無功自動補償裝置的應用

康蘇珍

(陽泉固莊煤礦,山西 陽泉 045000)

當前我國煤炭生產發展的趨勢逐步走向大型化、集中化、智能化,煤礦井下采、掘、運設備的功率也隨之不斷增大,對于供電系統質量、效率、降耗的要求也隨之提高,為此,一些不能適應當前發展要求的設備和技術也需要進行改進[1],本文所述的無功自動補償裝置的應用正是為了改善當前煤礦井下供電系統質量而進行的技術應用研究。

1 煤礦井下供電系統現狀分析及改進方案

1.1 現狀分析

某礦榆林垴配電室主供本礦丈八井下、九尺井下、空壓機房、五號風機房等動力負荷,裝機容量達4 926 kW,由于煤礦生產班次的特殊需要,日負荷變化較大。在礦井供電過程中出現功率因數變化較大,致使設備容量得不到充分的利用,噸煤產量電耗增大,尤其是井下大功率電力電子調速產品的應用,產生大量的諧波電流涌入電網,直接影響了礦井自動控制裝置及通信設備的正常運行,對礦井安全造成一定威脅。加之大型負載周期性啟動,造成電壓波動,嚴重影響了礦井正常生產。本礦榆林垴配電室設計為單母線分段供電模式,該配電室原配有兩套固定式408 kvar、6 kV高壓補償電容器,靠35 kV變電所人工監控功率因數情況,指揮值班員進行電容器投切。

1.2 改進方案

1.2.1 原因分析及改進方案

隨著煤礦機械化水平的不斷提高,原配套使用的408 kvar固定式高壓補償電容器遠遠不能滿足現在的供電網絡,經認真分析研判,致使本礦供電網絡功率因數變化較大,有時低于0.7的情況,主要是因為生產過程中負荷的不均衡造成,補償采用的固定式408 kvar補償電容器組遠遠不能滿足高壓無功補償的技術要求。經過技術理論分析,認為在榆林垴配電室采用兩套DWK3型高壓電容無功功率補償控制器,對榆林垴配電室進行無功自動補償[2]。

1.2.2 方案實施

在榆林垴配電室6 kV高壓進線總控柜電流互感器二次中相取電流信號,在配電室6 kV電壓互感器二次取電壓信號,通過兩信號收取的數據運算實時控制并聯電容器組的投切,系統所需無功功率就根據負荷變化情況進行自動投切供給,保持系統較高的功率因數系數。補償后現場功率因數可提高至0.95以上,節能效果、功率因數控制平穩均可達到技術要求。在選用無功功率自動補償裝置進行無功自動補償時,必須根據系統相關數據確定自動補償裝置的容量。

2 無功自動補償裝置電容器容量確定

某礦榆林垴配電室的無功自動補償裝置的應用,主要是根據負荷變化的需要,通過電容器分組投入或切除調節供電系統中的無功功率,也就是使用開關設備分級地調節電容器補償容量,穩定供電設備受電端電壓,提高本礦供電系統的功率因數。

2.1 補償前平均功率因數確定計算

由于現場測量榆林垴配電室的無功功率時耗時長、不易測量等原因,通過實時監視榆林垴配電室所安裝的多功能數字顯示儀,采集6 kV高壓進線總控開關運行功率、電壓、電流等數據。可得出如下數據:

正常維修時:平均功率750 kW左右;電壓6.4 kV;工作電流105 A(無補償)。

正常生產時:平均功率1 500 kW左右;電壓6.3 kV;工作電流210 A(無補償)。

根據以上數據計算補償前平均功率因數。

正常檢修時:

正常生產時:

式中:cosΦ1為正常檢修(生產)時,補償前平均功率因數;P為運行功率,kW;U為電網電壓,kV;I為運行電流,A。

由上可知,在無補償情況下,某礦供電系統功率因數較低,為此,原有在配電室裝配了兩套固定式408 kvar、6 kV高壓補償電容器,靠35 kV變電所人工監控功率因數,值班員進行電容器投切,經常出現不能及時進行無功補償和操作滯后于電網實時運行情況的問題,在保持較高的功率因數和電網電能的高效利用上,操作人員勞動強度大,且不精確、不科學,技術手段落后,因此,要進行技術改進,在系統中采用無功自動補償裝置進行無功補償,功率因數可達并保持在0.85～0.9。

2.2 補償容量的確定

2.2.1 公式計算確定

可以根據負荷的最大功率、補償前的功率因數及要求補償后達到的功率因數,用下式計算確定:

Q=αP(tanΦ1-tanΦ2).

式中:Q為所需補償的總無功功率kvar;α為平均負荷系數,取0.7～0.8;P為用戶最大負荷,kW;tanΦ1為補償前平均功率因數角;tanΦ2為補償后平均功率因數角。

2.2.2 查表法確定

查每千瓦負荷所需無功功率補償率值表[1]確定補償率值,計算容量。

2.2.3 本次利用查表法計算確定

計算步驟:

采用Q=αPq,假設榆林垴配電室現無任何補償裝置,根據固定長期運轉負荷計量報表統計數據(不包括井下生產班運行負荷),計算得某礦榆林垴配電室平均輸出功率僅為720 kW。

1)電容器長期投入無功補償的容量:

Q1=αPq

=0.7×720×0.87

=451 kvar.

式中:Q1為所需長期補償的無功功率, kvar;α為平均負荷系數,取0.7～0.8;P為固定長期運轉負荷,kW;q為每kW負荷所需無功功率補償率值。

當cosΦ1=0.64,cosΦ2=0.95時,查出q=0.87 kvar/kW;α=0.7;P=720 kW。

取整數Q1=450 kvar。即將450 kvar電容器做為長期投入無功補償容量保持不變。

2)自動補償裝置補償容量計算:

Q2=αPq

=0.7×1 500×0.87

=913.5 kvar.

式中:Q2為負荷最大時所需補償的總無功功率,kvar;α為平均負荷系數,取0.7～0.8;P為井下生產時最大負荷,kW;q為每kW負荷所需無功功率補償率值。

井下生產班次時,負荷急劇增加,榆林垴配電室平均輸出功率為1 500 kW(根據計量報表),查出當cosΦ1=0.64,cosΦ2=0.95時,q=0.87 kvar/kW,α=0.7。

取整數Q2=900 kvar.

3)在生產班次時,自動投切容量為:

Q=900-450=450 kvar.

式中:Q為無功功率自動補償裝置所需補償的無功功率,kvar,也即無功功率自動補償裝置的容量。

無功功率自動補償裝置的容量確定為450 kvar,選取450 kvar容量的無功自動補償裝置,可滿足礦井供電的需要。

3 應用效果

1)節能顯著。榆林垴配電室采用無功自動補償裝置后,提高了功率因數系數,減少了本礦電費支出。根據實際運行分析每年節省電量60萬kW·h～80萬kW·h,固莊煤礦平均電價0.4元/(kW·h),可節省電費24萬元～32萬元。

2)提高了供配電設備供電能力。對于一定容量的用電負荷,當其有功功率為一定值時,功率因數越低,需要提供的電流越大。進行無功補償后,所需無功電流大部分由電容器組供電,設備的供電能力得到提高。

3)延長電氣設備使用壽命。采取無功自動補償裝置后,由于線路上無功電流減少,其線路電壓降也相應減少,供電線路電壓有所提高,改善了用電設備受電端電壓,控制開關故障率也隨之降低,使用壽命得到了增加,減少日常維護費用。

4 結束語

無功功率自動補償裝置在某礦榆林垴配電室的應用,解決了以往采用固定式補償裝置帶來的因生產班次、負荷變化大等原因帶來的一系列安全供電中的隱患問題,改善和穩定了用電設備受電端的電壓,提高了供電系統的功率因數,減少了供配電設備及輸電線路有功電能的損耗,最為明顯的有形效益就是節約了電費24萬元～32萬元,無形效益也很可觀。綜上分析,無功自動補償裝置在我礦榆林垴配電室的應用,發揮了投資少、見效快、收益高、操作簡單、節能效果非常明顯可觀的特點。

[1] 李正祥.煤礦機電工程師技術手冊[M].北京：煤炭工業出版社,2010.

[2] 顧永輝.煤礦電工手冊[M].北京：煤炭工業出版社,2009.