金屬礦山20kV電壓配電設計可行性研究與分析

李二良(礦冶科技集團有限公司,北京100070)

1 前言

電鏟和礦山鉆探等用電負荷U-I 曲線已經充分證明,金屬礦山開采期間的設備逐漸向自動化發展,相應的污染也在增多。停止用電導致同一回路電壓升高,造成短時電壓尖波、配電設備損壞、用電設備正常運行中斷,功率損耗增大。

金屬礦山的20 kV 配電網作為一種較為薄弱的電網結構,為了保證體在運行供電時的可靠性和安全性,在建設之初通常會將其與220 kV 的線路交織在一起,使其形成電磁環網后進行送電。隨著金屬礦山20 kV 配電網的進一步發展,在進行電力工程設計及建設時,應加快速度完善金屬礦山電壓的等級網絡,盡快解開電磁環網。

2 20 kV 礦山應用可行性論證

2.1 技術成熟性

1)電氣設備匹配

在我國許多地區,新城區采用20 kV 作為輸電電壓。如合肥濱湖新區中壓輸電采用20 kV,整個新城供電質量穩定,不受影響。供電系統的主要設備和材料,包括變壓器、開關柜、避雷器、電纜和安全檢測設備等,均能滿足20 kV 電壓要求。從電氣設備、電纜等相關附件而言,金屬礦山20 kV 電壓配電設計及建設具有成熟的技術支撐[1]。

但是,部分礦山配電系統有10 kV 電動機等外部電氣設備,各礦山企業在進行20 kV 電壓配電時,不能在10 kV 電動機上加裝20/10 kV 變壓器。此外,露天礦山及地下開采礦井其他負荷集中處也需進行10 kV 二級配電。20/10 kV 變壓器配置建設是一個不可逾越的障礙。其他電氣設備所需電壓等級滿足20 kV 降壓要求。

2)電纜的選擇

與10 kV 電纜相比,20 kV 電纜的絕緣材料明顯高于10 kV 電纜。理論上,電纜導體材質選擇銅是應該節約的,但事實上,銅并不意味著絕緣材料的生產成本可以節省。首先,電纜截面的變化是階梯狀的,不是線性的。其次,10 kV 的電纜最初是支撐變壓器產生的,為了配合電機發展,根據發展的趨勢,選擇10 kV 電纜非常方便。

但在20 kV 電壓等級出現后,其截面積的變化沒有得到及時更新。在電纜選型時,若兩個截面等級之間的數字是合適的,但是由于沒有該規格,所以只能選擇較大的截面等級。由于電纜截面積選型靠上,銅材料將被浪費。此外,電纜的安裝成本取決于電纜的類型和長度。即使算上價格,20 kV 電纜的安裝成本也高于10 kV 電纜。故此,20 kV 電纜在價格上沒有10 kV 電纜的優勢。

2.2 減少能源消耗

能耗分為產品本身的能耗和產品周期的能耗。在變壓器制造過程中,20 kV 和10 kV 變壓器的能耗基本相同,而20 kV 變壓器的線圈能耗略高于10 kV原材料。由于10 kV 的制造工藝和技術是最先進的,因此在能耗方面比20 kV 變壓器更具優勢。

20 kV、10 kV 開關柜原料消耗為過電壓保護器、傳感器、斷路器、柜體鋼材。前三要素基本上都是絕緣材料,電氣開關主要采用空氣絕緣,所以20 kV 開關必須比10 kV 開關寬,20 kV 開關的絕緣室稍大一些。由此造成變電站設備的表面尺寸也將更大。所以,20 kV 開關柜的產品周期能耗沒有降低。

采用電纜進行供配電設計及建設不一定能省電。然而,在能源輸送領域,線路損耗有所降低,但這種降低并不能抵消原材料生產過程中的能耗。通過對技術成熟度、經濟性、能耗和監管標準的比較,發現20 kV 電壓等級不適合在金屬礦山中推廣。只有解決了一系列問題,20 kV 電壓才能應用于礦山開采領域,但也可以用35 kV 來代替。

3 20 kV 電壓配電對金屬礦山的影響

3.1 電能質量影響

對于標準三相交流系統,其中各相的電壓、電流在理想的狀態下將會呈現幅值相同的現象,并且其相對稱差為120°對稱。但在實際運行中的線路、變壓器等負荷并不完全對稱。從實際運行情況來看,電能的質量不僅受到自身因素的影響,同時在錯誤操作下也產生一定的問題[2]。

3.2 電壓波形影響

理論上,系統網絡上的電流和電壓呈現的都是標準頻率下的正弦波,但在實際的網絡中依然存在著大量的非線性和突發電荷。電網中并不完全是正弦波,期間基于基頻的變化將分解為一系列的傅里葉變換,而產生諧波電壓通過網絡阻抗將形成基波諧波。減少電能質量和諧波是確保電力供電系統平穩運行的重要指標之一,同時期間存在的二次諧波、全諧波畸變等現象也是其中的重要內容。

3.3 頻率偏差

頻差是指系統在正常運行中,其實際工作頻率與其額定值之間的差,它是由頻差決定的[3]。一般來說,允許的頻率偏差是根據電網的總裝機容量來確定的,這主要是由于發電機和用電負荷之間的功率不兼容,這導致發動機和變壓器的驅動電流增大,非動力消耗增加,設備壽命和設備效率降低。

3.4 三相電壓不平衡度

在三相平衡電路中,各相電壓和電源的頻率、振幅必須相同,且相距120°。盡管實際運行中的電網并不存在三相絕對不平衡,但由于不同的三相在不同的情況下將會引起不平衡的現象,其中包括負荷非線性、阻抗非線性以及事故等影響因素。在電能質量方面,三相電壓不平衡實際上也屬于一種電壓不平衡的現象,這將會對用戶造成極大的影響,期間可能存在電機振動與損壞、配電網癱瘓以及電網故障等問題,促使電網運行的穩定性難以得到保障。

4 20 kV 電壓動態無功補償技術

伴隨著電力電子技術的發展,金屬礦山企業在用電質量上的要求不斷提升,為達到規模、集成、高效的生產,采用無功補償技術防止局部電網的變化性和閃變性,提高本地電網的功率因數,進一步提高生產效率,保證系統電壓穩定。

在國內外電力系統自然修復領域中,無功補償技術一直是研究的對象,其應用前景十分廣闊。對于交流電網,由發電機提供的負荷有兩種,一種是無功,另一種是有功。在電力系統中,有功功率和無功功率的關系是功率因數,直接影響電網的供電狀況。

4.1 有功功率、無功功率及視在功率

通過各種機械或電力功率的降低,將有功功率轉換成其他形式的能量,使電力設備保持正常運行,并產生直接的經濟效益。交流電源的瞬時功率并不一定是固定的值,工作一個周期的平均值稱為有功功率。

在電力系統中,一半的電能轉化為磁場,另一半的周期將現有的磁場回饋給電網,故無功功率在電力系統中不起直接作用,沒有直接的經濟影響。

有功功率、無功功率、視在功率組成功率三角形,在實際交流電網中,視在功率往往高于實際額定功率。這主要是因為配電網中不僅有像電阻器這樣的耗電元件,而且還有諸如電容器和電感器之類的儲能元件。外部電源必須提供用電設備正常運行所需的有功功率,也必須提供儲存在電容器和電感器等部件中的無功功率。

4.2 功率因數

電壓、電流的相角通常用φ表示,相角的余弦值cosφ稱為功率因數,它是電力系統合法性、使用和管理的重要指標。用電設備使用的有功功率越大,用戶的功率因數越小,所需的無功功率越大,系統提供給用戶的視覺功率也就越大。

在交流電網中,電荷是電動機和變壓器中最常見的電荷。這些電荷是感應電荷,在運行中,除了正常工作功率即有功功率外,還需要消耗一定量的未消耗能量即無功功率。電子法向電磁場不允許在額定條件下工作,破壞電磁場的正常工作環境。在這種情況下,為了保證用電裝置的正常運行,通常需要在電網中安裝一些功率損耗補償裝置,以滿足用戶的用電需求,使用電裝置能在額定電壓下正常運行。

5 金屬礦山20 kV 配電網建設關鍵技術展望

目前,國內不少變電站已實現集中控制、網絡傳輸和計算機監控,電力行業的技術水平和管理水平逐步提高。20 kV 變電站的建設有嚴格的供電設計體系和復雜的設施。隨著集成設備的應用、施工方法的改進、變電站結構的改進、施工設備的更新,變電站的建設和維護技術水平也在不斷提高。20 kV智能變電站作為一種新穎的設計理念,是未來發展的主流,智能變電站相關先進技術集成度高,概念先進,現在已經相當成熟。智能電站有些技術還處于研發階段,有些還處于概念階段,還需進一步研究。

隨著計算機技術、網絡技術和通信技術的飛速發展,分層分布式自動化系統得到了廣泛的應用,形成了以實區間為設計對象的保護測量單元和分層分布式系統結構,國內外大多數電氣設備制造商都采用了這種結構。

6 結論

金屬礦山企業在用電質量上的要求不斷提升,因此為了更好地改善電能質量水平,就需要強化對動態無功補償技術的運用和推廣,進而使得電能供應的穩定性得到提升。同時在礦井配電網的應用上,也需要通過調節電網電壓穩定性以及功率因數等方式促使電網滿足質量要求。金屬礦山20 kV 的配網電力工程不可避免的需要與220 kV 電網進行聯合,這種聯合能夠很好的提高金屬礦山20 kV 電網的穩定性,而如何控制因此而產生的電磁環網就需要進行細致的設計分析。再加上金屬礦山20 kV變電站的修建,涉及到許多關鍵的接線技術,更是應該一絲不茍的嚴格遵循相關規定。