摘要：近年来,由于矿山用电设备日趋大型化,对电能的用量越来越多。如何确保供配电系统及电网的电能质量,降低无功损耗,是每个企业都面临的问题。做好无功补偿工作,对网络减损、提高电能利用效率、降低电费支出有着重要意义。
关键词：矿山电气设备；无功补偿；必要性
随着矿井综合自动化设备不断投入,变频开关及大容量、大功率的非线性负载使用越来越普遍,自动化设备在提高金矿生产效率的同时,也造成矿井电网负荷增加,电网谐波污染、电网电压波动加剧,电缆和用电设备的绝缘性与供电系统的稳定性和安全性降低的局面,极易导致井下大面积停电、设备绝缘失效、漏电等安全生产事故。因此,针对上述金矿用电问题产生的原因进行分析,研究适合金矿供电特性的无功补偿技术,对于提高矿井电网供电的稳定性和可靠性,避免供电事故具有重要意义。
1矿山电气设备的无功补偿的配置原则
1.1随机补偿
随机补偿一般用于低压补偿,将电容器与电机并联并同时投入使用,来补偿设备功率因数低,无功损耗大的问题。例如,一条供电线路长1km,线路电阻为0.36Ω/km,线路终端带3台45kW电机,Pe=135kW,实用负荷为150+j80,由于长期超载,在电动机上补偿无功QC=40kvar,补偿后功率因数增加了0.12,补偿前后线路的损耗和电动机的出力为:
1.1.1线路上的损耗
补偿前:
补偿后:
1.1.2电动机出力
补偿前:
补偿后:
电动机运行正常,提高了电动机的出力。
1.2随器补偿
随器补偿是对变压器的低压侧进行补偿。
通过公式∆=SP/cosϕ1×(cosϕ2/cosϕ1)-1可知,三相异步电动机通过就地补偿后,由于电流的下降,功率因数的提高,从而增加了变压器的容量。
1.3低压集中补偿
采用装设电容的方式来补偿电感电流,做法是在供电母线上装设一组较大容量的电容补偿器,对母线接有的所有感性电器一并进行补偿。
2确定无功补偿容量的一般方法
2.1从提高功率因数需要确定补偿容量
利用无功补偿,使用户达到经济的功率因数,也就是用户的节能效益和电能质量最佳,支付电费最少的状态,通过下式可以计算出补偿量。
CQ—需要补偿的容量;iP—有功功率;COSϕ1—补偿前功率因数;COSϕ2—补偿后功率因数
2.2从降低线损需要来确定补偿容量
在矿山电气设备的线路参数固定的条件下,其与通过导线的电流平方成正比。通过下式可计算出从线损方面考虑需要补偿的容量。
CQ—需要补偿的容量;1I—补偿前线路电流;COSϕ1—补偿前功率因数;I2—补偿后线路电流;COSϕ2—补偿后功率因数
2.3从提高运行电压需要来确定补偿容量
在网络电压正常的线路中,装设补偿电容时,网络电压的压升不能越线,为了满足这一约束条件,可以用下式求出补偿容量。
式中,U1为电源电压,U2为补偿后线路电压,X为线路电抗。
3电气设备的无功补偿的必要性
3.1降低系统的能耗
利用下式可以求得供配电系统线损。
∆P%—线损减少的百分数;1I—补偿前线路电流;I2—补偿后线路电流;COSϕ1—补偿前功率因数;COSϕ2—补偿后功率因数
当功率因数从0.80～0.85提高到0.95时,可求得有功损耗将降低30%～45%。
3.2改善电压质量
我们以供电线路终端带一台用电设备来对补偿情况进行说明,从下式可以得知:
∆U—电压损失;R—线路电阻;X—线路电抗;P—有功功率;Q—无功功率
这包含了两部分损失,其中PR/Ue是输送有功负荷P产生的,QX/Ue是输送无功负荷Q产生的。
配电线路:X=(2～4)R,△U大部分为输送无功负荷Q产生的。
变压器:X=(5～10)R,QX/Ue=(5～10)PR/Ue,若减少无功功率Q,则有利于线路末端电压的稳定,有利于大电动机的起动,无功补偿能改善电压质量。
4电网供电问题原因分析
4.1无功功率问题
矿井所使用的非线性电子设备、电动机都需要无功功率来维持运行,大量此类设备的投入使用导致电网的无功功率急剧增加,对供电电网产生设备费用投入增加、负载电流增大、电能消耗增加、供电电压波动增加及用电设备无法正常启动运行等严重危害。
4.2电网谐波问题
矿井所使用的馈电开关、电动机、整流设备、变压器以及照明设备等都是金矿供电电网的主要谐波源,为了满足矿井自动化生产的要求,大量大功率、大容量的非线性电子设备得到广泛的应用,致使矿井电网谐波问题越发严重。供电电网谐波问题主要包括:供电保护设备误动、设备损耗增加、设备效率降低、精密计量设备发生误差、设备与电缆的绝缘性能降低、使用寿命缩短及对其他用电设备造成电磁干扰等问题。
4.3大型设备瞬间启动问题
矿井所使用的采矿机、皮带输送机及综掘等大功率设备瞬间启动时,将消耗大量的电流,造成供电线路损耗增加。随着矿井的不断延伸,供电线路越来越长,供电线路电压下降较大。当金矿生产高峰期、用电量达到峰值时,整个供电电网电压出现波动,大功率设备难以启动,严重影响到整个供电系统的供电质量。大型设备不能启动作业,严重影响矿井正常生产的同时,还容易引起设备或者电缆过流发热问题,极易引发安全事故。
5多种无功补偿技术在金矿供电中的实际应用
5.1MCR型SVC
在该无功补偿技术的使用过程中,其原理主要是将三相饱和电抗器的工作绕组在电网上进行并联的连接。通过该种技术处理对电抗器直流控制绕组的离子电流进行改变,以达到改变铁芯饱和特性的目的。通过铁芯饱和特性的改变将会推动无功功率的吸收情况改变,以满足电力系统在实际应用过程中的无功补偿需求。在该种无功补偿技术的应用中主要具有以下几方面缺点:(1)该种无功补偿技术在控制回路时,其具有时间常数较大,且动态响应速度较低的特性。故而在该种无功补偿技术的实施过程中难以达到较好的补偿效果,影响电力系统的运行。(2)该种无功补偿技术在使用过程中具有损耗大的缺点。该种补偿技术的铁芯工作区域处于磁饱和的区域中,由于磁阀交替饱和逐渐在铁芯区域内形成了较大幅向的磁场分量。故而在应用MCR型SVC的电力系统运行中将出现电抗器铁芯以及绕组两者的附加损耗提升现象。
5.2晶闸管相控电抗器(TCR)型SVC
通过对TCR型的SVC装置在电力系统的应用进行详细的研究与思考,本文得出其在应用中主要能够对电力系统起到以下几方面的作用:(1)该种补偿技术装置能够对供电系统的功率因数进行积极的、科学的补偿,进而保障金矿供电的质量,提升金矿供电的安全性以及经济性。(2)该种补偿技术装置能够对供电系统的电压电流波动进行平稳化的处理。同时,在该种技术装置使用过程中,其动态补偿的调节时间小于10ms,故而此种补偿技术装置能够有效的提升电力系统的运行效率。(3)该种技术装置在使用过程中应用热导管子冷技术,以保障能够对晶闸管进行科学的散热,进而延长供电系统的使用寿命,保障供电系统使用中的可靠性与安全性。
5.3晶闸管投切电容器(TSC)型SVC
在TSC型SVC的使用过程中,发现该种无功补偿技术的实施装置利用晶闸管作为主要组装材料。但该种组装材料的使用过程中极易受到涌流的冲击而出现损坏的问题。故而在晶闸管的使用过程中必须采取过零触发的使用对策,进而达到电流补偿的目的。
6结论
在矿山供电系统中,无功补偿是一项投资少,收效快的节能措施。通过有效的无功功率补偿,可以改善系统静态及暂态稳定性,增加线路输电能力;增强系统阻尼,抑制低频振荡。
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作者简介：
潘志伟（1985.02.14），男，籍贯：宁夏海原，本科，电气中级工程师，研究方向：自动化。
论文作者:潘志伟
论文发表刊物:《电力设备》2019年第2期
论文发表时间:2019/6/3
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