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      煤礦配電網(wǎng)中無(wú)功功率平衡問(wèn)題研究

      2012-03-01 10:51:22劉俊嗣
      科技視界 2012年15期
      關(guān)鍵詞:補(bǔ)償器電抗器電容器

      劉俊嗣

      (神華寧夏煤業(yè)集團(tuán)清水營(yíng)煤礦 寧夏 靈武 751410)

      0 引言

      煤礦生產(chǎn)中的開(kāi)采、運(yùn)輸、提升、通風(fēng)都需要功率很大的機(jī)械,對(duì)電力的需求十分巨大,同時(shí)對(duì)電力的損耗也是十分巨大。電費(fèi)支出已經(jīng)占了全礦支出的很大部分,從節(jié)約采煤成本上考慮,節(jié)能省電也己經(jīng)迫在眉睫。

      1 無(wú)功功率負(fù)荷

      1.1 配電變壓器

      配電變壓器是配電網(wǎng)中無(wú)功功率的主要消耗者之一,其消耗的無(wú)功功率主要包括勵(lì)磁無(wú)功功率損耗和漏感無(wú)功損耗兩部分:勵(lì)磁支路上的無(wú)功功率損耗,基本上可以認(rèn)為是與變壓器負(fù)荷無(wú)關(guān)的空載損耗,數(shù)值上約與變壓器空載電流的百分?jǐn)?shù)相等,其值約為1%-2%;繞組漏抗中的無(wú)功損耗與變壓器的負(fù)荷有關(guān),當(dāng)變壓器為額定負(fù)荷時(shí),約與短路電壓的百分?jǐn)?shù)相等,其值約為10%。對(duì)于一臺(tái)變壓器,其滿載時(shí)總的無(wú)功功耗并不大,約為額定容量的11%-12%。但在有多臺(tái)變壓器串接的多電壓級(jí)網(wǎng)絡(luò)中,變壓器中總的無(wú)功功率損耗相當(dāng)可觀。例如在一個(gè)3級(jí)變壓的網(wǎng)絡(luò)中,發(fā)電廠至煤礦為35kV,中間經(jīng)35/6,6/0.4kV,降壓至煤礦設(shè)備,所有變壓器滿載時(shí),變壓器中總的無(wú)功損耗約占變壓器負(fù)荷的57%,半載時(shí)占39%。由此可見(jiàn),系統(tǒng)中變壓器的無(wú)功功率損耗所占比例相當(dāng)大,比有功功率損耗大的多。

      1.2 電力線路

      線路在輸配電過(guò)程中也要消耗一部分無(wú)功功率。電力線路上的無(wú)功損耗也分為兩個(gè)部分:即并聯(lián)電納和串聯(lián)電抗中的無(wú)功損耗。并聯(lián)電納中的無(wú)功損耗又稱(chēng)充電功率,與線路電壓的平方成正比,呈容性。串聯(lián)電抗中的無(wú)功損耗與負(fù)荷電流的平方成正比,呈感性。一般,對(duì)于110kV及以下的配電線路,可忽略電納的影響,消耗的無(wú)功.功率主要由電抗引起,呈感性,表達(dá)式如下:

      式中:△Q1為線路消耗的感性無(wú)功功率,Kvar;I為線路流過(guò)的電流,kA;P為輸送的有功功率,kW;Q為輸送的無(wú)功功率,Kvar;UN為線路的額定電壓,kV;X1為線路的阻抗,Ω。

      從式中可以看出,線路無(wú)功損耗與線路電壓的平方成反比,線路運(yùn)行電壓越低,則無(wú)功損耗越大;與輸送功率的平方成正比,輸送的功率越大,則無(wú)功損耗越大。

      1.3 大功率設(shè)備

      煤礦中的大型設(shè)備較多(如主副井提升機(jī)、采煤機(jī)、主水泵等),主要為異步電動(dòng)機(jī),異步電動(dòng)機(jī)在煤礦使用比較普遍,其功率因數(shù)很低。異步電動(dòng)機(jī)在運(yùn)行時(shí)所需要的無(wú)功功率由兩部分組成:一部分是勵(lì)磁支路所需的無(wú)功功率,另一部分是負(fù)荷支路所需的無(wú)功功率。異步電動(dòng)機(jī)主要是勵(lì)磁支路所需的無(wú)功功率,當(dāng)負(fù)荷由零到滿載時(shí),其變化很小,隨負(fù)荷的增加而略有下降;而負(fù)荷支路所需的無(wú)功功率隨負(fù)荷增加而增加,其值一般比勵(lì)磁支路所需的無(wú)功功率小,容量越小,需求的無(wú)功功率越小。電動(dòng)機(jī)的功率因數(shù)隨負(fù)載率的減小而減小,一般煤礦為了設(shè)計(jì)方便,都采用比實(shí)際需要偏大功率的電機(jī),造成負(fù)載率進(jìn)一步降低,實(shí)際應(yīng)用中功率因數(shù)極低。

      2 無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備

      2.1 靜止電容器

      靜止電容器有并聯(lián)電容器和并聯(lián)電抗器,它們的作用是調(diào)節(jié)系統(tǒng)中的無(wú)功潮流分布。并聯(lián)電容器主要是用在負(fù)荷比較高的時(shí)候,為電網(wǎng)提供無(wú)功電源支持,減少電網(wǎng)中的無(wú)功流動(dòng),并聯(lián)電容器只能向系統(tǒng)供給感性無(wú)功功率,一般將其連接成若干組使用,按需要成組地投入或切除,改變投切容量,既可以集中安裝,又可分散使用,它供給的無(wú)功功率Qc值與所在的節(jié)點(diǎn)電壓U的平方成正比,即Qc=U2/Xc。從公式可以看出,當(dāng)節(jié)點(diǎn)電壓下降時(shí),它供給系統(tǒng)的無(wú)功功率將減少。因此,當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生故障或由于其它原因電壓下降時(shí),電容器無(wú)功輸出的減少將導(dǎo)致電壓繼續(xù)下降,這是并聯(lián)電容器在調(diào)節(jié)性能上的缺點(diǎn)。

      2.2 靜止補(bǔ)償器

      靜止補(bǔ)償器是近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的一種動(dòng)態(tài)無(wú)功功率補(bǔ)償裝置。它是將電力電容器與電抗器并聯(lián)起來(lái)使用,電容器可發(fā)出無(wú)功功率,電抗器可吸收無(wú)功功率,兩者結(jié)合起來(lái),再配以適當(dāng)?shù)恼{(diào)節(jié)裝置,就成為能夠平滑地改變輸出(或吸收)無(wú)功功率的靜止補(bǔ)償器。靜止補(bǔ)償器有四種不同類(lèi)型,即可控飽和電抗器型,自飽和電抗器型,可控硅控制電抗器型,以及可控硅控制電抗器和可控硅投切電容器組合型靜止補(bǔ)償器。電壓變化時(shí),靜止補(bǔ)償器能快速地、平滑地調(diào)節(jié)無(wú)功功率,以滿足動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償?shù)男枰?。同時(shí)運(yùn)行維護(hù)簡(jiǎn)單,功率損耗較小,能作到分相補(bǔ)償以適應(yīng)不平衡的負(fù)荷變化,對(duì)于沖擊負(fù)荷也有較強(qiáng)的適應(yīng)性,在我國(guó)電力系統(tǒng)中它將得到日益廣泛的應(yīng)用。

      2.3 靜止無(wú)功發(fā)生器

      靜止無(wú)功發(fā)生器的主體是一個(gè)電壓源型逆變器,由可關(guān)斷晶閘管適當(dāng)?shù)耐〝?,將電容上的直流電壓轉(zhuǎn)換成為與電力系統(tǒng)電壓同步的三相交流電壓,再通過(guò)電抗器和變壓器并聯(lián)接入電網(wǎng)。適當(dāng)控制逆變器的輸出電壓,就可以靈活地改變其運(yùn)行工況,使其處于容性、感性或零負(fù)荷狀態(tài)。

      與靜止無(wú)功補(bǔ)償器相比,靜止無(wú)功發(fā)生器響應(yīng)速度更快,諧波電流更少,而且在系統(tǒng)電壓較低時(shí)仍能向系統(tǒng)注入較大的無(wú)功。煤礦供電系統(tǒng)屬于配電系統(tǒng),不存在同步發(fā)電機(jī),一般使用電力電容器和靜止無(wú)功補(bǔ)償器進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償。

      3 無(wú)功功率平衡和電壓水平的關(guān)系

      煤礦供電系統(tǒng)中無(wú)功功率的平衡關(guān)系與有功功率相似,做煤礦供電系統(tǒng)無(wú)功功率的平衡計(jì)算,是使煤礦供電系統(tǒng)中所有的無(wú)功電源所發(fā)出的無(wú)功功率與系統(tǒng)總的無(wú)功負(fù)荷平衡。其目的在于維持各種運(yùn)行方式下電力網(wǎng)各點(diǎn)的電壓水平,確定無(wú)功補(bǔ)償裝置的配置及形式。無(wú)功功率的平衡關(guān)系式為:

      式中:電源供應(yīng)的無(wú)功功率QGC由兩部分組成,即發(fā)電機(jī)供應(yīng)的無(wú)功功率QG和系統(tǒng)中無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備供應(yīng)的無(wú)功功率QC,在煤礦供電系統(tǒng)中無(wú)功功率主要由并聯(lián)電容器供應(yīng)。無(wú)功功率損耗主要包括兩個(gè)部分:變壓器中的無(wú)功功率損耗和線路電抗中的無(wú)功功率損耗。

      負(fù)荷消耗的無(wú)功功率QL可按負(fù)荷的功率因數(shù)計(jì)算:

      式中:PL為負(fù)荷消耗的有功功率;φ為負(fù)荷的功率因數(shù)角。

      維持電網(wǎng)正常電壓水平下的無(wú)功功率平衡是保證電網(wǎng)電壓質(zhì)量的基本條件。如果不能在正常電壓水平下保證無(wú)功功率的平衡,電網(wǎng)的電壓質(zhì)量將得不到保證。設(shè)配電網(wǎng)運(yùn)行于額定電壓UN時(shí),系統(tǒng)電源所能提供的無(wú)功功率為QGN。當(dāng)系統(tǒng)電源提供的無(wú)功功率不足,所供給的無(wú)功功率僅為QG時(shí),雖然無(wú)功功率也能平衡,但電網(wǎng)的運(yùn)行電壓被迫下降至U。這種情況下,雖可采取某些措施,如改變某臺(tái)變壓器的變比以提高局部的電壓水平,但如果不能增加電網(wǎng)無(wú)功功率電源所能供應(yīng)的無(wú)功功率,則配電網(wǎng)的電壓質(zhì)量總不能獲得全面改善。事實(shí)上,電網(wǎng)中無(wú)功功率電源不足時(shí)的無(wú)功功率平衡是由于電網(wǎng)電壓水平的下降、無(wú)功功率負(fù)荷(包括損耗)本身的具有正值的電壓調(diào)節(jié)效應(yīng)使電網(wǎng)的無(wú)功功率需求有所下降而達(dá)到的。為了適應(yīng)負(fù)荷的增長(zhǎng),電網(wǎng)中應(yīng)該有足夠的無(wú)功功率備用容量。否則,當(dāng)負(fù)荷增大時(shí),電網(wǎng)的電壓質(zhì)量就得不到保證。

      4 結(jié)束語(yǔ)

      無(wú)功優(yōu)化是煤礦用電安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行研究的一個(gè)重要組成部分,通過(guò)對(duì)煤礦無(wú)功電源的合理配置和對(duì)無(wú)功負(fù)荷的最佳補(bǔ)償,不僅可以維持電壓水平和提高系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性,而且可以降低有功網(wǎng)絡(luò)損耗和無(wú)功網(wǎng)絡(luò)損耗,使系統(tǒng)能夠安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。

      [1]宋明曙.電力系統(tǒng)無(wú)功優(yōu)化分析[D].濟(jì)南:山東大學(xué),2008.

      [2]朱福橋,王崇林.煤礦電網(wǎng)的無(wú)功補(bǔ)償裝置配置方案[J].礦山機(jī)械,2007,7(2):38-42.

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