1 概況
哈爾烏素露天煤礦在2008年8月份購置了2臺1 800 kW/6.3 kV移動發(fā)電車,車上配套使用的發(fā)電機(jī)組為康明斯英國新時(shí)代交流發(fā)電機(jī)公司生產(chǎn)。2臺移動發(fā)電車在露天礦主要擔(dān)負(fù)著為坑下大型用電穿采設(shè)備更換作業(yè)位置時(shí)啟機(jī)、行走提供電源,要求能夠滿足哈爾烏素露天煤礦使用的電鏟和鉆機(jī)等穿采設(shè)備正常啟動行走要求,但是在現(xiàn)場生產(chǎn)實(shí)際使用過程中,無法啟動露天礦使用的1190E鉆機(jī),經(jīng)過礦供電技術(shù)人員結(jié)合1190E鉆機(jī)的技術(shù)參數(shù)對鉆機(jī)進(jìn)行了長期觀察,發(fā)現(xiàn)當(dāng)1 190E鉆機(jī)投入自耦降壓啟動裝置時(shí),啟動電流一般在350 A左右變化。全啟動時(shí)啟動電流相當(dāng)于額定電流的4.4倍左右。但是露天礦1 800 kW移動發(fā)電車發(fā)電機(jī)輸出的最大過載電流為309 A,所以1190E鉆機(jī)即使投入自耦降壓啟動裝置啟動電流大于移動發(fā)電車的最大輸出電流,仍然無法啟動1190E鉆機(jī)。經(jīng)過分析:主要由于移動發(fā)電車的輸出功率較小,而且發(fā)電機(jī)組本身屬于阻感性負(fù)載(電阻性+電感性),功率因數(shù)較低,導(dǎo)致最大輸出電流達(dá)不到1190E鉆機(jī)的啟機(jī)電流。下面是感性負(fù)載、電容、電阻在交流電路中的電流電壓特性:
①純電感電路中,電流電壓相位相差90。,電流滯后電壓;②純電阻電路中,電流電壓相位相同;
③純電容電路中,電流電壓相位相差90。,電壓滯后電流。
由于發(fā)電機(jī)組為阻感性負(fù)載,其等效電路電壓特性如下:①用電負(fù)載,其電流與電壓相位差為函,該角度介于0~90。,電壓超前電流;②其中視在功率S=U/,由于電壓與電流方向不一致,計(jì)算是把電壓分解為2個(gè)分量,與電流方向一致的分量%,與電流方向垂直的分量鞏,功率等于電壓與電流之積,因此功率也可分為2個(gè)分量。
通過以上對感性負(fù)載、電容、電阻在交流電路中的電流電壓特性中的分析發(fā)現(xiàn),要想提高發(fā)電機(jī)組的輸出功率需進(jìn)行無功補(bǔ)償,由于發(fā)電機(jī)組本身屬于阻感性負(fù)載,所以可以通過給發(fā)電機(jī)組加裝電容來提高發(fā)電機(jī)組的功率因數(shù)COS妒,從而提高發(fā)電機(jī)組有功功率P=Scos妒,提高輸出電流來滿足1190E鉆機(jī)的啟動。為此,決定為1 800 kW發(fā)電車增加補(bǔ)償電容來改善功率因數(shù)[1]。并聯(lián)電容器補(bǔ)償是目前電力系統(tǒng)使用最廣泛的一種無功補(bǔ)償。作為無功補(bǔ)償設(shè)備,電容器有以下顯著優(yōu)點(diǎn):不論采用分散還是集中地補(bǔ)償方式,均能較好的滿足就地補(bǔ)償?shù)囊?;電容器的損耗低,效率高?,F(xiàn)代電容器的損耗只有本身容量的0.02%左右。調(diào)相機(jī)除了本身的損耗外,其附屬設(shè)備還需用一定的所用電,損耗2%~30%,大大高于電容器;由于制造技術(shù)的提高,使用了微機(jī)自動控制(VQC)投、切電容器,配合以設(shè)備上變壓器自動調(diào)整運(yùn)行電壓的措施后,不僅使補(bǔ)償容量調(diào)節(jié)靈活,同時(shí)提高了設(shè)備運(yùn)行的安全性,而且產(chǎn)生了很好的經(jīng)濟(jì)效益;自動電容器是靜止設(shè)備,運(yùn)行維護(hù)簡單,沒有噪音。調(diào)相機(jī)為旋轉(zhuǎn)電機(jī),運(yùn)行維護(hù)很復(fù)雜;并聯(lián)電容器是電力中用得最多的一種無功功率補(bǔ)償設(shè)備,目前國內(nèi)外電力系統(tǒng)中90%的無功補(bǔ)償設(shè)備是并聯(lián)電容器。對補(bǔ)償電容的結(jié)構(gòu)元件進(jìn)行選型,對元件和電容柜整體結(jié)構(gòu)安裝進(jìn)行了設(shè)計(jì)。
2、高壓無功就地補(bǔ)償裝置電器元件設(shè)計(jì)選型
2.1 高壓側(cè)電器元件選型
采用深圳市三和電力科技有限公司生產(chǎn)的單相電力電容器,其主要作用為把其與感性負(fù)荷(發(fā)動機(jī)組)并聯(lián)接在同一電路,當(dāng)電容器釋放能量時(shí),感性負(fù)荷吸收能量;而感性負(fù)荷釋放能量時(shí),電容器卻在吸收能量,能量在2種負(fù)荷之問互相交換這樣感性負(fù)荷所吸收的無功功率可由容性負(fù)荷輸出的無功功率中得到補(bǔ)償;該電容器主要特點(diǎn)為:電容選用優(yōu)質(zhì)材料聚丙烯薄膜為介質(zhì),采用全膜結(jié)構(gòu),發(fā)熱少,損耗極?。徊⒉捎铆h(huán)保型的高穩(wěn)定性無毒浸漬劑,密封性能好,電容器內(nèi)自帶放電電阻,電容器從電網(wǎng)脫離,經(jīng)內(nèi)部放電電阻自動放電,在5 rain內(nèi)將殘留電壓降低到50 v以下[2]。通過多次試驗(yàn)計(jì)算測得,啟動時(shí)的功率因數(shù)為0.3,為算出本次電容補(bǔ)償,設(shè)啟動時(shí)的功率因數(shù)為0.3。啟動時(shí)的功率因數(shù):COSp,=0.3補(bǔ)償后啟動時(shí)的功率因數(shù):COS妒。=0.4選擇電容器Q。時(shí)需要考慮的因數(shù)。電容器選擇過大,引起電動機(jī)自勵(lì)磁過電壓。電容器容量Q。選擇值為600 kvar。電容器對電壓十分敏感,因電容器的損耗與電壓平方成正比,過電壓會使電容器發(fā)熱嚴(yán)重,電容器絕緣會加速老化,壽命縮短,甚至電擊穿。因此,電容器裝置應(yīng)在額定電壓下運(yùn)行,一般不宜超過額定電壓的1.05倍,最高運(yùn)行電壓不宜超過額定電壓的1.1倍。選擇高壓無功就地補(bǔ)償裝置(電容器)為深圳市三和電力科技有限公司生產(chǎn)的產(chǎn)品。產(chǎn)品型號:HVCR一6.3—600、額定容量(Q。):600 kvar、額定電壓(砜):6 300 V、額定電流(,N):52.5 A。電容補(bǔ)償柜中的電抗器采用三相干式鐵芯電抗器,磁性鐵心設(shè)備由于其非線性,是諧波的首要產(chǎn)生源。當(dāng)今的電力電子技術(shù)應(yīng)用產(chǎn)生了更加嚴(yán)重的諧波。諧波嚴(yán)重地污染了電網(wǎng),可以說現(xiàn)在電網(wǎng)諧波無處不有處處有。使用電容器時(shí)更把諧波放大甚至發(fā)生某次諧波諧振,危及電網(wǎng)安全。為避免這種事端的發(fā)生,采用電容器回路串電抗器解決。用以抑制諧波電流和限制合閘涌流;與電容器組構(gòu)成全諧振回路,濾除特征次諧波。線圈采用環(huán)氧樹脂澆注,動、熱穩(wěn)定性能好。沒有射頻干擾電磁兼容性好,損耗小等特點(diǎn)[3]。高壓熔斷器選用噴逐式高壓熔斷器作為電容器內(nèi)部故障保護(hù),該熔斷器為開斷容性小電流特性好,因此主要是用于并聯(lián)電容器的單臺過流保護(hù),切斷故障電容器,保證完好電容器的正常運(yùn)行。耐爆能量15 kJ。
電流互感器采用LZZX一10Q 100/5A的互感器,和電流表配套對裝置的電流進(jìn)行檢測與顯示。氧化鋅避雷器選用的為電容器專用氧化鋅避雷器,主要作用是在電容器組的分閘過程中,斷路器有一定的重燃率,一旦發(fā)生重燃就會產(chǎn)生較高的過電壓,危害電容器及其相鄰的電器設(shè)備,為了限制這種過電壓,安裝了江蘇省溧陽市目湖避雷器廠生產(chǎn)的電容器專用型號為YH5WR一10/27的氧化鋅避雷器用以限制投切電容器組引起的操作過電壓。高壓帶電顯示器與電磁鎖、電壓傳感器配合使用,具有強(qiáng)制閉鎖功能,確保操作人員的安全。并有高壓已帶電的警示作用,防止人員誤操作。在高壓無功就地補(bǔ)償裝置上一級安裝了斷路器QF,斷開此級斷路器時(shí),可以斷開高壓無功就地補(bǔ)償裝置的電源,高壓無功就地補(bǔ)償裝置帶電顯示器無來電顯示,柜門電磁鎖釋放,柜門可以開啟,按照檢修步驟對高壓無功就地補(bǔ)償裝置可以安全的進(jìn)行檢修工作。高壓無功就地補(bǔ)償裝置一次電氣原理圖如圖1。圖1中:①0F:上一級斷路器;②TA:電流互感器,LZZX—lOQ 100/5A,準(zhǔn)確級0.5;③CT:電流互感.,F(xiàn)器,變比:X/5;④C:并聯(lián)電容器,BAM6.6/~一200—1;⑤FU:高壓限流式容斷器,F(xiàn)FLDJ一12/100—50,額定電流100A;⑥L:干式鐵心串聯(lián)電抗器,CKSC一6/6.6—1;⑦Fv:氧化鋅避雷器,YH5WR一10/27;⑧H:高壓帶電顯示器,DXN一7Q AC220V,含絕緣子傳感器CG。
2.2控制回路電氣元件選型
為了讓高壓無功就地補(bǔ)償裝置在日常作業(yè)過程中可以根據(jù)鉆機(jī)的啟動電流實(shí)現(xiàn)自動控制,在高壓無功就地補(bǔ)償裝置的控制回路加裝了“自動/手動”鑰匙轉(zhuǎn)換開關(guān)SW、電流繼電器、中問繼電器、真空接觸器、指示燈、急停按鈕、低壓熔斷器等,當(dāng)高壓無功就地補(bǔ)償裝置在檢修之后或試運(yùn)行時(shí)需要將鑰匙轉(zhuǎn)換開關(guān)SW旋轉(zhuǎn)到“手動”,然后按下與其配套的真空接觸器KM合閘按鈕HB來檢查高壓帶電顯示器上的儀表、指示燈是否正常,觀察各高壓元件是否出現(xiàn)異常情況,其中在分合閘按鈕上對應(yīng)的有紅綠指示燈,確保各元器件處于正常狀態(tài)。在日常使用過程中主要采用自動運(yùn)行,將進(jìn)線柜“自動,手動”鑰匙轉(zhuǎn)換開關(guān)SW旋轉(zhuǎn)到“自動”位置,通過電流繼電器方可實(shí)現(xiàn)根據(jù)設(shè)備的啟動電流大小實(shí)現(xiàn)自動控制。電流繼電器是在電動機(jī)啟動期問根據(jù)啟動電流來實(shí)現(xiàn)自動控制真空接觸器的合閘及分閘。在電流繼電器上可以設(shè)置過電流參數(shù)、復(fù)位參數(shù)、動作延時(shí)時(shí)問、啟動鎖定時(shí)問設(shè)置,在發(fā)電機(jī)組啟動大型用電設(shè)備過程中,當(dāng)檢測到用電設(shè)備的啟動電流大于該設(shè)置值時(shí),并且達(dá)到了動作延時(shí)時(shí)問所設(shè)置的時(shí)問,繼電器動作,真空接觸器合閘,電容器投入運(yùn)行。當(dāng)檢測到電動機(jī)的電流小于復(fù)位值時(shí),電流繼電器復(fù)位,真空接觸器分閘,電容器退出運(yùn)行。電流繼電器上有3個(gè)指示燈,電源指示燈(綠色:PWR)指示燈在電源接通時(shí)亮,繼電器動作狀態(tài)指示器(黃色:RY)繼電器動作時(shí)亮燈,警報(bào)指示器(紅色:ALM)有過電流或欠電流時(shí)亮燈,指示器閃爍表示動作時(shí)問正在計(jì)時(shí),輸入已經(jīng)超過了極限的錯(cuò)誤狀態(tài)。電流繼電器動作圖如圖2、圖3。
在高壓無功就地補(bǔ)償裝置的正面配有急停按鈕,運(yùn)行過程中發(fā)生故障或緊急狀態(tài)時(shí),無論裝置處于自動還是手動運(yùn)行狀態(tài),都必須立刻按下“急停按鈕”,可以立即停止高壓無功就地補(bǔ)償裝置工作,阻止故障或緊急情況的進(jìn)一步發(fā)生??刂苹芈分饕娖髟x型如圖4。圖4中:①KM:真空接觸器,JCZ5—7.2D/D400AC220V;②DL:電流繼電器,K8AB—AS2 AC220V,整定范圍0.8—8A;③KA:中問繼電器,B12—30—01AC220V;④SW:鑰匙轉(zhuǎn)換開關(guān),LW39—16CYS一60B;⑤HB:合閘按鈕,LAY50—22D一20/R 2開;@TB:分閘按鈕,LAY50—22D一02/G 2閉;⑦SB:急停按鈕,LAY50—22B一02Z/R 2閉;⑧HR:合閘指示燈,AD56—22DS/R31 AC220V,紅色;⑨HG:分閘指示燈,AD56—22DS/G31 AC220V,綠色;⑩FU01、FU02:低壓熔斷器RTl4—20 4 A熔心電流4 A。
3、改造后的使用效果
發(fā)電機(jī)組加裝電容補(bǔ)償裝置后,在補(bǔ)償裝置設(shè)置為自動投入時(shí),需根通過單相電流繼電器K8AB—AS2和1190E鉆機(jī)的自耦降壓啟動裝置上的時(shí)問繼電器來實(shí)現(xiàn)的。在生產(chǎn)現(xiàn)場啟動1190E鉆機(jī)的試驗(yàn)中,調(diào)節(jié)好電流繼電器和時(shí)問繼電器的匹配是關(guān)鍵,當(dāng)啟動電流達(dá)到150 A時(shí),投入電容補(bǔ)償。由于1190E鉆機(jī)采用自耦降壓啟動裝置,由降壓啟動切換到全啟動過程中將產(chǎn)生反沖過高的電壓,所以決定在1190E鉆機(jī)投入全啟動之前,先甩掉電容補(bǔ)償裝置,然后投入全啟動。最終將調(diào)整電流繼電器過電流參數(shù)(SV)60%,復(fù)位值(HYS)7%,動作延時(shí)時(shí)問值(T)0.1 S,啟動鎖定時(shí)問值(LOCK)O S。時(shí)問繼電器調(diào)整到10 S。當(dāng)啟動電流達(dá)到288 A時(shí),電容補(bǔ)償投入。流達(dá)到267 A時(shí)甩掉電容補(bǔ)償。1 190E鉆機(jī)的時(shí)問繼電器參數(shù)調(diào)整到10 s后投入全啟動。此時(shí)發(fā)電機(jī)組的電壓為6.4 kV,頻率50 Hz,可以啟動1190E鉆機(jī)??紤]到電容器合閘時(shí)由于電容器兩端的電壓不能突變,所以電容器將受到很大的涌人電流:一種是來自電發(fā)電機(jī)組的涌人電流,由于受到回路阻抗的影響,涌人電流在十幾倍左右不算很大;另一種是已經(jīng)投入運(yùn)行的電容器對剛投入運(yùn)行的電容器放電,此涌流由于回路阻抗較小將達(dá)到幾百倍,這對電容器壽命構(gòu)成威脅。尤其對金屬化電容器而言,由于其結(jié)構(gòu)特點(diǎn),無感繞法涌流更大、元件端部導(dǎo)電部位(端頭噴金)導(dǎo)電接觸比較薄弱,更怕涌流。涌流對金屬化電容器雙重致害[4_印。解決減小涌流的辦法,現(xiàn)在大部分補(bǔ)償裝置使用電容器投切專用交流接觸器控制投入型補(bǔ)償裝置接觸器,這種接觸器有1組串聯(lián)限流電阻與主觸頭并聯(lián)的輔助觸頭,在接觸器吸合的過程中,輔助觸頭首先接通,使電容器通過限流電阻接人電路進(jìn)行預(yù)充電,然后主觸頭接通將電容器正常接人電路,通過這種方式可以將涌流限制在電容器額定電流的20倍以下。
4、結(jié) 語
通過為康明斯發(fā)電機(jī)出租加裝正確合理的電容器以及對高壓無功就地補(bǔ)償裝置中各電器元件的參數(shù)進(jìn)行精密的計(jì)算、設(shè)計(jì)到最后的安裝,通過補(bǔ)償無功功率,提高功率因數(shù),加上合理設(shè)計(jì)控制回路,選擇合理的電器元件,實(shí)現(xiàn)電容器正常的自動投入、退出,最終實(shí)現(xiàn)了1 800 kW發(fā)電車順利啟動1190E鉆機(jī)。