自備小電廠為煤礦提供應急電源的分析研究

王程 周艷紅

摘要：對于有自備電廠的煤炭生產礦井，由于煤礦安全生產供電的重要性，自備電廠有在保證供電安全的條件下，為長時間中斷供電的礦井進行應急供電的可能性，從而對減小事故的范圍，降低煤礦井下安全事故嚴重性均具有重要意義。

關鍵詞：自備小電廠煤礦應急電源小系統運行穩定分析

力源（臨渙）電廠用于給所在礦區——臨渙礦供電，屬于自備電廠。上網方式是通過兩條800米線路與臨渙礦變電所35KV兩段母線連接，并同大電力系統并網，這種上網方式的主要優點是：直接供給礦負荷，減少線損和線路投資，主要缺點是降低了區域系統的用電安全，即礦用電的安全，同時對小電廠安全運行也帶來較大危害。其中當區域變電所因故失電時，會造成小電廠機組獨自帶整個礦供電系統負荷，沖擊或拖垮電廠機組，甚至造成機組設備損壞；當區域變電所再恢復供電時，在電廠未解列的情況下，由于礦變側沒有同期裝置，會造成非同期合閘，造成機組和開關損毀。因此，在供電公司統一計算、安排下，電廠在其線路并入點，加裝了失步解列裝置，當出現系統失電時，立即切除電廠線路，避免產生小系統運行現象。

但是有時系統故障會造成區域變電所或線路長時間停電，這將引起煤礦井下安全生產重大隱患，如工作面瓦斯嚴重超限、涌水無法排出、人員滯留井下等。為此，在保證電廠廠用電不中斷情況下，向所在礦區緊急提供應急電源，對于煤礦井下安全起到很大作用，能有效降低事故的影響范圍、程度。

本文從電廠與礦基本負荷組成的小電網運行模式，分析了電廠一次性最大接帶負荷的極限值和連續穩定接帶負荷的情況：

1 獨立小電網運行時的穩定性分析

火電廠機組一般運行條件是并入主電網共同運行，因為主電網容量夠大，整個系統自平衡能力很強，功率、負荷擾動量的相對值一般情況下很小，所以電網頻率可以保持相對穩定，負載的功率變化或者單臺發電機組對電網供電頻率的影響較小，發電機組的轉速一般來說可以穩定在3000r/min，發電機組的功率與負載無關是由本機組蒸汽參數、閥門開度決定的。在發電機組獨立運行的相對較小的系統中，由于獨立電網系統本身的自平衡能力差，因此 發電機的出力只有隨時跟隨負載功率的變化而變化，才可以使供電頻率保持穩定。當功率和負荷擾動時，也會引起獨立電網頻率變化。

電網有功功率供求關系是否平衡通過電網的頻率能夠直接反映出來，當供小于求時，電網的頻率會降低，反之則會升高。一次調頻回路可以使獨立電網運行的發電機組進行獨立電網系統有功負荷的平衡，保持頻率的穩定性。可是畢竟一次調頻是純比例的調節，一旦電網的頻率偏離了額定頻率，發電機組就會通過頻差調節其有功負荷，頻差越小，調頻量的幅度也越小，頻差越大，調頻量的幅度也就越大，一旦電網的頻率達到額定頻率使頻差消失后，一次調頻量也會消失。因此，機組一次調頻事實上是一種有差調節，它并不能直接的將電網的頻率調整到額定頻率，但它會對電網負荷的變化做出快速的反應。因此運行人員要留心觀察汽機轉速的變差變化保持在相對穩定點上，一旦偏差太大，要對汽輪機氣門進行相應的調整，對相對穩定點的偏差要減小，使電網頻率保持在穩定的范圍內。

獨立電網在運行時，一定要保證鍋爐燃燒時的穩定性，發現鍋爐的負荷有變化時，對鍋爐燃燒也要進行相應的調整，鍋爐燃燒的控制與制粉系統、燃燒設備以及鍋爐的運行方式等因素悉悉相關，對主要參數要加強如汽包水位，主蒸汽壓力，主汽溫度的調節與控制等，要避免汽包水位和鍋爐汽壓變化太大而導致機組停機，同時也要注意發電機，發電機等設備的安全。汽輪機組如要安全穩定地運行，頻率變化范圍不可太大，頻率太低、太高都不行，機組都會有所傷害，因此機組的轉速需要進行及時的調節，如果在獨立電網運行的情況下高或者太低，都對機組有損傷，因此，在獨立電網運行時，需要對機組的轉速進行及時的控制。

獨立電網有以下幾種情況：

網內有好幾臺機組同時運行，單機與電網容量之比超過8%的情況下，可稱為小網；

網內只有一臺機組供電的情況下，成為單機帶負荷；

甩負荷帶廠用電，稱為孤島運行工況，是關于單機帶負荷的一種特例。

從負荷控制轉變為頻率控制，要求調速系統的靜態特性、良好的穩定性和動態響應特性等，都要符合要求，這樣可以保證在用戶負荷變化時自動保持電網頻率的穩定性，這是獨立電網運行最突出的特點，也是我們經常談到的一次調頻功能。運行人員關注的問題是調整獨立電網頻率，而不是負荷調整，這樣使之維持在額定頻率的左右，出入不大。這種調整成為二次調頻，是通過操作調速系統的給定機構來完成的。因為獨立電網容量相對較小，其中旋轉慣量儲存的動能和鍋爐群所具備的熱力勢能均較小，所以對機組的調速系統要求有很高靈敏度，很小遲緩率和很快的動態響應。

獨立電網運行可以分為兩個階段：第一個階段是獨立電網運行初期，獨立電網內功率通常很難平衡，而且發電廠側并不清楚機組所處的獨立電網運行狀態和獨立電網運行的區域，此時只能通過頻率或者機組轉速等參數的變化獲知，因此要求在獨立電網內每一臺機組同時都有調節功能，可以依據機組轉速或者頻率等參數變化進行及時的調整。第二個階段是，獨立電網運行平穩的情況下，通過調度手段獨立電網運行的規?？梢垣@得，這時候可以依據獨立電網內機組的特性，和調度措施對相應的自動裝置進行合理的設置，保證獨立電網的穩定運行。為了使發電機組在形成任何獨立電網時，都能使獨立電網穩定運行，因此需要發電廠每臺機組都能具備相應的調節特性。

孤網內不平衡功率的影響是獨立網運行面臨的主要風險，而不平衡功率的形成，一方面是在形成獨立電網時所產生的，另一方面是在獨立電網運行平穩后，由于運行方式的變化，負荷的波動而引起的，一般情況下是初期形成獨立電網的負荷不平衡功率最嚴重，對于機組來說，如果要對形成的任何一個獨立電網都能起到調節作用，機組就需要擁有可以適應最壞工況的功能。

2 根據分析結果確定一次性接帶負荷

通過小電網模式下潮流計算可知，獨立小電網中，電廠兩臺發電機組（6MW×2）在額定狀態運行時（綜合廠用電率13%），輸送的電能到達礦區變電所后，經降壓變壓器輸出，實際提供的有功功率為10072KVA。煤礦的生產性設備多為沖擊性負荷，大多為異步電動機。在額定電壓下直接起動三相異步電動機。功率因數cosφ很小，造成了起動電流I相當大而起動轉矩Ts并不大的結果。三相異步電動機的轉子電流公式 ：

I=UsqrtR■+R■■s■+X■+X■■■（5.1）

額定運行時，s=sN=0.015～0.06，若取s=0.05，則R2′/s=20R2′；啟動時，s=1，R2′/s=R2′，可見最初啟動時，電動機的阻抗顯著很小，電流當然較大。

I■=I=UsqrtR■+R■■s■+X■+X■■■（5.2）

最初啟動電流Ist約為額定電流的4～7倍。

一般地，盡管三相異步電動機起動時存在短時間較大的電流，由于三相異步電動機不存在換向問題，而對于不頻繁起動的異步電動機是可以承受的；對于頻繁起動的異步電動機，只要限制每小時最高起動次數，也是可以承受的。但是，起動電流過大，對電網沖擊大。使電網電壓降低，對于異步電動機的前端供電變壓器造成很大影響。使得變壓器輸入電壓下降幅度很大，超過了額定值的允許偏差 ΔU=±10%或更嚴重。這樣，一方面反過來影響了異步電動機本身，由于起動轉矩Ts與電壓U1的平方成正比，導致Ts下降更多，當負載較重時，異步電動機將不能起動；另一方面，影響由同一臺供電變壓器供電的其它負載，如電燈會變暗，用電設備失常，重載的異步電動機可能停轉等。

因此考慮到異步電動機啟動時對電網的沖擊和電源應有一定的過載倍數。則力源電廠兩臺發電機組可一次性啟動的設備功率為：

P=■=1678KW

3 根據靜態儲備系數確定連續接帶負荷

實際運行中，電力系統不僅不應在接近穩定極限的情況下運行，而且為了整個系統的安全運行，還應保持一定的穩定儲備，以便使系統有能力應付經常出現的一些干擾而不致喪失靜態穩定。靜態穩定儲備的大小用靜態穩定儲備系數Kp來表示，即

Kp=■×100% （5.3）

式中P■——靜態穩定極限

P■——正常運行時送端發電機輸送的功率

對于Kp值，《導則》要求：在正常運行時不應低于15%-20%，事故后運行和特殊運行方式時不應低于10%。在滿足上述要求的前提下，可盡量多地提高輸送功率。

電力系統中發電機之間靜態穩定性的基本性質說明，發電機可能輸送的功率極限愈高則靜態穩定儲備系數Kp愈大，靜態穩定性愈好。以單機對無限大系統為例，減少發電機與系統之間的聯系電抗，就可以增加發電機的功率極限。從物理意義上講，這就是加強了發電機與系統之間的電氣聯系，相當于縮短了“電氣距離”。聯系緊密的系統，顯然是不容易失去靜態穩定的。以下介紹的幾種提高靜態穩定性的措施，都是直接或間接地減小電抗的措施。

根據式（5.3），Kp取為20%，則力源電廠兩臺發電機組輸出的有功功率為：

P=■=8393KW

即：實際獨立小系統運行時，電廠只能輸出8393KW的有功功率，其余的作為備用功率，若按照10072KW輸出，則系統出現大負荷啟動或切負荷時就會出現不穩定的狀況，導致電廠解列，停止運行。

按照輸出的8393KW的有功功率，獨立小系統一次性可啟動的最大負荷不能超過1400KW，否則會出現不穩定現象。

4 結論

目前礦區變電所的供電模式在改變，由于礦井的生產用電通常為一類負荷，要求為獨立的雙電源供電，以前對礦區的工廠變電所供電時，雖然要求為獨立的雙電源供電，但是兩路電源是取自同一變電所的兩個不同母線段上，這種模式的情況下，當母線分段運行時，可以保證一路供電，一路備用，但是當供電的變電所出現供電故障時，則下一級的礦區工廠變電所的供電可靠性就無法保證了。

通過對礦區自備電廠的運行狀況進行考察和分析、對電廠和解列后接入點變電所的潮流計算以及網絡結構的分析，確定當自備電廠轉為獨立系統運行時可接帶的最大負荷以及單機可以啟動的最大負荷。當礦區電網出現故障，生產用電停止時，可用礦區的自備電廠給主要的生產負荷供電，避免因停電而引發礦井人員事故的發生，不僅浪費人力，還會浪費資源。

通過小系統運行方式的可行性研究，能夠減少礦井長時間失電概率，提高礦井下生產的安全系數，有效地提高礦井抗災能力。

增強小系統穩定性的方法：

①改善電力系統中基本元件的參數和特性。從靜態穩定性分析中可以得出，擴大穩定運行范圍和提高電力系統功率極限可以使用自動勵磁調節器，實踐證明它有著很好的功效，而且它對暫態穩定也有很好的功效。因此，發電機都可以裝上具有完善的高靈敏度的自動勵磁調節器，特別是要裝上可以有效地控制自發震蕩、維持電壓的新型調節器。

②減小變壓器的電抗。變壓器的電抗在系統中占得比例相當大。尤其是發電機的電抗相對較小、對于減小其電抗后的輸電系統，輸電線路已經采取相應地措施，使變壓器的電抗減小，可以相應地提高其穩定性。在并網輸電的情況下，可以使用自耦變壓器。因為它不僅價格便宜與材料節省外，而且相對來說它的電抗也較小，對于提高穩定性有著良好的作用。如果使用自耦變壓器可能會導致短路電流的增加和繼電保護和調壓困難的增加等等問題。

③加強受端系統結構，合理選擇送端系統結構。一方面要減小受端系統等值電源的阻抗，縮小受端電網的電氣距離，擁有充足的轉動慣量；另一方面，要改善受端系統內部的網絡結構，提高受端系統運行的靈活性，提高可靠性及其抗事故的能力。這樣，受端系統在其他外部發生問題或振蕩的情況下才可以保持足夠高的電壓，送端系統的所有同步電機在任何時候也可以成為一個同步運行的整體，來保證送端系統供電安全。

④動態無功補償技術。目前，動態無功補償技術得到了廣泛的應用。主要有：靜止無功補償器、可控硅控制串聯補償器、統一潮流控制器、靜止同步補償器等。在電力系統中，無功儲備不足的時候可能會使電網電壓水平降低，沖擊性的無功功率負載也會使電壓產生劇烈的波動，惡化電廠的供電質量。因此可考慮在電廠設置動態無功補償設備，增大可調節的無功容量，提高無功調節設備的快速響應能力。

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[5]董云龍，吳杰，王念春等.無功補償技術綜述[J].節能，2008.

作者簡介：

王程（1974-），男，安徽界首人，工程師，安徽省淮北礦業集團公司工作，研究方向為礦井供電技術研究。

周艷紅（1977-），女，安徽濉溪人，工程師，運行車間副主任，安徽省淮北礦業集團公司楊莊電廠，研究方向為電廠運行管理研究。