康苏珍

(阳泉固庄煤矿,山西 阳泉 045000)

当前我国煤炭生产发展的趋势逐步走向大型化、集中化、智能化,煤矿井下采、掘、运设备的功率也随之不断增大,对于供电系统质量、效率、降耗的要求也随之提高,为此,一些不能适应当前发展要求的设备和技术也需要进行改进[1],本文所述的无功自动补偿装置的应用正是为了改善当前煤矿井下供电系统质量而进行的技术应用研究。

1 煤矿井下供电系统现状分析及改进方案

1.1 现状分析

某矿榆林垴配电室主供本矿丈八井下、九尺井下、空压机房、五号风机房等动力负荷,装机容量达4 926 kW,由于煤矿生产班次的特殊需要,日负荷变化较大。在矿井供电过程中出现功率因数变化较大,致使设备容量得不到充分的利用,吨煤产量电耗增大,尤其是井下大功率电力电子调速产品的应用,产生大量的谐波电流涌入电网,直接影响了矿井自动控制装置及通信设备的正常运行,对矿井安全造成一定威胁。加之大型负载周期性启动,造成电压波动,严重影响了矿井正常生产。本矿榆林垴配电室设计为单母线分段供电模式,该配电室原配有两套固定式408 kvar、6 kV高压补偿电容器,靠35 kV变电所人工监控功率因数情况,指挥值班员进行电容器投切。

1.2 改进方案

1.2.1 原因分析及改进方案

随着煤矿机械化水平的不断提高,原配套使用的408 kvar固定式高压补偿电容器远远不能满足现在的供电网络,经认真分析研判,致使本矿供电网络功率因数变化较大,有时低于0.7的情况,主要是因为生产过程中负荷的不均衡造成,补偿采用的固定式408 kvar补偿电容器组远远不能满足高压无功补偿的技术要求。经过技术理论分析,认为在榆林垴配电室采用两套DWK3型高压电容无功功率补偿控制器,对榆林垴配电室进行无功自动补偿[2]。

1.2.2 方案实施

在榆林垴配电室6 kV高压进线总控柜电流互感器二次中相取电流信号,在配电室6 kV电压互感器二次取电压信号,通过两信号收取的数据运算实时控制并联电容器组的投切,系统所需无功功率就根据负荷变化情况进行自动投切供给,保持系统较高的功率因数系数。补偿后现场功率因数可提高至0.95以上,节能效果、功率因数控制平稳均可达到技术要求。在选用无功功率自动补偿装置进行无功自动补偿时,必须根据系统相关数据确定自动补偿装置的容量。

2 无功自动补偿装置电容器容量确定

某矿榆林垴配电室的无功自动补偿装置的应用,主要是根据负荷变化的需要,通过电容器分组投入或切除调节供电系统中的无功功率,也就是使用开关设备分级地调节电容器补偿容量,稳定供电设备受电端电压,提高本矿供电系统的功率因数。

2.1 补偿前平均功率因数确定计算

由于现场测量榆林垴配电室的无功功率时耗时长、不易测量等原因,通过实时监视榆林垴配电室所安装的多功能数字显示仪,采集6 kV高压进线总控开关运行功率、电压、电流等数据。可得出如下数据:

正常维修时:平均功率750 kW左右;电压6.4 kV;工作电流105 A(无补偿)。

正常生产时:平均功率1 500 kW左右;电压6.3 kV;工作电流210 A(无补偿)。

根据以上数据计算补偿前平均功率因数。

正常检修时:

正常生产时:

式中:cosΦ1为正常检修(生产)时,补偿前平均功率因数;P为运行功率,kW;U为电网电压,kV;I为运行电流,A。

由上可知,在无补偿情况下,某矿供电系统功率因数较低,为此,原有在配电室装配了两套固定式408 kvar、6 kV高压补偿电容器,靠35 kV变电所人工监控功率因数,值班员进行电容器投切,经常出现不能及时进行无功补偿和操作滞后于电网实时运行情况的问题,在保持较高的功率因数和电网电能的高效利用上,操作人员劳动强度大,且不精确、不科学,技术手段落后,因此,要进行技术改进,在系统中采用无功自动补偿装置进行无功补偿,功率因数可达并保持在0.85～0.9。

2.2 补偿容量的确定

2.2.1 公式计算确定

可以根据负荷的最大功率、补偿前的功率因数及要求补偿后达到的功率因数,用下式计算确定:

Q=αP(tanΦ1-tanΦ2).

式中:Q为所需补偿的总无功功率kvar;α为平均负荷系数,取0.7～0.8;P为用户最大负荷,kW;tanΦ1为补偿前平均功率因数角;tanΦ2为补偿后平均功率因数角。

2.2.2 查表法确定

查每千瓦负荷所需无功功率补偿率值表[1]确定补偿率值,计算容量。

2.2.3 本次利用查表法计算确定

计算步骤:

采用Q=αPq,假设榆林垴配电室现无任何补偿装置,根据固定长期运转负荷计量报表统计数据(不包括井下生产班运行负荷),计算得某矿榆林垴配电室平均输出功率仅为720 kW。

1)电容器长期投入无功补偿的容量:

Q1=αPq

=0.7×720×0.87

=451 kvar.

式中:Q1为所需长期补偿的无功功率, kvar;α为平均负荷系数,取0.7～0.8;P为固定长期运转负荷,kW;q为每kW负荷所需无功功率补偿率值。

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

取整数Q1=450 kvar。即将450 kvar电容器做为长期投入无功补偿容量保持不变。

2)自动补偿装置补偿容量计算:

Q2=αPq

=0.7×1 500×0.87

=913.5 kvar.

式中:Q2为负荷最大时所需补偿的总无功功率,kvar;α为平均负荷系数,取0.7～0.8;P为井下生产时最大负荷,kW;q为每kW负荷所需无功功率补偿率值。

井下生产班次时,负荷急剧增加,榆林垴配电室平均输出功率为1 500 kW(根据计量报表),查出当cosΦ1=0.64,cosΦ2=0.95时,q=0.87 kvar/kW,α=0.7。

取整数Q2=900 kvar.

3)在生产班次时,自动投切容量为:

Q=900-450=450 kvar.

式中:Q为无功功率自动补偿装置所需补偿的无功功率,kvar,也即无功功率自动补偿装置的容量。

无功功率自动补偿装置的容量确定为450 kvar,选取450 kvar容量的无功自动补偿装置,可满足矿井供电的需要。

3 应用效果

1)节能显著。榆林垴配电室采用无功自动补偿装置后,提高了功率因数系数,减少了本矿电费支出。根据实际运行分析每年节省电量60万kW·h～80万kW·h,固庄煤矿平均电价0.4元/(kW·h),可节省电费24万元～32万元。

2)提高了供配电设备供电能力。对于一定容量的用电负荷,当其有功功率为一定值时,功率因数越低,需要提供的电流越大。进行无功补偿后,所需无功电流大部分由电容器组供电,设备的供电能力得到提高。

3)延长电气设备使用寿命。采取无功自动补偿装置后,由于线路上无功电流减少,其线路电压降也相应减少,供电线路电压有所提高,改善了用电设备受电端电压,控制开关故障率也随之降低,使用寿命得到了增加,减少日常维护费用。

4 结束语

无功功率自动补偿装置在某矿榆林垴配电室的应用,解决了以往采用固定式补偿装置带来的因生产班次、负荷变化大等原因带来的一系列安全供电中的隐患问题,改善和稳定了用电设备受电端的电压,提高了供电系统的功率因数,减少了供配电设备及输电线路有功电能的损耗,最为明显的有形效益就是节约了电费24万元～32万元,无形效益也很可观。综上分析,无功自动补偿装置在我矿榆林垴配电室的应用,发挥了投资少、见效快、收益高、操作简单、节能效果非常明显可观的特点。

[1] 李正祥.煤矿机电工程师技术手册[M].北京：煤炭工业出版社,2010.

[2] 顾永辉.煤矿电工手册[M].北京：煤炭工业出版社,2009.