王程 周艷紅

摘要：對(duì)于有自備電廠的煤炭生產(chǎn)礦井，由于煤礦安全生產(chǎn)供電的重要性，自備電廠有在保證供電安全的條件下，為長(zhǎng)時(shí)間中斷供電的礦井進(jìn)行應(yīng)急供電的可能性，從而對(duì)減小事故的范圍，降低煤礦井下安全事故嚴(yán)重性均具有重要意義。

關(guān)鍵詞：自備小電廠煤礦應(yīng)急電源小系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定分析

力源（臨渙）電廠用于給所在礦區(qū)——臨渙礦供電，屬于自備電廠。上網(wǎng)方式是通過(guò)兩條800米線路與臨渙礦變電所35KV兩段母線連接，并同大電力系統(tǒng)并網(wǎng)，這種上網(wǎng)方式的主要優(yōu)點(diǎn)是：直接供給礦負(fù)荷，減少線損和線路投資，主要缺點(diǎn)是降低了區(qū)域系統(tǒng)的用電安全，即礦用電的安全，同時(shí)對(duì)小電廠安全運(yùn)行也帶來(lái)較大危害。其中當(dāng)區(qū)域變電所因故失電時(shí)，會(huì)造成小電廠機(jī)組獨(dú)自帶整個(gè)礦供電系統(tǒng)負(fù)荷，沖擊或拖垮電廠機(jī)組，甚至造成機(jī)組設(shè)備損壞；當(dāng)區(qū)域變電所再恢復(fù)供電時(shí)，在電廠未解列的情況下，由于礦變側(cè)沒(méi)有同期裝置，會(huì)造成非同期合閘，造成機(jī)組和開(kāi)關(guān)損毀。因此，在供電公司統(tǒng)一計(jì)算、安排下，電廠在其線路并入點(diǎn)，加裝了失步解列裝置，當(dāng)出現(xiàn)系統(tǒng)失電時(shí)，立即切除電廠線路，避免產(chǎn)生小系統(tǒng)運(yùn)行現(xiàn)象。

但是有時(shí)系統(tǒng)故障會(huì)造成區(qū)域變電所或線路長(zhǎng)時(shí)間停電，這將引起煤礦井下安全生產(chǎn)重大隱患，如工作面瓦斯嚴(yán)重超限、涌水無(wú)法排出、人員滯留井下等。為此，在保證電廠廠用電不中斷情況下，向所在礦區(qū)緊急提供應(yīng)急電源，對(duì)于煤礦井下安全起到很大作用，能有效降低事故的影響范圍、程度。

本文從電廠與礦基本負(fù)荷組成的小電網(wǎng)運(yùn)行模式，分析了電廠一次性最大接帶負(fù)荷的極限值和連續(xù)穩(wěn)定接帶負(fù)荷的情況：

1 獨(dú)立小電網(wǎng)運(yùn)行時(shí)的穩(wěn)定性分析

火電廠機(jī)組一般運(yùn)行條件是并入主電網(wǎng)共同運(yùn)行，因?yàn)橹麟娋W(wǎng)容量夠大，整個(gè)系統(tǒng)自平衡能力很強(qiáng)，功率、負(fù)荷擾動(dòng)量的相對(duì)值一般情況下很小，所以電網(wǎng)頻率可以保持相對(duì)穩(wěn)定，負(fù)載的功率變化或者單臺(tái)發(fā)電機(jī)組對(duì)電網(wǎng)供電頻率的影響較小，發(fā)電機(jī)組的轉(zhuǎn)速一般來(lái)說(shuō)可以穩(wěn)定在3000r/min，發(fā)電機(jī)組的功率與負(fù)載無(wú)關(guān)是由本機(jī)組蒸汽參數(shù)、閥門(mén)開(kāi)度決定的。在發(fā)電機(jī)組獨(dú)立運(yùn)行的相對(duì)較小的系統(tǒng)中，由于獨(dú)立電網(wǎng)系統(tǒng)本身的自平衡能力差，因此 發(fā)電機(jī)的出力只有隨時(shí)跟隨負(fù)載功率的變化而變化，才可以使供電頻率保持穩(wěn)定。當(dāng)功率和負(fù)荷擾動(dòng)時(shí)，也會(huì)引起獨(dú)立電網(wǎng)頻率變化。

電網(wǎng)有功功率供求關(guān)系是否平衡通過(guò)電網(wǎng)的頻率能夠直接反映出來(lái)，當(dāng)供小于求時(shí)，電網(wǎng)的頻率會(huì)降低，反之則會(huì)升高。一次調(diào)頻回路可以使獨(dú)立電網(wǎng)運(yùn)行的發(fā)電機(jī)組進(jìn)行獨(dú)立電網(wǎng)系統(tǒng)有功負(fù)荷的平衡，保持頻率的穩(wěn)定性。可是畢竟一次調(diào)頻是純比例的調(diào)節(jié)，一旦電網(wǎng)的頻率偏離了額定頻率，發(fā)電機(jī)組就會(huì)通過(guò)頻差調(diào)節(jié)其有功負(fù)荷，頻差越小，調(diào)頻量的幅度也越小，頻差越大，調(diào)頻量的幅度也就越大，一旦電網(wǎng)的頻率達(dá)到額定頻率使頻差消失后，一次調(diào)頻量也會(huì)消失。因此，機(jī)組一次調(diào)頻事實(shí)上是一種有差調(diào)節(jié)，它并不能直接的將電網(wǎng)的頻率調(diào)整到額定頻率，但它會(huì)對(duì)電網(wǎng)負(fù)荷的變化做出快速的反應(yīng)。因此運(yùn)行人員要留心觀察汽機(jī)轉(zhuǎn)速的變差變化保持在相對(duì)穩(wěn)定點(diǎn)上，一旦偏差太大，要對(duì)汽輪機(jī)氣門(mén)進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整，對(duì)相對(duì)穩(wěn)定點(diǎn)的偏差要減小，使電網(wǎng)頻率保持在穩(wěn)定的范圍內(nèi)。

獨(dú)立電網(wǎng)在運(yùn)行時(shí)，一定要保證鍋爐燃燒時(shí)的穩(wěn)定性，發(fā)現(xiàn)鍋爐的負(fù)荷有變化時(shí)，對(duì)鍋爐燃燒也要進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整，鍋爐燃燒的控制與制粉系統(tǒng)、燃燒設(shè)備以及鍋爐的運(yùn)行方式等因素悉悉相關(guān)，對(duì)主要參數(shù)要加強(qiáng)如汽包水位，主蒸汽壓力，主汽溫度的調(diào)節(jié)與控制等，要避免汽包水位和鍋爐汽壓變化太大而導(dǎo)致機(jī)組停機(jī)，同時(shí)也要注意發(fā)電機(jī)，發(fā)電機(jī)等設(shè)備的安全。汽輪機(jī)組如要安全穩(wěn)定地運(yùn)行，頻率變化范圍不可太大，頻率太低、太高都不行，機(jī)組都會(huì)有所傷害，因此機(jī)組的轉(zhuǎn)速需要進(jìn)行及時(shí)的調(diào)節(jié)，如果在獨(dú)立電網(wǎng)運(yùn)行的情況下高或者太低，都對(duì)機(jī)組有損傷，因此，在獨(dú)立電網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，需要對(duì)機(jī)組的轉(zhuǎn)速進(jìn)行及時(shí)的控制。

獨(dú)立電網(wǎng)有以下幾種情況：

網(wǎng)內(nèi)有好幾臺(tái)機(jī)組同時(shí)運(yùn)行，單機(jī)與電網(wǎng)容量之比超過(guò)8%的情況下，可稱為小網(wǎng)；

網(wǎng)內(nèi)只有一臺(tái)機(jī)組供電的情況下，成為單機(jī)帶負(fù)荷；

甩負(fù)荷帶廠用電，稱為孤島運(yùn)行工況，是關(guān)于單機(jī)帶負(fù)荷的一種特例。

從負(fù)荷控制轉(zhuǎn)變?yōu)轭l率控制，要求調(diào)速系統(tǒng)的靜態(tài)特性、良好的穩(wěn)定性和動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性等，都要符合要求，這樣可以保證在用戶負(fù)荷變化時(shí)自動(dòng)保持電網(wǎng)頻率的穩(wěn)定性，這是獨(dú)立電網(wǎng)運(yùn)行最突出的特點(diǎn)，也是我們經(jīng)常談到的一次調(diào)頻功能。運(yùn)行人員關(guān)注的問(wèn)題是調(diào)整獨(dú)立電網(wǎng)頻率，而不是負(fù)荷調(diào)整，這樣使之維持在額定頻率的左右，出入不大。這種調(diào)整成為二次調(diào)頻，是通過(guò)操作調(diào)速系統(tǒng)的給定機(jī)構(gòu)來(lái)完成的。因?yàn)楠?dú)立電網(wǎng)容量相對(duì)較小，其中旋轉(zhuǎn)慣量?jī)?chǔ)存的動(dòng)能和鍋爐群所具備的熱力勢(shì)能均較小，所以對(duì)機(jī)組的調(diào)速系統(tǒng)要求有很高靈敏度，很小遲緩率和很快的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。

獨(dú)立電網(wǎng)運(yùn)行可以分為兩個(gè)階段：第一個(gè)階段是獨(dú)立電網(wǎng)運(yùn)行初期，獨(dú)立電網(wǎng)內(nèi)功率通常很難平衡，而且發(fā)電廠側(cè)并不清楚機(jī)組所處的獨(dú)立電網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)和獨(dú)立電網(wǎng)運(yùn)行的區(qū)域，此時(shí)只能通過(guò)頻率或者機(jī)組轉(zhuǎn)速等參數(shù)的變化獲知，因此要求在獨(dú)立電網(wǎng)內(nèi)每一臺(tái)機(jī)組同時(shí)都有調(diào)節(jié)功能，可以依據(jù)機(jī)組轉(zhuǎn)速或者頻率等參數(shù)變化進(jìn)行及時(shí)的調(diào)整。第二個(gè)階段是，獨(dú)立電網(wǎng)運(yùn)行平穩(wěn)的情況下，通過(guò)調(diào)度手段獨(dú)立電網(wǎng)運(yùn)行的規(guī)?？梢垣@得，這時(shí)候可以依據(jù)獨(dú)立電網(wǎng)內(nèi)機(jī)組的特性，和調(diào)度措施對(duì)相應(yīng)的自動(dòng)裝置進(jìn)行合理的設(shè)置，保證獨(dú)立電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行。為了使發(fā)電機(jī)組在形成任何獨(dú)立電網(wǎng)時(shí)，都能使獨(dú)立電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行，因此需要發(fā)電廠每臺(tái)機(jī)組都能具備相應(yīng)的調(diào)節(jié)特性。

孤網(wǎng)內(nèi)不平衡功率的影響是獨(dú)立網(wǎng)運(yùn)行面臨的主要風(fēng)險(xiǎn)，而不平衡功率的形成，一方面是在形成獨(dú)立電網(wǎng)時(shí)所產(chǎn)生的，另一方面是在獨(dú)立電網(wǎng)運(yùn)行平穩(wěn)后，由于運(yùn)行方式的變化，負(fù)荷的波動(dòng)而引起的，一般情況下是初期形成獨(dú)立電網(wǎng)的負(fù)荷不平衡功率最嚴(yán)重，對(duì)于機(jī)組來(lái)說(shuō)，如果要對(duì)形成的任何一個(gè)獨(dú)立電網(wǎng)都能起到調(diào)節(jié)作用，機(jī)組就需要擁有可以適應(yīng)最壞工況的功能。

2 根據(jù)分析結(jié)果確定一次性接帶負(fù)荷

通過(guò)小電網(wǎng)模式下潮流計(jì)算可知，獨(dú)立小電網(wǎng)中，電廠兩臺(tái)發(fā)電機(jī)組（6MW×2）在額定狀態(tài)運(yùn)行時(shí)（綜合廠用電率13%），輸送的電能到達(dá)礦區(qū)變電所后，經(jīng)降壓變壓器輸出，實(shí)際提供的有功功率為10072KVA。煤礦的生產(chǎn)性設(shè)備多為沖擊性負(fù)荷，大多為異步電動(dòng)機(jī)。在額定電壓下直接起動(dòng)三相異步電動(dòng)機(jī)。功率因數(shù)cosφ很小，造成了起動(dòng)電流I相當(dāng)大而起動(dòng)轉(zhuǎn)矩Ts并不大的結(jié)果。三相異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子電流公式 ：

I=UsqrtR■+R■■s■+X■+X■■■（5.1）

額定運(yùn)行時(shí)，s=sN=0.015～0.06，若取s=0.05，則R2′/s=20R2′；啟動(dòng)時(shí)，s=1，R2′/s=R2′，可見(jiàn)最初啟動(dòng)時(shí)，電動(dòng)機(jī)的阻抗顯著很小，電流當(dāng)然較大。

I■=I=UsqrtR■+R■■s■+X■+X■■■（5.2）

最初啟動(dòng)電流Ist約為額定電流的4～7倍。

一般地，盡管三相異步電動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)存在短時(shí)間較大的電流，由于三相異步電動(dòng)機(jī)不存在換向問(wèn)題，而對(duì)于不頻繁起動(dòng)的異步電動(dòng)機(jī)是可以承受的；對(duì)于頻繁起動(dòng)的異步電動(dòng)機(jī)，只要限制每小時(shí)最高起動(dòng)次數(shù)，也是可以承受的。但是，起動(dòng)電流過(guò)大，對(duì)電網(wǎng)沖擊大。使電網(wǎng)電壓降低，對(duì)于異步電動(dòng)機(jī)的前端供電變壓器造成很大影響。使得變壓器輸入電壓下降幅度很大，超過(guò)了額定值的允許偏差 ΔU=±10%或更嚴(yán)重。這樣，一方面反過(guò)來(lái)影響了異步電動(dòng)機(jī)本身，由于起動(dòng)轉(zhuǎn)矩Ts與電壓U1的平方成正比，導(dǎo)致Ts下降更多，當(dāng)負(fù)載較重時(shí)，異步電動(dòng)機(jī)將不能起動(dòng)；另一方面，影響由同一臺(tái)供電變壓器供電的其它負(fù)載，如電燈會(huì)變暗，用電設(shè)備失常，重載的異步電動(dòng)機(jī)可能停轉(zhuǎn)等。

因此考慮到異步電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)對(duì)電網(wǎng)的沖擊和電源應(yīng)有一定的過(guò)載倍數(shù)。則力源電廠兩臺(tái)發(fā)電機(jī)組可一次性啟動(dòng)的設(shè)備功率為：

P=■=1678KW

3 根據(jù)靜態(tài)儲(chǔ)備系數(shù)確定連續(xù)接帶負(fù)荷

實(shí)際運(yùn)行中，電力系統(tǒng)不僅不應(yīng)在接近穩(wěn)定極限的情況下運(yùn)行，而且為了整個(gè)系統(tǒng)的安全運(yùn)行，還應(yīng)保持一定的穩(wěn)定儲(chǔ)備，以便使系統(tǒng)有能力應(yīng)付經(jīng)常出現(xiàn)的一些干擾而不致喪失靜態(tài)穩(wěn)定。靜態(tài)穩(wěn)定儲(chǔ)備的大小用靜態(tài)穩(wěn)定儲(chǔ)備系數(shù)Kp來(lái)表示，即

Kp=■×100% （5.3）

式中P■——靜態(tài)穩(wěn)定極限

P■——正常運(yùn)行時(shí)送端發(fā)電機(jī)輸送的功率

對(duì)于Kp值，《導(dǎo)則》要求：在正常運(yùn)行時(shí)不應(yīng)低于15%-20%，事故后運(yùn)行和特殊運(yùn)行方式時(shí)不應(yīng)低于10%。在滿足上述要求的前提下，可盡量多地提高輸送功率。

電力系統(tǒng)中發(fā)電機(jī)之間靜態(tài)穩(wěn)定性的基本性質(zhì)說(shuō)明，發(fā)電機(jī)可能輸送的功率極限愈高則靜態(tài)穩(wěn)定儲(chǔ)備系數(shù)Kp愈大，靜態(tài)穩(wěn)定性愈好。以單機(jī)對(duì)無(wú)限大系統(tǒng)為例，減少發(fā)電機(jī)與系統(tǒng)之間的聯(lián)系電抗，就可以增加發(fā)電機(jī)的功率極限。從物理意義上講，這就是加強(qiáng)了發(fā)電機(jī)與系統(tǒng)之間的電氣聯(lián)系，相當(dāng)于縮短了“電氣距離”。聯(lián)系緊密的系統(tǒng)，顯然是不容易失去靜態(tài)穩(wěn)定的。以下介紹的幾種提高靜態(tài)穩(wěn)定性的措施，都是直接或間接地減小電抗的措施。

根據(jù)式（5.3），Kp取為20%，則力源電廠兩臺(tái)發(fā)電機(jī)組輸出的有功功率為：

P=■=8393KW

即：實(shí)際獨(dú)立小系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，電廠只能輸出8393KW的有功功率，其余的作為備用功率，若按照10072KW輸出，則系統(tǒng)出現(xiàn)大負(fù)荷啟動(dòng)或切負(fù)荷時(shí)就會(huì)出現(xiàn)不穩(wěn)定的狀況，導(dǎo)致電廠解列，停止運(yùn)行。

按照輸出的8393KW的有功功率，獨(dú)立小系統(tǒng)一次性可啟動(dòng)的最大負(fù)荷不能超過(guò)1400KW，否則會(huì)出現(xiàn)不穩(wěn)定現(xiàn)象。

4 結(jié)論

目前礦區(qū)變電所的供電模式在改變，由于礦井的生產(chǎn)用電通常為一類(lèi)負(fù)荷，要求為獨(dú)立的雙電源供電，以前對(duì)礦區(qū)的工廠變電所供電時(shí)，雖然要求為獨(dú)立的雙電源供電，但是兩路電源是取自同一變電所的兩個(gè)不同母線段上，這種模式的情況下，當(dāng)母線分段運(yùn)行時(shí)，可以保證一路供電，一路備用，但是當(dāng)供電的變電所出現(xiàn)供電故障時(shí)，則下一級(jí)的礦區(qū)工廠變電所的供電可靠性就無(wú)法保證了。

通過(guò)對(duì)礦區(qū)自備電廠的運(yùn)行狀況進(jìn)行考察和分析、對(duì)電廠和解列后接入點(diǎn)變電所的潮流計(jì)算以及網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的分析，確定當(dāng)自備電廠轉(zhuǎn)為獨(dú)立系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)可接帶的最大負(fù)荷以及單機(jī)可以啟動(dòng)的最大負(fù)荷。當(dāng)?shù)V區(qū)電網(wǎng)出現(xiàn)故障，生產(chǎn)用電停止時(shí)，可用礦區(qū)的自備電廠給主要的生產(chǎn)負(fù)荷供電，避免因停電而引發(fā)礦井人員事故的發(fā)生，不僅浪費(fèi)人力，還會(huì)浪費(fèi)資源。

通過(guò)小系統(tǒng)運(yùn)行方式的可行性研究，能夠減少礦井長(zhǎng)時(shí)間失電概率，提高礦井下生產(chǎn)的安全系數(shù)，有效地提高礦井抗災(zāi)能力。

增強(qiáng)小系統(tǒng)穩(wěn)定性的方法：

①改善電力系統(tǒng)中基本元件的參數(shù)和特性。從靜態(tài)穩(wěn)定性分析中可以得出，擴(kuò)大穩(wěn)定運(yùn)行范圍和提高電力系統(tǒng)功率極限可以使用自動(dòng)勵(lì)磁調(diào)節(jié)器，實(shí)踐證明它有著很好的功效，而且它對(duì)暫態(tài)穩(wěn)定也有很好的功效。因此，發(fā)電機(jī)都可以裝上具有完善的高靈敏度的自動(dòng)勵(lì)磁調(diào)節(jié)器，特別是要裝上可以有效地控制自發(fā)震蕩、維持電壓的新型調(diào)節(jié)器。

②減小變壓器的電抗。變壓器的電抗在系統(tǒng)中占得比例相當(dāng)大。尤其是發(fā)電機(jī)的電抗相對(duì)較小、對(duì)于減小其電抗后的輸電系統(tǒng)，輸電線路已經(jīng)采取相應(yīng)地措施，使變壓器的電抗減小，可以相應(yīng)地提高其穩(wěn)定性。在并網(wǎng)輸電的情況下，可以使用自耦變壓器。因?yàn)樗粌H價(jià)格便宜與材料節(jié)省外，而且相對(duì)來(lái)說(shuō)它的電抗也較小，對(duì)于提高穩(wěn)定性有著良好的作用。如果使用自耦變壓器可能會(huì)導(dǎo)致短路電流的增加和繼電保護(hù)和調(diào)壓困難的增加等等問(wèn)題。

③加強(qiáng)受端系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，合理選擇送端系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。一方面要減小受端系統(tǒng)等值電源的阻抗，縮小受端電網(wǎng)的電氣距離，擁有充足的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；另一方面，要改善受端系統(tǒng)內(nèi)部的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，提高受端系統(tǒng)運(yùn)行的靈活性，提高可靠性及其抗事故的能力。這樣，受端系統(tǒng)在其他外部發(fā)生問(wèn)題或振蕩的情況下才可以保持足夠高的電壓，送端系統(tǒng)的所有同步電機(jī)在任何時(shí)候也可以成為一個(gè)同步運(yùn)行的整體，來(lái)保證送端系統(tǒng)供電安全。

④動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償技術(shù)。目前，動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償技術(shù)得到了廣泛的應(yīng)用。主要有：靜止無(wú)功補(bǔ)償器、可控硅控制串聯(lián)補(bǔ)償器、統(tǒng)一潮流控制器、靜止同步補(bǔ)償器等。在電力系統(tǒng)中，無(wú)功儲(chǔ)備不足的時(shí)候可能會(huì)使電網(wǎng)電壓水平降低，沖擊性的無(wú)功功率負(fù)載也會(huì)使電壓產(chǎn)生劇烈的波動(dòng)，惡化電廠的供電質(zhì)量。因此可考慮在電廠設(shè)置動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備，增大可調(diào)節(jié)的無(wú)功容量，提高無(wú)功調(diào)節(jié)設(shè)備的快速響應(yīng)能力。

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作者簡(jiǎn)介：

王程（1974-），男，安徽界首人，工程師，安徽省淮北礦業(yè)集團(tuán)公司工作，研究方向?yàn)榈V井供電技術(shù)研究。

周艷紅（1977-），女，安徽濉溪人，工程師，運(yùn)行車(chē)間副主任，安徽省淮北礦業(yè)集團(tuán)公司楊莊電廠，研究方向?yàn)殡姀S運(yùn)行管理研究。