路板～數(shù)據(jù)采集端子組成漏電檢測(cè)回路，如單相對(duì)地絕緣電阻≤22KΩ（1140V）、絕緣電阻≤11KΩ（660V）時(shí)，低壓保護(hù)箱中的J2接點(diǎn)保護(hù)斷開(kāi)，高壓側(cè)斷路器跳閘，動(dòng)作值誤差在±20%，并在顯示屏中顯示電阻值。

3.2.5過(guò)載、短路保護(hù)

主回路電流檢測(cè)經(jīng)電流互感器TA，將信號(hào)送給數(shù)據(jù)采集器，進(jìn)行電流值的比較。當(dāng)電流值達(dá)到所設(shè)定的電流值時(shí)，實(shí)現(xiàn)反時(shí)限動(dòng)作跳閘。

3.2.6過(guò)壓、失壓保護(hù)

（1）保護(hù)箱在額定控制電源電壓的75%～110%范圍內(nèi)能可靠工作。

（2）保護(hù)箱應(yīng)在失壓狀態(tài)下，能自動(dòng)將電容器切除；恢復(fù)通電后能防止電容器自行投入。

4 補(bǔ)償數(shù)據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)

對(duì)井下輔助采區(qū)3下116采煤工作面泵站及三機(jī)配套進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際測(cè)量，測(cè)量數(shù)據(jù)如下。

4.1 三機(jī)配套移變實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)（見(jiàn)表1）

表1

4.2 乳化液泵站實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)（見(jiàn)表2）

表2

5 取得的效益

5.1 安全效益

（1）低壓保護(hù)箱隔爆性能好、技術(shù)先進(jìn)、保護(hù)性能穩(wěn)定可靠、結(jié)構(gòu)緊湊、易于操作、維護(hù)和檢修等優(yōu)點(diǎn)。保護(hù)箱由隔爆外殼、芯體和PLC主控機(jī)等組成。

（2）低壓保護(hù)箱采用西門子PLC進(jìn)行控制與保護(hù)，能快速實(shí)現(xiàn)過(guò)電流、短路、過(guò)壓、失壓、漏電、漏電閉鎖等保護(hù)。

（3）低壓保護(hù)箱具有實(shí)時(shí)顯示工作參數(shù)和工作狀態(tài)的功能。復(fù)位電路及漏電閉鎖檢測(cè)電路，其電流為毫安級(jí)，防爆安全性能更好。

5.2 經(jīng)濟(jì)效益

（1）低壓保護(hù)箱具有對(duì)感性負(fù)載的無(wú)功自動(dòng)補(bǔ)償功能，能夠自動(dòng)檢測(cè)負(fù)載的功率因數(shù)，并能將負(fù)載的功率因數(shù)自動(dòng)補(bǔ)償?shù)?.95以上，降低變壓器和線路損耗，節(jié)約電能。

（2）低壓保護(hù)箱具有高精度電參數(shù)計(jì)量功能。配備專用高精度電參數(shù)計(jì)量模塊，采集精度0.2級(jí)，模塊計(jì)量精度0.5級(jí)。

（3）低壓保護(hù)箱設(shè)置了各種模擬試驗(yàn)按鈕，保護(hù)主控機(jī)可進(jìn)行自檢和功能顯示，可方便地檢測(cè)各部件的完好性，設(shè)置簡(jiǎn)單，操作、維修方便。

（4）低壓補(bǔ)償回路和保護(hù)回路采用模塊化設(shè)計(jì)，更換方便、便于維修。

（5）穩(wěn)定電網(wǎng)電壓，解決大功率負(fù)荷啟動(dòng)造成的電壓跌落，減少故障時(shí)間，提高生產(chǎn)效率。

（6）提升電能質(zhì)量，消除諧波，延長(zhǎng)用電設(shè)備壽命，節(jié)省大量設(shè)備維護(hù)費(fèi)用。