鐵礦供電系統(tǒng)無功補(bǔ)償優(yōu)化

烏蘭巴特 牛 成 馬亞平

（河北鋼鐵集團(tuán)礦業(yè)有限公司承德柏泉鐵礦）

供電部門對(duì)工業(yè)用戶功率因數(shù)規(guī)定0.9為不獎(jiǎng)不懲的界限，當(dāng)用戶進(jìn)行無功補(bǔ)償將功率因數(shù)提高到0.9以后，每提高1%，供電部門按月電量0.15%獎(jiǎng)勵(lì)用戶。低于0.9時(shí)，增收功率因數(shù)調(diào)整電費(fèi)。當(dāng)?shù)仉娏Σ块T只能監(jiān)測到用戶總進(jìn)線的功率因數(shù)并進(jìn)行考核，而從企業(yè)角度來講，單純的總進(jìn)線功率因數(shù)提高并不是企業(yè)最優(yōu)運(yùn)行方案。無功補(bǔ)償通常分為集中補(bǔ)償、分散補(bǔ)償和就地補(bǔ)償。若能夠從下至上從單體運(yùn)行電機(jī)至總進(jìn)線進(jìn)行全方位無功補(bǔ)償，能夠?qū)崿F(xiàn)效益最大化［1-6］。

無功補(bǔ)償需要從供電系統(tǒng)進(jìn)行綜合考慮。低壓系統(tǒng)進(jìn)行無功補(bǔ)償后，高壓系統(tǒng)可能出現(xiàn)過補(bǔ)的現(xiàn)象，因此需將高壓無功補(bǔ)償進(jìn)行統(tǒng)一考慮。改造前柏泉鐵礦高壓總進(jìn)線功率因數(shù)為0.92，有較大優(yōu)化空間。

1 項(xiàng)目實(shí)施

礦山企業(yè)電力傳動(dòng)設(shè)備多為異步電動(dòng)機(jī)，異步電動(dòng)機(jī)均屬于感性負(fù)荷，在處于運(yùn)行的狀態(tài)下，因生產(chǎn)需求，部分異步電機(jī)存在大馬拉小車的現(xiàn)象，有一定的無功損耗。因此，減少無功損耗，提高電網(wǎng)的功率因數(shù)，可提高供電設(shè)備的有效容量，增加輸電能力，同時(shí)可提高電壓質(zhì)量，減少變損和線路損耗，提高線路前端功率因數(shù)。

1.1 就地補(bǔ)償

柏泉鐵礦采選擴(kuò)能完成后因選一作業(yè)區(qū)是老車間，原有部分無功補(bǔ)償不合理。按照不同的補(bǔ)償對(duì)象，無功補(bǔ)償容量有不同的計(jì)算方法。

（1）按照功率因數(shù)的提高計(jì)算。補(bǔ)償前功率因數(shù)為cos?1，補(bǔ)償后功率因數(shù)為cos?2，補(bǔ)償前后的平均有功功率為P，則需要補(bǔ)償?shù)臒o功功率容量為

（2）按照躲開電動(dòng)機(jī)空載電流計(jì)算。單臺(tái)異步電動(dòng)機(jī)進(jìn)行就地?zé)o功補(bǔ)償時(shí)，若電動(dòng)機(jī)突然與電源斷開，電容器將對(duì)電動(dòng)機(jī)放電而產(chǎn)生自勵(lì)磁現(xiàn)象。如果補(bǔ)償容量過大，可能因電動(dòng)機(jī)慣性轉(zhuǎn)動(dòng)而產(chǎn)生過電壓損壞電動(dòng)機(jī)。為防止這種情況的發(fā)生，不宜使電容器補(bǔ)償容量過大，應(yīng)以電容器組在此時(shí)的放電電流不大于電動(dòng)機(jī)空載電流為限，即

式中，UN為供電系統(tǒng)額定線電壓，kV；I0為電動(dòng)機(jī)額定空載電流，A；Qc為補(bǔ)償電容器容量，kvar。

電動(dòng)機(jī)空載電流的數(shù)值若在產(chǎn)品樣本中查不到，可通過下面兩個(gè)估算公式推算出。按電動(dòng)機(jī)最大轉(zhuǎn)矩倍數(shù)推算公式為

經(jīng)驗(yàn)公式為

式中，I0為電動(dòng)機(jī)的空載電流，A；IN為電動(dòng)機(jī)的額定電流，A；cos?N為電動(dòng)機(jī)的功率因數(shù)；K為計(jì)算參數(shù)，當(dāng)cos?N≤0.85時(shí)，K=2.1，當(dāng)cos?N>0.85時(shí)，K=2.15。

已知中礦泵電機(jī)和分級(jí)機(jī)電機(jī)型號(hào)及實(shí)測功率因數(shù)見表1。

（3）補(bǔ)償電容的選定。若進(jìn)行無功補(bǔ)償后功率

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因數(shù)按0.98計(jì)，按公式（1）計(jì)算。中礦泵補(bǔ)償電容Qcz=22.63 kvar，按公式驗(yàn)算Qcz≤27.26 kvar，所以選取補(bǔ)償電容容量為20 kvar。分級(jí)機(jī)補(bǔ)償電容Qcf=10.44 kvar，按公式驗(yàn)算Qcf≤12.60 kvar，所以選取補(bǔ)償電容容量為10 kvar。

（4）就地補(bǔ)償效果。以此類推對(duì)選一作業(yè)區(qū)除因工藝原因無法加裝補(bǔ)償電容的電機(jī)外，對(duì)額定功率7.5 kW以上的電機(jī)全部加裝就地補(bǔ)償。陸續(xù)對(duì)環(huán)水泵電機(jī)、過濾機(jī)電機(jī)、二段球磨機(jī)電機(jī)進(jìn)行就地補(bǔ)償改造，總?cè)萘? 616 kW。加裝就地補(bǔ)償?shù)碾姍C(jī)功率因數(shù)均達(dá)到0.95以上。因設(shè)備運(yùn)行方式不同，有些電機(jī)即使功率因數(shù)很低也不能加裝就地補(bǔ)償。比如部分事故泵電機(jī)，礦漿回收泵電機(jī)等。由于負(fù)荷波動(dòng)非常大，若運(yùn)行負(fù)荷很小時(shí)加裝就地補(bǔ)償會(huì)發(fā)生過補(bǔ)的現(xiàn)象，不利于電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行。

1.2 分組補(bǔ)償

該種補(bǔ)償是將電容器組按低壓配電網(wǎng)的無功負(fù)荷分布情況，分組裝設(shè)在相應(yīng)的母線上，或直接與低壓干線相連接，形成低壓電網(wǎng)內(nèi)部的多組分散補(bǔ)償方式。電容器分散裝設(shè)可以就近補(bǔ)償用電設(shè)備所消耗的無功功率。由于這部分無功功率不再通過主干線以上線路輸送，從而使變壓器和配電主干線路的無功功率損耗相應(yīng)減少，因而分組補(bǔ)償比集中補(bǔ)償降損節(jié)電效益顯著。尤其對(duì)于用電負(fù)荷點(diǎn)較多，且距離較遠(yuǎn)的低壓配電網(wǎng)，這種補(bǔ)償效益更高。

由于大多數(shù)負(fù)載是隨時(shí)間及季節(jié)變化的，采用自動(dòng)補(bǔ)償較好。分組電容器的投切可隨總的負(fù)荷水平而變化。柏泉鐵礦低壓母線上全部安裝了分組補(bǔ)償裝置且全部為自動(dòng)補(bǔ)償，對(duì)全部分組自動(dòng)補(bǔ)償柜進(jìn)行了檢測，運(yùn)行效果較好，只對(duì)部分損壞的電容進(jìn)行更換。

1.3 集中補(bǔ)償

柏泉鐵礦35 kV變電站建設(shè)時(shí)在10 kV母線和6 kV母線上安裝了集中補(bǔ)償裝置，但隨著車間負(fù)荷的變化，6 kV母線負(fù)荷逐漸減少，6 kV母線的集中補(bǔ)償裝置無法滿足實(shí)際需求。

1.3.1 6 kV母線電容補(bǔ)償柜優(yōu)化改造

柏泉鐵礦高壓供電有10 kV和6 kV供電系統(tǒng)。由于生產(chǎn)需求，原6 kV用電設(shè)備不斷減少，10 kV用電設(shè)備增加，導(dǎo)致6 kV母線補(bǔ)償電容不匹配。6 kV供電系統(tǒng)的用電設(shè)備主要為采礦的潛孔鉆機(jī)，同時(shí)采礦作業(yè)區(qū)潛孔鉆機(jī)避峰就谷運(yùn)行，只在夜間進(jìn)行鉆孔作業(yè)，6 kV母線負(fù)荷變化較大。原電容補(bǔ)償柜設(shè)計(jì)容量為1 500 kvar電容器組，串聯(lián)電抗器為90 kvar。補(bǔ)償電容若投入，6 kV母線有時(shí)會(huì)出現(xiàn)過補(bǔ)現(xiàn)象，若不投入，功率因數(shù)一般在0.84左右。

該礦6 kV供電系統(tǒng)的諧波含量不高，以5次諧波為主，電壓、電流的波形畸變不大。這樣對(duì)諧波的治理可暫不考慮，主要任務(wù)是提高系統(tǒng)的功率因數(shù)。

考慮到經(jīng)濟(jì)情況，為了最大程度地減少投資，只將原補(bǔ)償柜進(jìn)行改造，更換電抗器，拆除1組電容，將原電容柜補(bǔ)償電容由1 500 kvar（2組每組3塊電容）投入一半，容量改為750 kvar，只需采購1臺(tái)45 kvar電抗器代替原90 kvar電抗器。改造后6 kV母線功率因數(shù)達(dá)到0.98，效果非常顯著。

1.3.2 選一尾礦砂泵加裝補(bǔ)償電容優(yōu)化改造

對(duì)柏泉鐵礦全部高壓配電室功率因數(shù)進(jìn)行測定，詳細(xì)數(shù)據(jù)見表2。

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由表2可知，選一砂泵、高壓輥磨、破碎綜合功率因數(shù)偏低。因工藝原因，高壓輥磨和破碎綜合所帶設(shè)備每日均需停車檢修，所帶的主體設(shè)備旋回破碎機(jī)、圓錐破碎機(jī)、高壓輥磨機(jī)負(fù)荷波動(dòng)非常大，不適合進(jìn)行無功補(bǔ)償。選一砂泵屬于選礦設(shè)備，除計(jì)劃檢修外均連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，適合進(jìn)行無功補(bǔ)償。

選一作業(yè)區(qū)尾礦泵分支共有尾礦泵電機(jī)4臺(tái)，其中2臺(tái)電機(jī)功率為315 kW，2臺(tái)電機(jī)功率450 kW，2用2備（1臺(tái)315 kW和1臺(tái)450 kW同時(shí)運(yùn)行），平均功率在0.82左右，有較大的優(yōu)化空間。在選一砂泵高壓室母線增加電容補(bǔ)償柜。

補(bǔ)償容量計(jì)算方法為Q=P()，補(bǔ) 償 目 標(biāo) 值cos?2=0.82，cos?1=0.98，P=685 kW，計(jì)算結(jié)果Q=356.4 kvar。依據(jù)補(bǔ)償容量的計(jì)算結(jié)果，選一砂泵分支供電系統(tǒng)10 kV母段選用300 kvar補(bǔ)償電容，按6%電抗率選型，電抗器容量為18 kvar，按該容量選取配套電容柜。補(bǔ)償柜投入運(yùn)行后，選一砂泵進(jìn)線功率因數(shù)由0.82提高到0.97以上，電流降低6 A以上，節(jié)能效果顯著。

對(duì)全礦供電系統(tǒng)進(jìn)行全方位無功補(bǔ)償優(yōu)化后，小柏線總進(jìn)線功率因數(shù)達(dá)到0.98以上，每年受當(dāng)?shù)仉娏Σ块T獎(jiǎng)勵(lì)60萬元以上。

2 成本投入與效益測算

選一作業(yè)區(qū)按全部加裝就地補(bǔ)償電機(jī)進(jìn)行測算，就地補(bǔ)償電容采購費(fèi)25.84萬元，年創(chuàng)效75.5萬元；6 kV補(bǔ)償柜電抗器采購成本2.2萬元，年創(chuàng)效121.54萬元；選一砂泵高壓補(bǔ)償柜采購成本18.5萬元，年節(jié)約電費(fèi)62.17萬元；柏泉鐵礦年受當(dāng)?shù)仉娏Σ块T獎(jiǎng)勵(lì)增加60萬元，合計(jì)年創(chuàng)效255.67萬元。

3 結(jié)語

通過研究發(fā)現(xiàn)，對(duì)供電系統(tǒng)進(jìn)行系統(tǒng)性的無功補(bǔ)償，可提高功率因數(shù)，隨著功率因數(shù)的提高可減少電能損耗，減少線路損耗，減少變壓器的有功功率損耗，減少線路及變壓器的電壓損失，增加發(fā)配電設(shè)備的供電能力等，經(jīng)濟(jì)效益及節(jié)能效果明顯。進(jìn)行無功補(bǔ)償時(shí)，需對(duì)整個(gè)供電系統(tǒng)從下至上，從單體運(yùn)行電機(jī)至總進(jìn)線進(jìn)行無功補(bǔ)償，對(duì)不適合加裝無功補(bǔ)償?shù)牟课换蛟O(shè)備嚴(yán)禁加裝補(bǔ)償電容，避免出現(xiàn)過補(bǔ)影響供電質(zhì)量。該研究尚未實(shí)現(xiàn)柏泉鐵礦所有適合無功補(bǔ)償電機(jī)的全覆蓋，如碎礦個(gè)別軟啟動(dòng)電機(jī)、選二1系列浮選電機(jī)等，實(shí)現(xiàn)后可進(jìn)一步提高經(jīng)濟(jì)效益。