煤矿电能质量分析与控-

1、图3协议转换处理功能子程序流程图参考文献:1许苏.基于本安型现场总线的带式输送机集控系统的技术实现J.中国煤炭,2008(7.2陈维兴,费春国.DeviceNet-Modbus协议转换器的设计及实现J.自动化与仪表,2008(9.3张戟,程旻,谢剑英.基于现场总线DeviceNet的智能设备开发指南M.西安:西安电子科技大学出版社,2004.4卢智嘉,王俊社,李玉萍.基于Modbus远程监控系统的通信研究J.微计算机信息,2008(25.5周立功.ARM嵌入式系统基础教程M.北京:北京航空航天大学出版社,2005.6武长坤,戴瑜兴.断路器DeviceNet-Modbus协议转换器的设计及实现J

2、.低压电器,2004(12:35240.第9期2009年9月工矿自动化Industry and Mine AutomationNo.9Sep.2009文章编号:1671-251X(200909-0068-03煤矿电能质量分析与控制张学松(天地科技股份有限公司开采设计分院,北京100013摘要:文章分析了电压偏差、电压波动、谐波这3个影响煤矿电能质量的主要因素,详细描述了它们产生的原因、对煤矿电网的危害及采取的相应控制措施,指出了煤矿在制定电能质量控制的具体措施时应从规划、设计到实施各个环节、从运行、管理到维护各个方面作统一考虑,并合理选择控制技术,才能有效控制电能质量。关键词:煤矿;电能质量;

3、电压偏差;电压波动;谐波;控制中图分类号:T D612文献标识码:B0引言自2002年开始,在煤炭供不应求的市场背景和国家对煤矿安全生产的要求下,煤炭行业开始进行大规模的技术升级改造,大量的新技术、新产品在煤矿的生产、安全、管理等环节广泛应用。煤矿在对电力需求增加的同时对电能质量的要求也越来越高,电能质量的优劣直接影响到煤矿的安全生产。2007年颁布的煤炭工业节能减排意见对电能质量提出了明确要求,要求煤矿“应用电源污染治理技收稿日期:2009-05-26作者简介:张学松(1968-,男,高级工程师,注册电气工程师,现在天地科技股份有限公司开采设计分院从事煤矿供配电及自动化方面的设计工作。E2m

4、ail:zhxsch 术,消除高次谐波,抑制顺流浪涌,调节无功功率,提高功率因数”,因此,保证电能质量符合国家标准和自身用电安全是煤矿的责任和义务。在电能质量所包含的众多指标中,电压偏差、电压波动、谐波是煤矿电能质量控制的重点。本文主要从产生原因、危害及控制措施等方面对煤矿电力系统中的电压偏差、电压波动及谐波问题进行分析。1电压偏差电压偏差反映了传统电能质量的要求,当指标偏离标准后会引起电气设备的运行性能减弱、效率下降,严重时可能使设备无法正常工作,甚至导致设备绝缘损坏、烧毁或爆炸等,从而间接或直接危害设备、人身及系统的安全。 电压偏差是影响煤矿供电质量的主要因素,这是由煤矿开采特点所决定的。

5、煤矿的开采负荷集中在开采工作面上,随着煤矿开拓范围的不断扩大,生产负荷的供电距离也在不断延伸,造成供电电压偏差超过标准,影响煤矿的正常生产。煤矿电压偏差主要产生于供电线路的电压损失。供电线路的电压损失计算公式为U=173×I×L(r co s+x sin/U(1式中:U为线路电压损失,其限值参见电能质量供电电压允许偏差(G B/T123252003;I为线路计算工作电流,A;L为线路长度,km;r为线路单位长度电阻,/km;x为线路单位长度阻抗,/km;co s为功率因数;U为线路电压,V。结合式(1,煤矿主要通过以下3种方式解决电压偏差问题:(1供电系统电网的输送能力与其

6、供电电压的平方成正比,提高供电系统的电压等级可有效降低电压偏差。该方法符合煤矿井下的生产特点,随着技术的升级,目前,煤矿井下供电电压已达到10kV,采煤工作面设备的工作电压达到3.3kV,基本解决了煤矿井下供电问题。(2合理规划煤矿供电系统,根据负荷大小和分布设置变电所位置,使变电所靠近负荷中心,缩短用电负荷的供电距离,以降低电压偏差。(3采用无功补偿技术,提高供电系统的功率因数,降低系统的工作电流,以降低电压偏差。2电压波动大功率冲击性负荷在运行过程中频繁地从供电系统中取用快速变动能源,导致公共连接点电压在短时间里急剧变动,且明显偏离标称电压值,严重时可能使同一电磁环境下的其它电气设备不能正

7、常工作,产生的电压暂降会引起变频调速设备、PL C、各种自动生产线以及计算机系统等敏感性设备误动,造成生产设备失控或信息丢失。由于煤矿井下生产条件具有不确定性,煤矿通常采用大型设备提高生产的适应性和可靠性,这些设备单机功率大、启动频繁,产生的电压波动对煤矿的配电系统或供电末端的电压质量造成的影响不可忽视。供电系统中电压波动计算公式为dS i/S sc×100%(2式中:d为电压波动值,其限值参见电能质量电压波动和闪变(G B123262000;S i为负荷容量的变化量;S sc为接入点短路容量。结合式(2,煤矿主要从以下2个方面采取措施以降低电压波动:(1当电压波动是由供配电系统引起

8、时,通常采取2种方法:一种是选择短路容量大的电源点供电,该方法受外部电源条件的制约,实施较为困难;另一种是采用动态调压技术改变输出端电压,以降低电压波动幅度,一般采用有载调压变压器与无功动态补偿相结合的方式来抑制电压波动。在国家绿色能源政策的倡导下,近些年无功动态补偿技术的发展非常迅速,对于系统中冲击性负荷小、负荷波动不频繁的煤矿可采用技术简单的分组投切电容器组(MSC或调压型无功动态调节装置,分级投切电容器进行补偿;对于系统中冲击性负荷大、负荷波动频繁的煤矿可采用静止补偿器(TCR、MCR或静止无功发生器(SV G,无级调节电容补偿量。(2当电压波动是由用电设备造成时,可通过改善用电设备的特

9、性来减少电压波动,如异步电动机采用Y-启动、自耦变压器启动、软启动等方式以减少对电网的启动冲击。3谐波交流电网中,由于许多非线性电气设备的投入运行,其电压、电流波形实际上不是完整的正弦波形,而是不同程度畸变的非正弦波形。当谐波超过标准要求时将会对电力系统的运行构成威胁,给周围电气环境带来污染。谐波的污染与危害主要可概括为以下几个方面:(1旋转电动机等的附加谐波损耗与发热,会缩短其使用寿命;(2谐波过电压造成电气元件及设备的故障与损坏;(3电力电缆因对地电容激励出较大的谐波谐振和谐波放大,造成电缆绝缘击穿事故;(4对通信系统产生电磁干扰,使电信质量下降;(5导致重要的和敏感的自动控制设备、保护装

10、置不正确动作。由于采用半导体器件作为直流、交流调速的传动装置具有调速范围广、控制简单、节能效果明显、结构简单、维护方便等优势而在煤矿得到广泛应用,并逐步替代其它调速方式,但由此带来的谐波问题在煤矿安全生产中也逐渐显现,谐波已成为影响煤矿电能质量的重要因素之一。电网中允许谐波电流的公式为962009年第9期张学松:煤矿电能质量分析与控制I h=10S k HR U h3U N h(3式中:I h为第h次谐波允许电流,A;S k为公共连接点的三相短路容量,MVA;H R U h为谐波电压含有率,其限值参见电能质量公网电网谐波(G B/T1454993;U N为电网的标称电压,kV。目前,非线性负荷

11、在煤矿生产的各个环节都有应用,结合式(3,可从预防和补偿2个方面入手解决谐波治理问题。(1预防性措施供电设备(如电容器、变压器等在设计、配置等方面采取减少谐波的措施,如连接组别为Dy11的变压器可有效消除3次及其倍数次谐波,电容器组串接5%6%的电抗器可以对5次以上谐波有抑制作用。通过增加整流器的脉动数或采用可控整流限制电力谐波。当整流装置脉动数增加时,整流器产生的谐波次数也增高,而产生的谐波电流近似与谐波次数成反比,选择采用脉冲宽度调制(PWM控制技术的12脉冲、18脉冲或者24脉冲整流的直流开关电源或变频器可有效减少谐波的产生。增加变压器的容量、减少回路的阻抗及切断传输线路。由于非线性负载

12、引起的畸变电流在电缆的阻抗上产生一个畸变电压降,该畸变电压波形会加到与非线性负载同一线路上所接的其它负载,从而引起谐波电流在其它负载上流过,因此,减少谐波危害的措施也可采用加大电缆截面积、减少回路的阻抗等方法实现。国内较多采用的方法是提高变压器容量、增大电缆截面积(特别是加大中性线电缆截面积以及选用整定值较大的断路器、熔断器等保护元件,但这些方法不能从根本上消除谐波,反而降低了保护特性与功能,又加大了投资,增加了供电系统的隐患。(2补偿性措施采用无源滤波器。无源滤波器因其结构简单、投资少、运行可靠性较高以及运行费用较低,至今仍是谐波抑制的主要手段。它由滤波电容器、电抗器和电阻器适当组合而成,与

13、谐波源并联,除具有滤波作用外,还兼有无功补偿的作用。目前,基于晶闸管控制电抗器技术的T-SVC和基于磁控可调电抗器技术的M-SVC的带滤波功能的无功动态补偿装置在煤矿应用较多,但这些技术存在较难克服的缺点:无源滤波器不能受控,对电网的适应性差,当电网参数发生变化时不能对频率和幅值都变化的谐波进行跟踪补偿。采用有源滤波器。近些年,由于大、中功率全控型半导体器件的成熟、PWM控制技术的进步以及基于瞬时无功功率理论的谐波电流瞬时检测方法的提出,有源电力滤波器得以迅速发展。其基本原理是从补偿对象中检测出谐波电流,由补偿装置产生一个与该谐波电流大小相等、极性相反的补偿电流频谱,以抵消原线路谐波源所产生的

14、谐波,从而使电网电流只含有基波分量。低压系统的A PF(有源电力滤波装置和中压系统的SV G+(动态无功补偿与谐波治理装置属于新一代动态无功补偿技术,主要采用基于IG B T电压源逆变器构成的无功补偿装置,不再采用大容量的电容器、电抗器,通过大功率电力电子器件的高频开关实现无功能量的变换。有源滤波器最显著的特点就是其自身不产生谐波,而传统SVC装置自身产生谐波。采用有源滤波器是未来动态滤波技术的发展方向。4结语电能质量控制技术是一项不断发展、不断丰富的技术。能够实现电能质量控制的技术千差万别,因此,煤矿在制定电能质量控制的具体措施时应从规划、设计到实施各个环节、从运行、管理到维护各个方面作统一考虑,并合理选择控制技术,才能有效控制电能质量。参考文献:1肖湘宁.电能质量分析与控制M.北京:中国电力出版社,2004.2张锦荣.变频器的谐波危害及解决措施J.自动化博览,2004(2:52253,56.3张