節能技術在煤礦電力系統中的應用

摘要:本文通過對節能技術在煤礦電力系統中的應用分析，充分了解煤礦電力系統現行節能技術的運行情況以及本領域的最新技術，以便合理選擇礦井電力系統。

關鍵詞:節能 變頻

1 概述

節能降耗和污染減排是“十一五”期間一項全社會任務，是構建和諧社會的重要因素。目前煤礦電力系統中的節能降耗措施重點在建立和健全管理機制、合理設計供配電系統、降低綜合線損、用電側管理、設備節能等領域開展工作。

2 煤礦電力系統節能技術措施

2.1 合理設計供配電系統 根據負荷容量、供電距離及分布、用電設備特點等因素合理設計供配電系統，做到系統盡量簡單可靠，操作方便。同一電壓供電系統變配電級數不宜多于兩級。變配電所應盡量靠近負荷中心，以縮短配電半經減少線路損耗。合理選擇變壓器的容量和臺數，以適應由于季節性造成的負荷變化時能夠靈活投切變壓器，實現經濟運行減少由于輕載運行造成的不必要電能損耗。對分期投產企業，宜采用多臺變壓器方案，避免輕載運行增大損耗。

2.2 選用節能變壓器 變壓器的有功損耗按下式計算:△P=Po+β2*Pκ

式中:△P——變壓器的有功損耗(kW);Po——變壓器的空載損耗(kW);Pκ——變壓器的短路損耗(kW);β——變壓器的負載率

選用變壓器時最好選擇節能型變壓器如S11-M或SGB11-R等。它們采用優質高導磁冷軋取向硅鋼片，由于“取向”處理，使硅鋼片的磁疇方向接近一致，減少鐵芯渦流損耗，45度全斜度接縫結構使接縫密合性好，減少了漏磁損耗;綜合初裝費、變壓器、高低壓柜、土建投資及運行費用，又要使變壓器在使用期內預留適當的余量，變壓器最經濟節能運行的負載率一般在75%-85%之間;在選擇變壓器容量和臺數時，應根據負荷情況，綜合考慮投資和年運行費用，對負荷合理分配，選取容量與電力負荷相適應的變壓器，使其工作在高效低耗區內;加強運行管理，實現變壓器的經濟運行。

2.3 減少線路損耗 由于配電線路有電阻，有電流通過時就會產生功率損耗，其公式為:△P=3I2R*10-3;

式中:△P——三相輸電線路的功率損耗(kW);I——線電流(A) R——線路相電阻(Ω)

在具體工程中，線路上電流一般是不變的，那么要減少線損，只能盡量減少線路電阻。而線路的電阻R=ρL/S，即與導線電阻率ρ、導線長度L成正比，與導線截面S成反比。要減少電阻值應從以下幾個方面考慮:①盡量選用電阻率ρ較小的導線，如銅芯導線較佳，鋁線次之。②盡可能減少導線長度，在設計中線路應盡量走直線少走彎路，另外在低壓配電中盡可能不走或少走回頭路。變電所應盡可能地靠近負荷中心，以減少供電半徑。③增大導線截面積，對于較長的線路，在滿足載流量、熱穩定、保護配合及電壓降要求的前提下，在選定線截面時加大一級線截面。這樣增加的線路費用，由于節約能耗而減少了年運行費用，綜合考慮節能經濟時還是合算的。④按經濟電流條件選擇，電纜截面的選擇除技術條件外，另一個方面是經濟條件，即按經濟電流選擇。

2.4 提高供配電系統的功率因數 功率因數提高了可以減少線路無功功率的損耗，從而達到節能目的，具體方法有:①減少用電設備無功損耗，提高用電設備的功率因數。②用靜電電容器進行無功補償，電容器可產生超前無功電流抵消用電設備的滯后無功電流從而達到提高功率因數同時又減少整體無功電流。對配電變壓器進行無功補償可提高功率因數，有利于節能降耗。

2.5 選用節能電氣產品、推廣變頻調速節能

2.6 抑制諧波

2.6.1 煤礦諧波的來源 電力系統中的諧波來自電氣設備，也就是說來自發電設備和用電設備。由于發電機的轉子產生的磁場不可能是完善的正弦波，因此發電機發出的電壓波形不可能是一點不失真的正弦波。在煤礦分生活用電和生產用電兩類，兩者都含有大量的非線性用電設備，而影響電網電壓波形質量的主要矛盾是非線性用電設備，也就是說非線性用電設備是主要的諧波源，非線性用電設備主要有以下四大類:交流整流的直流用電設備;交流整流再逆變用電設備;電弧加熱設備;開關電源設備。

2.6.2 諧波對供電系統及電氣設備的危害 主要危害有:增加了輸配和供用電設備的附加損耗，使設備過熱，降低設備的效率和利用率;諧波對旋轉電機的危害主要是產生附加的損耗和轉矩;諧波電流使變壓器的銅耗增加，浪費電力資源;諧波電流使輸電線路的附加損耗也增加;隨著諧波電壓的增高，一方面會加速電容器的老化，使電容器的損耗系數增大、附加損耗增加，從而容易發生故障和縮短電容器的壽命。另一方面，電容器的電容與電網的感抗組成的諧振回路的諧振頻率等于或接近于某次諧波分量的頻率時，就會產生諧波電流放大，使得電容器因過熱、過電壓等原因而不能正常地運行;影響繼電保護和自動裝置的工作和可靠性;使測量和計量儀器的指示和計量不準確;干擾通信系統的工作;諧波可能會使煤礦井下供電的高低壓供電系統上的漏電裝置誤動作，嚴重影響礦井供電及生產安全。

2.6.3 礦井供電系統諧波治理的方法 對于礦井供電系統的諧波治理方法有以下幾種基本方法:①采用Y0/Δ、Y0/Y、Y/△接線組別的變壓器，隔離三、九次諧波。②采用L、C串聯無源濾波器，對五、七次諧波進行治理。③采用L、C并聯無源濾波器，對三次諧波電流進行阻塞。④并聯電容器補償:a集中補償方式。將高壓電容器集中安裝在總降壓變電所或功率因數較低、負荷較大的配電所高壓母線上。b分散補償。對用電負荷分散和功率因數較低的車間變電所，采用低壓并聯電容器安裝在低壓配電室。c就地補償。對距供電點較遠的大、中容量連續工作制的電動機，應采用電動機無功功率就地補償裝置。

2.7 井下動態無功補償裝置

2.7.1 概述 煤礦企業是用電大戶，節能降耗有著巨大的潛力。目前，煤礦井下低壓供電系統(3300V、1140V、660V)普遍存在兩大問題。一是綜采、綜掘及運輸系統大功率電動機因供電距離遠、壓降大，考慮啟動問題選用變壓器偏大;二是無功損耗大，電能浪費相當嚴重，影響企業經濟效益。其主要原因之一是電感性負載產生的無功功率而導致的功率因數降低。各煤礦井下低壓供電系統中的功率因數普遍在0.5~0.7之間，使得線路損耗過大，終端電壓偏低，端電壓達不到額定值，加之負荷大，形成電動機起動時十分困難，甚至造成過流、欠壓頂閘等事故。同時在線路中消耗了大量的無功電能。

2.7.2 原理 對三相交流電路來說有功功率P表示為:

P=√3UI CosΦ

其中U、I分別為電網的線電壓、線電流。Φ角是相電壓與相電流的相位差，CosΦ就是功率因數。UI=S稱作視在功率。可是視在功率有時并不完全轉變成有功功率，而是取決于功率因數CosΦ的大小，視在功率S是由有功功率P和無功功率Q所組成。三者之間的關系用相量圖表示時構成直角三角形關系(也稱功率三角形)即:

S2=P2+Q2 P=S*CosΦQ=S*SinΦ

如下圖所示:

圖中視在功率S1由有功功率P=S1 CosΦ1，和無功功率Q1=S1SinΦ1組成，當使用無功功率補償裝置后，增加了Qc，就是在保證有功功率P輸出不變的情況下，降低無功功率Q。即把Φ1角減小到Φ2角，功率因數CosΦ1，增加到CosΦ2，無功功率Q1減小到Q2= Q1- Qc。因有功功率P不變，視在功率S1也就減小到S2，由于電網電壓U是不變的，因而在視在功率S=UI中，S降低，U不變，只有有效電流I隨之降低，也就是說無功功率的補償降低了電網中的電流。

此過程也可以理解為有效值電流I分為有功電流Ip與無功電流Iq兩個分量，通過無功功率補償后，Φ角變小，電流的有功分量Ip不變，電流的無功分量Iq減小，電流的有效值隨之減小。如圖所示:

假設通過無功功率補償裝置將功率因數由CosΦ1提高到CosΦ2，電流的減小量為△I=I2-I1降低的線路損耗△P為:△P=3I22

例如:對二次額定電壓U為660V，負載容量P為150kVA，功率因數CosΦ1為0.48的網絡進行無功補償，補償后功率因數提高到CosΦ2=0.98，則補償前后的電流分別為:

假設線路長度L為300m，電纜的單根截面為50mm2，每km電阻R'為0.447歐，則線路電阻R=L R'=0.447*0.3=0.134歐線路降低的損耗為P=3R(I22-I12)=3*0.447(2732-1342)=22.7kW

如果負載平均每天工作16小時，一年工作350天，每度電價0.485元，那么22.7kW*16h*350*0.485元/kWh=61653元

可見經濟效益是非常可觀的。為方便用戶計算，下面列出線路損耗快速計算和線路損耗及降損計算表

線路損耗快速計算表I=P/√3UCosΦ(見表1)

660V線路損耗及降損表(見表2)

使用礦用隔爆型無功功率自動(動態)補償裝置對供電網絡進行補償后，不僅可以提高功率因數，減少線路無功電流，降低線路損耗和變壓器損耗，節約電費。還可以提高線路終端電壓5%左右，解決用戶電器設備末端起車困難的問題。由于無功電流的減少，用戶終端供電電纜的截面可以適度縮減，降低供電成本。若上一級移動變電站容量不夠，需要增加容量，使用無功補償裝置后，可以考慮不增加變壓器容量。穩定電源，提高供電質量。

3 節能技術在煤礦電力系統中的發展趨勢

煤炭系統作為我國用電大戶，年消耗電量占據全國消耗電量的大部分，根據國家節能減排有關規定，目前煤炭企業用電量仍沒有達到國家的有關標準，從中央到地方各級組織都在抓緊推進煤炭企業的節能減排工作，全行業已經展開了轟轟烈烈的節能減排工作，這也給廣大節能產品企業提供了巨大的市場商機。

隨著煤炭企業節能工作的不斷推進，變頻器成為眾多煤炭企業實現節能減排的首要選擇，許多企業紛紛看到了其中蘊藏的巨大市場商機。但由于煤礦作業環境的特殊性，如何充分發揮變頻器的節能效果、如何解決井下隔爆問題成為各個廠家和煤炭企業需要共同解決的難題。煤礦由于其行業特殊性，井下設備繁多復雜且功率大，那么如何將隔爆型變頻器、隔爆動態補償裝置合理有效地安裝到井下供電系統中來，與其它設備不發生沖突，同時又要充分發揮隔爆變頻器的有效運行，是煤炭企業節能面臨的又一個問題。大量變頻器的使用，同時產生諧波，影響電網的質量，又帶來了諧波治理的問題。

參考文獻:

[1]《工業與民用配電設計手冊》(第三版).中國電力出版社.

[2]《鋼鐵企業電力設計手冊》.機械工業出版社.

[3]《煤礦電工手冊》(第3分冊).機械工業出版社.

[4]《煤炭工業礦井設計規范》.

[5]《煤礦安全規程》.