矿山供电系统中无功补偿方式的选择与应用.doc

矿山供电系统中无功补偿方式的选择与应用 汪元江（中国铝业贵州分公司第一铝矿）摘要 无功自动补偿是企业挖掘内部潜力、降低产品成本、提高经济效益和增强企业竟争力的有效措施，是提高企业电网功率因数、减少功率损耗的主要手段，如何选择合理、有效的补偿方式直接关系至生产企业的节电效率。本文根据我单位供电现状及负荷情况，介绍了三种常见无功自动补偿方式的特点，并结合生产实际，重点对无功自动补偿的应用情况及取得的效果进行了分析和总结，有一定的参考指导作用。关键字 无功补偿 功率因数 负荷 损耗 容量 节电1、现状情况我单位隶属于中国铝业股份有限公司，是贵州分公司的铝土矿山之一，矿区内建有一座35KV变电所，35KV电源有两个回路，分别是云小线和修小线，其中云小线为主供电源，修小线为备用电源。所内有S9系列主变压器2台，容量分别为2000千伏安。6KV馈线系统共有5个回路，分别为工人村、西露天、九架炉、家属区、银厂坡：工人村6KV回路主要满足一工艺车队、破碎系统、纤维车间、机电车间、运输车间的生产和生活需要，同时也是8#井和龙潭沟矿供水系统的主要电源；西露天6KV回路主要满足一采采场片区、二级泵等的生产用电，同时该回路也是银厂坡井下开采的备用电源；九架炉6KV回路主要满足第二采剥队的供电需要，该回路主要负荷有4M3电铲2台和其它供、采矿设备（移动压风机、潜孔钻等）；家属区6KV回路主要满足家属区、原二工艺和矿办公大楼的生产生活用电；银厂坡6KV回路为银厂坡井下开采的主要电源。其供电网络模拟示意图如图1下所示 图1 供电网络示意图2、用电负荷及生产状况我单位的主要产品为铝土矿，涉及到的生产工艺有剥离、采矿、破碎、检修等工序，配有6KV配电变压器22台，主要用电设备有WK-4型四立方电铲3台，二立方电铲2台，KQ200、150、80等潜孔钻6台，移动式压风机8台，水泵8台，电动葫芦9台，分体空调32台，电焊机15台及其它办公用电设备等，绝大多数用电设备均属于感性负荷，这些用电设备在运行时除了消耗有功功率外，还消耗相当数量的无功功率，无功功率的增大使供电系统的功率因数降低，功率因数越低，线路中功率损耗越大，电压质量越差，用电成本越高。同时，由于我单位为单班制生产，白天工作期间负荷较大，最大可达2800KVA，下班后负荷很小，只有500KVA左右，负荷波动较大，且白天生产作业时负荷波动相当频繁，原变电所设计的静止补偿电容器YY6.3-11.1和BW6.3-12均不能根据负荷的变化进行动态补偿，在轻负荷时经常产生过补偿烧毁电容器，故障频繁，也无法满足补偿要求。3、无功补偿方式的选择无功补偿一般分集中补偿、分组补偿和单机就地补三种，用户只能根据自己的具体情况确定合理的补偿方式。对于集中补偿，通常并联在变电所的母线上，用于补偿主变压器或配电变压器的无功功率损失，补偿变电所以上输电线路的功率损耗，可以利用无功补偿装置进行调压，改善电压质量，能方便地同电容器组的自动投切装置配套，自动追踪无功变化而改变补偿容量，缺点是不能减少用户内部通过配电线路向用电设备输送无功功率所造成的损耗，降损节电效益受到限制。分组补偿通常分散安装在各车间的配电室内，就近补偿主要用电设备所消耗的无功功率，减少厂区内部用电线路的线损，降损节电效果明显，可提高车间的功率因数，降低产品单耗，缺点是分组补偿一次性投资大于集中补偿，如果只进行分组补偿，则用户变压器消耗的无功功率一部分必须由车间电容器组向上倒送，经济效益也受影响。单机就地补偿是将电容直接安装在被补偿设备旁边，当大中型电动机比重较大，利用小时又较高时，单机就地补偿节电效果最好，但缺点是不能补偿变压器的无功损耗，逐台进行补偿时，会使补偿总容量加大，增加补偿装置的总投资费用，增加安装、维护的工作量。从上可知，三种补偿方式各有利弊，给合我单位负荷特点及生产实际情况，确定用集中补偿与分组补偿相结合，单机就地补偿作为辅助补偿的方式进行。4、具体补偿情况4.1 35KV变电所采用集中补偿所内6KV系统母线由图1可知，当用电负荷较小时，只投用一台主变即可满足生产需要；当用电负荷较大时，可投入两台主变同时运行，选用的6KV无功自动补偿装置并联在母线上，实现自动跟踪无功变化而改变补偿容量。要确定无功补偿容量，必须知道补偿前的功率因数，瞬时动态功率因数可以从所接电网的功率因数表中直接读出，但矿山用电功率因数，是随着用电负荷的变化和电压的波动经常变化的，不能以某个时刻的读数作为企业的功率因数，通常采用按月统计考核的加权平均功率因数，即以一个月消耗的有功电量和无功电量来计算。加权平均功率因数计算公式如下 cos=Ap/(Ap2+Aq2) =1/(1+tg2) tg=Aq/AP式中 Ap有功电量（kwh） Aq无功电量（kvarh）因此，从2005年至2010年，通过对每月有功电量和无功电量的记录、收集、整理及年用电量的统计，按最大负荷月算出我单位的功率因数为0.76左右。根据国家功率因数调整电费办法的规定，对于高压供电工业用户，执行以0.9为标准值调整电费，凡用户月平均功率因数超过或低于标准值的，电费按规定的增减百分比值计算收费，参照此规定，需将我单位的功率因数提高到0.9以上，取cos2为0.95，即要将功率因数从原来的0.76提高到0.95，所需补偿容量计算方法如下：根据P=3 UI cos=1.732*6.3*180*0.76=1492.7KWQc=p(1-cos21)/cos1-(1-cos22)/cos2=1492.7 (1-0.762)/0.76-(1-0.952)/0.95=1492.7(0.65/0.76-0.31/0.95)=789.6kvar上式中 Qc补偿容量（kvar）；P用电设备功率（kw）；cos1补偿前的功率因数，采用最大负荷月平均功率因数；cos2补偿后的功率因数，即目标功率因数。 通过在变电所6KV的一、二段母线上分别安装一台400kvar容量的无功功率自动补偿装置，即可满足功率因数的要求。4.2 银厂坡低压配电房采用分散补偿 银厂坡6KV系统带有2台配电变压器，其中井下1台KS9-500型变压器，地面1台S7-630变压器，主要动力设备有2台螺杆式空气压缩机（单台电机功率为160KW）、电焊机、搅拌机、检修及办公用电等，负荷电流达到525A，根据现场负荷情况我们对地面低压供电系统进行了无功补偿，补偿电容器总容量为120kvar，分为6组补偿，每组20kvar，由于采用的是无功自动补偿装置，能根据负荷情况自动调整补偿容量，运行效果较好，补偿电流150A，补偿前功率因数为0.8，补偿后功率因数达到0.95以上，有效地补偿了空气压缩机所消耗的无功功率，减少了线损，节电效果明显。补偿装置如图2所示。图2 银厂坡低压补偿装置4.3 采场WK-4型四立方电铲采用就地补偿WK-4型四立方电铲是我单位采场剥离主要铲装设备，使用的是智能全数字直流调速控制系统，电动机功率较大，利用效率较高，控制原理为：高压电源6KV经真空接触器（KMV）输入到T1整流变压器，副边输出416V电压作为提升、推压、回转/行走系统的工作电源。交直流柜电源、各通风机电源及辅助电源由T2副变压器提供，当交直流柜受电后，合上空压机、机棚通风及直流电动机散热风机电源开关，起动各风机，并将起动信号经现场总线送到PLC，同时提升、推压、回转/行走调速柜受电经内部自检后也将信号传给PLC，PLC将各部分送给的信号进行综合分析，并在操作允许的前提下控制起动各个系统，实现集中管理，分散控制的目的。由于使用了大容量晶闸管整流变换装置，我们在补偿回路中加装了适当的串联电抗器，电容器补偿容为200kvar，有效地补偿了电铲消耗的无功功率。补偿装置如图3所示。图3就地补偿装置5、补偿后取得的作用及效果5.1采取无功补偿措施后，能提高电网及负载的功率因数，提高设备利用率，降低设备所需容量，减少线路及设备的损耗，节约电能；能提高并稳定电网电压，改善供电电能质量，在长距离输电线路中安装合适的无功补偿装置可提高系统的稳定性及输电能力；在三相负荷不平衡的场合，可对三相视在功率起到平衡作用；能增加变压器、供电线路等的备用量，减少用户的契约电力及节约电费。5.2 增加设备容量5.2.1 变电所增加的视在功率为S=P（1/cos1-1/cos2）=1492.7*（1/0.76-1/0.95）=392.6（KVA） 增加的有功功率为P=Se（cos2- cos1）=1492.7/0.76*（0.95-0.76）=373.2（KW）5.2.2银厂坡增加的视在功率S=P（1/cos1-1/cos2）=276.4*（1/0.8-1/0.95）=55.3(KVA)增加的有功功率为P=Se（cos2- cos1）=276.4/0.8*（0.95-0.8）=52.5(KW)5.3降低线路损耗 设功率因数改善前的线路电流为I1，改善后的线路电流为I2，则I1=S1/（3U）103=P/（3U cos1）103（A）I2=S2/（3U）103=P/（3U cos2）103（A）所以线路损耗减少为P=P1-P2=3R（I12-I22）10-3将I1、I2的关系式代入整理得P=3P1（1- cos21/ cos22）（KW）式中 P1、P2功率因数提高前、后的线损（KW） P负荷功率（KW） U电网线电压（V）R每相导线的电阻（欧姆）cos1、cos2补偿前、后的功率因数提高功率因数与降低线损的关系如下表所示表1 提高功率因