淺談煤礦井下供電系統(tǒng)無功補(bǔ)償技術(shù)的應(yīng)用

1、淺談煤礦井下供電系統(tǒng)無功補(bǔ)償技術(shù)的應(yīng)用2007年7月國家發(fā)改委、國家環(huán)保總局聯(lián)合下發(fā)的關(guān)于煤礦工業(yè)節(jié)能減排意見的通知中明確指出：煤礦井下宜采用動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償和就地?zé)o功補(bǔ)償，礦月平均功率因素不得低于0.9。為我們指明了井下供電系統(tǒng)提高功率因素，實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗的科學(xué)有效的具體措施，引起了煤炭系統(tǒng)領(lǐng)導(dǎo)的高度重視，激發(fā)了廣大煤礦機(jī)電專業(yè)技術(shù)人員的科研熱情，為實(shí)現(xiàn)煤礦節(jié)能降耗工作深入開展，充分認(rèn)識井下供電系統(tǒng)采用無功補(bǔ)償技術(shù)的重要意義創(chuàng)造了條件。本文就煤礦井下供電系統(tǒng)采用無功補(bǔ)償?shù)挠嘘P(guān)理論及補(bǔ)償前后經(jīng)濟(jì)效益分析對比進(jìn)行探討。1煤礦井下無功功率存在的危害在煤礦井下供配電系統(tǒng)中廣泛存在大量的感性負(fù)荷，如三相異步

2、電動(dòng)機(jī)和變壓器，這些感性負(fù)荷在配電系統(tǒng)中會消耗大量的無功功率，降低系統(tǒng)的功率因素，造成線路電壓損失加大和電能損耗增加。此外，對于一些沖擊性無功負(fù)荷，還會產(chǎn)生劇烈的電壓波動(dòng)，使電網(wǎng)的供電質(zhì)量惡化，造成電機(jī)啟動(dòng)困難或頻繁燒毀，特別是在大功率電動(dòng)機(jī)使用上表現(xiàn)尤為明顯。另外，因無功電流的增大會引起供電線路、用電設(shè)備絕緣下降，老化，易造成漏電、短路等故障。如我礦中四區(qū)22408面在北八順槽掘進(jìn)過程中就遇到此類情況。該系統(tǒng)采用KBSG-630kV·A 660V 型變壓器供電，EBH-120掘進(jìn)機(jī)進(jìn)道，系統(tǒng)總功率550kW 。在掘進(jìn)到1200m 時(shí)就遇到掘進(jìn)機(jī)啟動(dòng)困難，電氣設(shè)備靈敏度校驗(yàn)不合格的情

3、況。在現(xiàn)有設(shè)備和技術(shù)支持的情況下，我礦采用將供電變壓器前移，饋電開關(guān)更換成具有相敏短路保護(hù)功能的KBDZ-630型饋開才完成開掘任務(wù)。另外，第一臺MGTY250660型電牽引采煤機(jī)用于32-407面也因裝機(jī)容量大，供電距離遠(yuǎn)等原因造成啟動(dòng)困難，最后只得提高整個(gè)系統(tǒng)電壓等級才勉強(qiáng)工作。這些實(shí)例都可歸結(jié)為系統(tǒng)無功負(fù)荷太大造成的后果。解決這些問題的最根本方法就是進(jìn)行無功功率補(bǔ)償。 無功補(bǔ)償?shù)耐ǔＷ龇ㄊ窃谙到y(tǒng)中采用固定安裝或自動(dòng)投切方式接人并聯(lián)電容器等容性設(shè)備，這些設(shè)備可補(bǔ)償感性負(fù)荷所消耗的部分無功功率。減少無功功率在電網(wǎng)中流動(dòng)，從而降低線路電能損耗，提高系統(tǒng)功率因素，改善電網(wǎng)運(yùn)行條件。2電網(wǎng)無功功率

4、及功率因素的含義電力網(wǎng)除了要負(fù)擔(dān)用電負(fù)荷的有功功率P ，還要負(fù)擔(dān)負(fù)荷的無功功率Q ，P 、Q 和視在功率S 間存在如下關(guān)系：s=P2+Q (1而電網(wǎng)的功率因素為COS=Ps (2即功率因素COS 9的物理意義是：線路的視在功率S 供給有功功率P 的消耗所占的百分?jǐn)?shù)。功率因素還可用式(3來表達(dá)COS tp=PS=P“3 UI (3可見，在一定電壓U 和電流，下。提高功率因素COS 妒，其輸出的有功功率P將增大，因此改善功率因素是充分發(fā)揮設(shè)備能力提高設(shè)備利用率的有效方法。 3采用無功補(bǔ)償提高功率因素的意義31 降低電壓損壓，改善電壓質(zhì)量電網(wǎng)電壓損失可以表示為阢=(PR+QXLU (4可以看出，影響

5、電網(wǎng)電壓損失的因素有四：P 、Q 、R 和XL 。如采用容抗為X 。的電容來補(bǔ)償。電壓損失U 可表示為1一PR+Q(XLX(3U (5U1<阢(6故采用補(bǔ)償電容器提高功率因素后，電壓損失減少。32減少線路和變壓器損耗(1線路通過電流¨時(shí)，有功損耗為ZiP 一3rR (7或P 一3P2R 擴(kuò)cos2伊(8可見，線路功率損耗P 與COS2妒成反比，COS 妒越高，P 越小。(2變壓器損耗中，鐵損與負(fù)荷無關(guān)，銅損與負(fù)荷率的平方成反比。當(dāng)輸出功率恒定時(shí)，功率因素由COS 伽提高到COS 仰，銅損減少的有功功率為 APr=爐PK(1一COS 伽COS 即2 (9式中聲為變壓器負(fù)荷率；PK

6、 為變壓器額定銅損；COS 咖、COS 弘為補(bǔ)償前后的功率因素?？梢娮儔浩縻~損PK 越小。功率因素COS 仰越高。33降低電費(fèi)按照功率因素調(diào)整電費(fèi)的規(guī)定，隨著功率因素的提高，電費(fèi)將降低，另外提高功率因素電耗減少，也將減少電費(fèi)。34增加設(shè)備輸出容量提高功率因素后，由于無功電流得到補(bǔ)償，供用電設(shè)備及線路的負(fù)荷電流相應(yīng)減少，使設(shè)備的輸出容量增加。35 減小電纜截面和降低變壓器容量提高功率因素后，由于負(fù)荷電流減小，因而供電線路電纜截面和配電變壓器容量可適當(dāng)降低。4無功補(bǔ)償原理無功補(bǔ)償原理電路圖如圖1所示，相量圖如圖2所示圖1無功補(bǔ)償電路圖2無功補(bǔ)償相量圖在煤礦井下各種負(fù)載中，異步電動(dòng)機(jī)、變壓器所消耗的

7、無功功率在電力系統(tǒng)所提供的無功功率中占很大比例(電抗器、架空線、各種諧波源也要消耗一定的無功功率，但比例不大 ，而異步電動(dòng)機(jī)變壓器可看作典型的阻感回路，即由工作電阻R 和電感L 相串聯(lián)的電路，其功率因素可表示為：COS qD=R刀F 釘i在該電路并聯(lián)接人電容器C 后，由相量圖可知；并聯(lián)電容后，電壓與相位變小了，即供電回路的功率因素COS 艫提高了。5無功補(bǔ)償方式及各種補(bǔ)償?shù)膬?yōu)缺點(diǎn)比較電網(wǎng)的無功補(bǔ)償從補(bǔ)償?shù)哪康膩砜?，可分為系統(tǒng)補(bǔ)償和負(fù)荷補(bǔ)償。系統(tǒng)補(bǔ)償?shù)哪康氖菫榱颂岣咻旊娋W(wǎng)的傳輸容量，改善電網(wǎng)的穩(wěn)定性等，負(fù)荷補(bǔ)償?shù)哪康氖菫榱颂岣呦到y(tǒng)的功率因素和供電質(zhì)量，減少線損等。配電網(wǎng)常用的無功補(bǔ)償方式有：就地

8、無功補(bǔ)償、分散無功補(bǔ)償和集中無功補(bǔ)償。(1就地?zé)o功補(bǔ)償采用并聯(lián)電容器直接裝于用電設(shè)備附近，與電動(dòng)機(jī)供電回路相并聯(lián)，常用于低壓網(wǎng)絡(luò)。它使用品閘管或機(jī)械開關(guān)作為投切開關(guān)，通過就地電壓傳感器控制而自動(dòng)投切電容器。運(yùn)行時(shí)電機(jī)所需的無功負(fù)荷由電容器就地供給，能量交換距離最短，可最大限度降低線路電流。在線路相同情況下，線路損耗與電流平方成正比。所以，電容就地補(bǔ)償，節(jié)電效果最好。但由于井下現(xiàn)場環(huán)境惡劣，維護(hù)、保養(yǎng)跟不上，極易造成設(shè)備損壞。(2分散無功補(bǔ)償方式將并聯(lián)電容器安裝在變壓器低壓側(cè)，達(dá)到提高分支回路功率因素，降低供電線路電流，減少線損目的。(3集中無功補(bǔ)償采用在變電站降壓變壓器母線側(cè)安裝高壓并聯(lián)電容器

9、組，其優(yōu)點(diǎn)是有利于控制電網(wǎng)電壓水平，且易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)投切，利用率高，維護(hù)方便，能減少電網(wǎng)、變壓器及供電線路的無功負(fù)荷和電能損耗，但不能減少電網(wǎng)內(nèi)部各分支線路的無功負(fù)荷和電能損耗。6提高功率因素綜合效益分析61經(jīng)濟(jì)效益定量分析例：某礦從地面變電站向井下一綜采面供電，供電距離為5km ，輸電電纜采用3x 120mmz交聯(lián)電纜，一次電壓6kV ，二次電壓l140V ，工作面總負(fù)荷3 000 kW，平均功率因素0.65，負(fù)荷率0.7，年工作時(shí)間340×186 120 h。在工作面移變二次側(cè)并聯(lián)電容器組采用無功補(bǔ)償后系統(tǒng)平均功率因素達(dá)到0.95，求補(bǔ)償前后節(jié)約費(fèi)用；(1線路損耗補(bǔ)償前：Io 一(

10、3 000X07 (J5X1 140X065X10s一1 636 A折算到：6 kV系統(tǒng)h 一1 6365327A補(bǔ)償后：L 一(3 000×07“3×1 140X095X103=1 120 A折算到：6 kV系統(tǒng)fl=1 1205224 A每小時(shí)每公里降低功率損耗P 線=3(Io 2一11 2R一3X(3282-2242×0188=32 kW全年節(jié)省電費(fèi)6 120×32X5×03736，2萬元(0188 akm 為3X 120高壓電纜每千米電阻值(2電纜投資節(jié)省費(fèi)用補(bǔ)償前：L=327 A，選擇3X120 aim2電纜。載流量335 A補(bǔ)償后：

11、Il=224 A，選擇3×70 ri,lrn2電纜，載流量242 A根據(jù)兩種規(guī)格電纜目前市場批發(fā)價(jià)。計(jì)算差價(jià)為(218120×5 000=49萬元(3變壓器投資節(jié)省費(fèi)用補(bǔ)償前：So=3 oooo 654 615 kV·A補(bǔ)償后：Sl 一3 oooo 95=3158 kV·AS=soS14 6153 158=1457 kV·A根據(jù)補(bǔ)償前后變壓器容量差可以看出，最起碼可少投入一臺1 250 kV?A變壓器，該變壓器市場價(jià)為35萬元左右。綜上分析，這樣的工作面，采用無功補(bǔ)償前后，年節(jié)約資金至少在120萬元以上。62安全效益定性分析采用無功補(bǔ)償前，系統(tǒng)

12、因存在大量無功負(fù)荷，產(chǎn)生的大量無功電流導(dǎo)致電纜、變壓器、開關(guān)、電機(jī)的絕緣下降加快，進(jìn)而引發(fā)漏電、短路故障，可能造成傷人或引發(fā)瓦斯爆炸事故。同時(shí)由于電壓降增大，造成電機(jī)無法啟動(dòng)，進(jìn)而燒毀電機(jī)、開關(guān)，影響生產(chǎn)。采用無功補(bǔ)償后，系統(tǒng)電流下降，上述各種事故就會明顯減少，所以采用無功補(bǔ)償技術(shù)對礦井安全供電具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。7補(bǔ)償電容器的配置方式按照經(jīng)濟(jì)運(yùn)行原則，礦井的電容器無功補(bǔ)償采用集串補(bǔ)償與分散補(bǔ)償相結(jié)合的方式最為有利。(1在礦井地面變電站主變母線上設(shè)置電容器，補(bǔ)償全礦的無功功率。電容器應(yīng)分組設(shè)置，需要時(shí)設(shè)自動(dòng)跟蹤補(bǔ)償裝置，以調(diào)節(jié)全礦功率因素。(2在井下中央變電所或采掘工作面移變二次側(cè)裝設(shè)電容器，作為分散補(bǔ)償。(3對于容量大、長期穩(wěn)定運(yùn)行且不需反轉(zhuǎn)或反接制動(dòng)的電動(dòng)機(jī)，可采用就地個(gè)別補(bǔ)償。參考文獻(xiàn)王合貞高壓并聯(lián)電容器無功補(bǔ)償實(shí)用技術(shù)I-M北京：中國電力出版社，2