變頻調速渣漿泵的電壓選擇

韓 亮

(中國恩菲工程技術有限公司,北京 100038)

0 前言

隨著電力電子技術的發展以及市場應用的廣泛,電力電子元器件的成本逐漸降低,ROBICON 原理的完美無諧波高壓變頻器產品國產化已成熟,質量和性能均可以和進口產品相媲美,而且價格優勢明顯,打破了進口品牌的壟斷地位、拉低了這些品牌的價格[3],同時也擴展了高壓變頻器的使用范圍。之前由于進口品牌高壓變頻器價格太高,國產產品又不太成熟,對于一些中小功率的應用,如250 kW以上場合,只能選用低壓變頻器,而目前對于這些功率范圍,采用高壓變頻器的成本并不比低壓變頻器高太多,也就是說高壓變頻器的應用范圍更大了。

某選礦廠磨浮車間改造工程新增1 臺280 kW渣漿泵,要求變頻調速,根據目前的變頻器技術水平和應用的成熟度,結合磨浮車間的現有電壓等級,新增渣漿泵變頻器可以采用380 V 或10 kV,技術應用角度均已成熟,因此需要比較兩種不同電壓方案的費用情況,以確定哪種電壓更合適。

費用可比范圍主要是初始設備投資以及后期運行費用,初始設備投資主要包括變頻器、變壓器、開關柜、電纜、電動機等,后期運行費用主要包括電纜線路損耗、變頻器及變壓器損耗等。由于現有配電室空間足夠使用,因此盡管兩種電壓對應的電氣設備占地面積不同,但在初始投資對比中未考慮建筑費用的差別。

1 車間配電設施現狀

磨浮車間現有配電室包含10 kV 配電站及10 kV/0.4 kV 變電所:10 kV 配電站一座,10 kV 為單母線接線,雙回路10 kV 電源進線,一回路使用另一回路備用,為本車間10 kV/0.4 kV 變電所的兩臺變壓器、車間高壓電動機提供10 kV 電源;10 kV/0.4 kV變電所一座,兩臺10 kV/0.4 kV 干式變壓器,380 V母線為單母線分段接線,分段開關為框架式斷路器,由該兩段380 V 母線為車間低壓用電設備供電。

(1)磨浮車間10 kV 配電站的雙回路10 kV 進線為電纜線路,分別引自礦山110 kV 總降壓變電所的10 kV 甲母線和乙母線,兩回路電纜型號均為YJV22-8.7/10 kV 3 ×185 mm2,主要沿廠區綜合管架上的電纜橋架敷設,線路長度約490 m。配電站安裝10 kV 中置式金屬鎧裝開關柜11 臺,其中進線柜2 臺、母線避雷器及電壓互感器柜1 臺、50 kVA所用變壓器柜1 臺、出線柜7 臺,斷路器柜均配置630 A 25 kA 固封式真空斷路器及微機綜合保護裝置,配電站按高壓柜雙排布置設計,現有的10 kV 開關柜采用單排布置,兩端各有3 個備用位置,另有一排共17 個備用柜的位置。目前該配電站總負荷約3 800 kVA,10 kV 進線電流約220 A。配電站直流電源采用智能型免維護鉛酸蓄電池電源系統,DC220V 65 Ah,配套AC220V 5 kVA 逆變電源一套,主要為高壓開關柜提供直流操作電源、控制電源,尚有多個直流備用出線回路。

本次改造工程新增1 臺280 kW 渣漿泵,現有進線柜斷路器額定電流、電流互感器變比等均滿足擴容后使用,且預留有多個備用位置,可用于安裝新增的高壓開關柜以及變頻器。

(2)磨浮車間10 kV/0.4 kV 變電所安裝1 000 kVA 變壓器2 臺,10 kV 電源均引自本車間10 kV 配電站,安裝抽出式低壓配電柜17 臺,采用雙排面對面布置,其中進線柜2 臺、母聯柜1 臺、補償柜2 臺,其他均為出線柜,備用柜位置7 個。出線柜尚有多個備用出線回路,其中400 A 出線回路2 個、250 A出線回路1 個,其余均為100 A 及以下出線回路。變電所現有總負荷約1 680 kVA,其中1#變壓器約780 kVA、2#變壓器約900 kVA。

本次改造工程新增1 臺280 kW 渣漿泵,若采用380 V 電壓等級,由于現有兩臺變壓器均接近滿載運行,無法增加380 V 用電負荷,因此需要更換變壓器,但低壓柜備用位置較多,可以根據需要增加配電柜。

2 380 V 變頻器方案

380 V 低壓變頻器具有統一的拓撲結構,主要采用交-直-交方式,根據分類方式不同有以下幾種類型[3-4]:

(1)根據拖動負載的機械特性可以分為:恒轉矩負載、恒功率負載、風機泵類負載;

(2)根據整流方式可分為:6 脈沖整流、12 脈沖整流、有源前端整流,主要區別是對電網側的諧波污染不同;

對于本工程的應用場合,采用6 脈沖整流風機泵類通用性變頻機即可,同時需要配套有源濾波裝置。本方案需要為渣漿泵配套380 V 電動機,新增一臺380 V 280 kW 變頻器實現渣漿泵的調速運行?？紤]到現有10 kV/0.4 kV 變電所的2 臺變壓器均已經接近滿載,該方案需要更換其中一臺變壓器,結合變電所實際負荷情況,將1 000 kVA 2#變壓器拆除,新裝一臺1 600 kVA 干式變壓器,配套更換現有2#變壓器低壓側進線柜,新增1 臺出線柜用于為280 kW 變頻器供電。由于采用了6 脈波通用型變頻器,為了保證低壓配電系統的諧波限值,還需增加1 臺有源濾波器柜。

該方案可比范圍內主要設備有:1 臺10 kV/0.4 kV 1 600 kVA 干式變壓器、2 臺低壓配電柜、1 臺有源濾波柜、1 臺380 V 280 kW 鼠籠式異步電動機以及配套的低壓電纜,參數及費用如表1 所示。

3 10 kV 變頻器方案

不同于低壓變頻器,高壓變頻器沒有統一的拓撲結構。根據分類方式不同有以下幾種類型[3-4]。

(1)根據電壓變換方式可以分為:高-低-高型、高-高型。ROBICON 原理高壓變頻器即高-高型;

(2)根據主電路結構不同可以分為:交-交變頻、交-直-交變頻;

(3)根據電平數不同可以分為:三電平、五電平、多電平。ROBICON 原理即多電平。三電平高壓變頻器受制于元器件的耐壓不足,目前還做不到10 kV 電壓等級的應用,且價格昂貴,代表品牌為ABB和西門子。

串聯多電平式高壓變頻器的輸入側為降壓移相變壓器,采用18 脈沖以上的整流方式,輸入側波形好,網側功率因數高,對電網側的諧波污染小,輸出側采用多電平移相技術,波形接近正弦波,可用于普通異步電機[4];功率元件采用與低壓變頻器相同的IGBT,技術成熟。但由于移相變壓器的存在,這種變頻器體積較大。

本工程需要對渣漿泵實現變頻調速控制,10 kV變頻器方案采用串聯多電平式高壓變頻器的高-高方案,變頻器輸入輸出均為10 kV,需要為渣漿泵配套10 kV 高壓電動機。該方案接線簡單,僅需一回路10 kV 電源即可,結合配電站現狀,在10 kV 配電室新增1 臺KYN28A-12 型高壓開關柜與現有7#高壓柜并柜安裝、新增1 套串聯多電平10 kV 高壓變頻器裝置安裝在現有單排高壓柜的對面,由于采用了無諧波的串聯多電平式高壓變頻器,該方案不需要設置諧波治理裝置。

該方案可比范圍內主要設備有:1 臺10 kV 高壓開關柜、1 套10 kV 高壓變頻器、1 臺10 kV 280 kW 鼠籠式異步電動機以及配套的高壓電纜,參數及費用詳見表2。

表2 10 kV 變頻器方案主要設備及費用

(1)設備單價采用同時期國產設備報價

4 兩種方案的對比分析

(1)設備投資費用對比

380 V 變頻器方案和10 kV 變頻器方案可比范圍內的總投資費用分別為53 萬元、40.5 萬元?？梢钥闯霾捎?80 V 的低壓方案并無成本優勢,反而比10 kV 方案投資大,即使不考慮更換1 600 kVA 變壓器的費用,380 V 方案也僅比高壓方案節省投資5.5 萬元。

(2)電能損耗對比

兩種方案的電能損耗主要包括變壓器(或高壓變頻器內置移相變壓器)損耗、變頻器開關器件(IGBT)損耗、電纜損耗、電動機損耗。鑒于10 kV變頻器為串聯多電平型式,內置一臺具有多個二次繞組的移相變壓器,而且開關器件(IGBT)同380 V變頻器類似、10 kV 280 kW 電動機的效率同380 V接近,因此視為兩種方案下的變壓器損耗、開關器件(IGBT)損耗以及電動機損耗等同(實際情況是低壓方案的上述損耗略高),兩種方案的電能損耗主要對比電纜損耗。

本工程渣漿泵使用280 kW 四極電動機,380 V和10 kV 的額定電流分別為514 A、19.87 A;150 mm2銅芯電纜每千米電阻0.117 Ω、70 mm2銅芯電纜每千米電阻0.251 Ω[1-2],兩種方案的電能損耗計算如下:

380 V 方案:ΔP=3I2R=3(514 A)2×(0.117 Ω/km×0.09 km×0.5)=4.173 kW

10 kV 方案:ΔP=3I2R=3(19.87 A)2×(0.251 Ω/km×0.1 km)=0.030 kW

本工程的綜合電價為0.6 元/kWh,車間年最大負荷小時數約6 200 h,兩種方案電纜損耗的年費用相差:

(4.173-0.030) kW×6 200 h ×0.6 元/kWh=15 412 元。

通過對兩種方案的投資費用和運行費用(電能損耗)比較可以看出,按照設備投資和運行費用最低的原則,本工程新增渣漿泵應采用10 kV 變頻方案。

5 結論

變頻器電壓的選擇應該在技術方案成熟、滿足工藝要求的基礎上進行經濟性分析比較,選擇投資費用和運行費用較低的方案。

針對本文所述實例,新增280 kW 渣漿泵采用10 kV 變頻方案比380 V 既節省投資又節省運行費用,考慮到本工程的特殊性(380 V 方案需要增加一臺1 600 kVA 變壓器替換現有變壓器),對于其他工程如何選擇仍需要具體分析,但是從建設綠色節能礦山的角度出發,節能降耗應該是首先考慮的因素,考慮到國產的串聯多電平式高壓變頻器技術日趨成熟、價格越來越低,因此即使10 kV 變頻方案投資稍高,也應作為優先考慮的方案。