煤礦電能質(zhì)量分析與控-

1、圖3協(xié)議轉(zhuǎn)換處理功能子程序流程圖參考文獻(xiàn):1許蘇.基于本安型現(xiàn)場(chǎng)總線的帶式輸送機(jī)集控系統(tǒng)的技術(shù)實(shí)現(xiàn)J.中國煤炭,2008(7.2陳維興,費(fèi)春國.DeviceNet-Modbus協(xié)議轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)J.自動(dòng)化與儀表,2008(9.3張戟,程旻,謝劍英.基于現(xiàn)場(chǎng)總線DeviceNet的智能設(shè)備開發(fā)指南M.西安:西安電子科技大學(xué)出版社,2004.4盧智嘉,王俊社,李玉萍.基于Modbus遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的通信研究J.微計(jì)算機(jī)信息,2008(25.5周立功.ARM嵌入式系統(tǒng)基礎(chǔ)教程M.北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2005.6武長(zhǎng)坤,戴瑜興.斷路器DeviceNet-Modbus協(xié)議轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)J

2、.低壓電器,2004(12:35240.第9期2009年9月工礦自動(dòng)化Industry and Mine AutomationNo.9Sep.2009文章編號(hào):1671-251X(200909-0068-03煤礦電能質(zhì)量分析與控制張學(xué)松(天地科技股份有限公司開采設(shè)計(jì)分院,北京100013摘要:文章分析了電壓偏差、電壓波動(dòng)、諧波這3個(gè)影響煤礦電能質(zhì)量的主要因素,詳細(xì)描述了它們產(chǎn)生的原因、對(duì)煤礦電網(wǎng)的危害及采取的相應(yīng)控制措施,指出了煤礦在制定電能質(zhì)量控制的具體措施時(shí)應(yīng)從規(guī)劃、設(shè)計(jì)到實(shí)施各個(gè)環(huán)節(jié)、從運(yùn)行、管理到維護(hù)各個(gè)方面作統(tǒng)一考慮,并合理選擇控制技術(shù),才能有效控制電能質(zhì)量。關(guān)鍵詞:煤礦;電能質(zhì)量;

3、電壓偏差;電壓波動(dòng);諧波;控制中圖分類號(hào):T D612文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:B0引言自2002年開始,在煤炭供不應(yīng)求的市場(chǎng)背景和國家對(duì)煤礦安全生產(chǎn)的要求下,煤炭行業(yè)開始進(jìn)行大規(guī)模的技術(shù)升級(jí)改造,大量的新技術(shù)、新產(chǎn)品在煤礦的生產(chǎn)、安全、管理等環(huán)節(jié)廣泛應(yīng)用。煤礦在對(duì)電力需求增加的同時(shí)對(duì)電能質(zhì)量的要求也越來越高,電能質(zhì)量的優(yōu)劣直接影響到煤礦的安全生產(chǎn)。2007年頒布的煤炭工業(yè)節(jié)能減排意見對(duì)電能質(zhì)量提出了明確要求,要求煤礦“應(yīng)用電源污染治理技收稿日期:2009-05-26作者簡(jiǎn)介:張學(xué)松(1968-,男,高級(jí)工程師,注冊(cè)電氣工程師,現(xiàn)在天地科技股份有限公司開采設(shè)計(jì)分院從事煤礦供配電及自動(dòng)化方面的設(shè)計(jì)工作。E2m

4、ail:zhxsch 術(shù),消除高次諧波,抑制順流浪涌,調(diào)節(jié)無功功率,提高功率因數(shù)”,因此,保證電能質(zhì)量符合國家標(biāo)準(zhǔn)和自身用電安全是煤礦的責(zé)任和義務(wù)。在電能質(zhì)量所包含的眾多指標(biāo)中,電壓偏差、電壓波動(dòng)、諧波是煤礦電能質(zhì)量控制的重點(diǎn)。本文主要從產(chǎn)生原因、危害及控制措施等方面對(duì)煤礦電力系統(tǒng)中的電壓偏差、電壓波動(dòng)及諧波問題進(jìn)行分析。1電壓偏差電壓偏差反映了傳統(tǒng)電能質(zhì)量的要求,當(dāng)指標(biāo)偏離標(biāo)準(zhǔn)后會(huì)引起電氣設(shè)備的運(yùn)行性能減弱、效率下降,嚴(yán)重時(shí)可能使設(shè)備無法正常工作,甚至導(dǎo)致設(shè)備絕緣損壞、燒毀或爆炸等,從而間接或直接危害設(shè)備、人身及系統(tǒng)的安全。 電壓偏差是影響煤礦供電質(zhì)量的主要因素,這是由煤礦開采特點(diǎn)所決定的。

5、煤礦的開采負(fù)荷集中在開采工作面上,隨著煤礦開拓范圍的不斷擴(kuò)大,生產(chǎn)負(fù)荷的供電距離也在不斷延伸,造成供電電壓偏差超過標(biāo)準(zhǔn),影響煤礦的正常生產(chǎn)。煤礦電壓偏差主要產(chǎn)生于供電線路的電壓損失。供電線路的電壓損失計(jì)算公式為U=173×I×L(r co s+x sin/U(1式中:U為線路電壓損失,其限值參見電能質(zhì)量供電電壓允許偏差(G B/T123252003;I為線路計(jì)算工作電流,A;L為線路長(zhǎng)度,km;r為線路單位長(zhǎng)度電阻,/km;x為線路單位長(zhǎng)度阻抗,/km;co s為功率因數(shù);U為線路電壓,V。結(jié)合式(1,煤礦主要通過以下3種方式解決電壓偏差問題:(1供電系統(tǒng)電網(wǎng)的輸送能力與其

6、供電電壓的平方成正比,提高供電系統(tǒng)的電壓等級(jí)可有效降低電壓偏差。該方法符合煤礦井下的生產(chǎn)特點(diǎn),隨著技術(shù)的升級(jí),目前,煤礦井下供電電壓已達(dá)到10kV,采煤工作面設(shè)備的工作電壓達(dá)到3.3kV,基本解決了煤礦井下供電問題。(2合理規(guī)劃煤礦供電系統(tǒng),根據(jù)負(fù)荷大小和分布設(shè)置變電所位置,使變電所靠近負(fù)荷中心,縮短用電負(fù)荷的供電距離,以降低電壓偏差。(3采用無功補(bǔ)償技術(shù),提高供電系統(tǒng)的功率因數(shù),降低系統(tǒng)的工作電流,以降低電壓偏差。2電壓波動(dòng)大功率沖擊性負(fù)荷在運(yùn)行過程中頻繁地從供電系統(tǒng)中取用快速變動(dòng)能源,導(dǎo)致公共連接點(diǎn)電壓在短時(shí)間里急劇變動(dòng),且明顯偏離標(biāo)稱電壓值,嚴(yán)重時(shí)可能使同一電磁環(huán)境下的其它電氣設(shè)備不能正

7、常工作,產(chǎn)生的電壓暫降會(huì)引起變頻調(diào)速設(shè)備、PL C、各種自動(dòng)生產(chǎn)線以及計(jì)算機(jī)系統(tǒng)等敏感性設(shè)備誤動(dòng),造成生產(chǎn)設(shè)備失控或信息丟失。由于煤礦井下生產(chǎn)條件具有不確定性,煤礦通常采用大型設(shè)備提高生產(chǎn)的適應(yīng)性和可靠性,這些設(shè)備單機(jī)功率大、啟動(dòng)頻繁,產(chǎn)生的電壓波動(dòng)對(duì)煤礦的配電系統(tǒng)或供電末端的電壓質(zhì)量造成的影響不可忽視。供電系統(tǒng)中電壓波動(dòng)計(jì)算公式為dS i/S sc×100%(2式中:d為電壓波動(dòng)值,其限值參見電能質(zhì)量電壓波動(dòng)和閃變(G B123262000;S i為負(fù)荷容量的變化量;S sc為接入點(diǎn)短路容量。結(jié)合式(2,煤礦主要從以下2個(gè)方面采取措施以降低電壓波動(dòng):(1當(dāng)電壓波動(dòng)是由供配電系統(tǒng)引起

8、時(shí),通常采取2種方法:一種是選擇短路容量大的電源點(diǎn)供電,該方法受外部電源條件的制約,實(shí)施較為困難;另一種是采用動(dòng)態(tài)調(diào)壓技術(shù)改變輸出端電壓,以降低電壓波動(dòng)幅度,一般采用有載調(diào)壓變壓器與無功動(dòng)態(tài)補(bǔ)償相結(jié)合的方式來抑制電壓波動(dòng)。在國家綠色能源政策的倡導(dǎo)下,近些年無功動(dòng)態(tài)補(bǔ)償技術(shù)的發(fā)展非常迅速,對(duì)于系統(tǒng)中沖擊性負(fù)荷小、負(fù)荷波動(dòng)不頻繁的煤礦可采用技術(shù)簡(jiǎn)單的分組投切電容器組(MSC或調(diào)壓型無功動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)裝置,分級(jí)投切電容器進(jìn)行補(bǔ)償;對(duì)于系統(tǒng)中沖擊性負(fù)荷大、負(fù)荷波動(dòng)頻繁的煤礦可采用靜止補(bǔ)償器(TCR、MCR或靜止無功發(fā)生器(SV G,無級(jí)調(diào)節(jié)電容補(bǔ)償量。(2當(dāng)電壓波動(dòng)是由用電設(shè)備造成時(shí),可通過改善用電設(shè)備的特

9、性來減少電壓波動(dòng),如異步電動(dòng)機(jī)采用Y-啟動(dòng)、自耦變壓器啟動(dòng)、軟啟動(dòng)等方式以減少對(duì)電網(wǎng)的啟動(dòng)沖擊。3諧波交流電網(wǎng)中,由于許多非線性電氣設(shè)備的投入運(yùn)行,其電壓、電流波形實(shí)際上不是完整的正弦波形,而是不同程度畸變的非正弦波形。當(dāng)諧波超過標(biāo)準(zhǔn)要求時(shí)將會(huì)對(duì)電力系統(tǒng)的運(yùn)行構(gòu)成威脅,給周圍電氣環(huán)境帶來污染。諧波的污染與危害主要可概括為以下幾個(gè)方面:(1旋轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)等的附加諧波損耗與發(fā)熱,會(huì)縮短其使用壽命;(2諧波過電壓造成電氣元件及設(shè)備的故障與損壞;(3電力電纜因?qū)Φ仉娙菁?lì)出較大的諧波諧振和諧波放大,造成電纜絕緣擊穿事故;(4對(duì)通信系統(tǒng)產(chǎn)生電磁干擾,使電信質(zhì)量下降;(5導(dǎo)致重要的和敏感的自動(dòng)控制設(shè)備、保護(hù)裝

10、置不正確動(dòng)作。由于采用半導(dǎo)體器件作為直流、交流調(diào)速的傳動(dòng)裝置具有調(diào)速范圍廣、控制簡(jiǎn)單、節(jié)能效果明顯、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、維護(hù)方便等優(yōu)勢(shì)而在煤礦得到廣泛應(yīng)用,并逐步替代其它調(diào)速方式,但由此帶來的諧波問題在煤礦安全生產(chǎn)中也逐漸顯現(xiàn),諧波已成為影響煤礦電能質(zhì)量的重要因素之一。電網(wǎng)中允許諧波電流的公式為962009年第9期張學(xué)松:煤礦電能質(zhì)量分析與控制I h=10S k HR U h3U N h(3式中:I h為第h次諧波允許電流,A;S k為公共連接點(diǎn)的三相短路容量,MVA;H R U h為諧波電壓含有率,其限值參見電能質(zhì)量公網(wǎng)電網(wǎng)諧波(G B/T1454993;U N為電網(wǎng)的標(biāo)稱電壓,kV。目前,非線性負(fù)荷

11、在煤礦生產(chǎn)的各個(gè)環(huán)節(jié)都有應(yīng)用,結(jié)合式(3,可從預(yù)防和補(bǔ)償2個(gè)方面入手解決諧波治理問題。(1預(yù)防性措施供電設(shè)備(如電容器、變壓器等在設(shè)計(jì)、配置等方面采取減少諧波的措施,如連接組別為Dy11的變壓器可有效消除3次及其倍數(shù)次諧波,電容器組串接5%6%的電抗器可以對(duì)5次以上諧波有抑制作用。通過增加整流器的脈動(dòng)數(shù)或采用可控整流限制電力諧波。當(dāng)整流裝置脈動(dòng)數(shù)增加時(shí),整流器產(chǎn)生的諧波次數(shù)也增高,而產(chǎn)生的諧波電流近似與諧波次數(shù)成反比,選擇采用脈沖寬度調(diào)制(PWM控制技術(shù)的12脈沖、18脈沖或者24脈沖整流的直流開關(guān)電源或變頻器可有效減少諧波的產(chǎn)生。增加變壓器的容量、減少回路的阻抗及切斷傳輸線路。由于非線性負(fù)載

12、引起的畸變電流在電纜的阻抗上產(chǎn)生一個(gè)畸變電壓降,該畸變電壓波形會(huì)加到與非線性負(fù)載同一線路上所接的其它負(fù)載,從而引起諧波電流在其它負(fù)載上流過,因此,減少諧波危害的措施也可采用加大電纜截面積、減少回路的阻抗等方法實(shí)現(xiàn)。國內(nèi)較多采用的方法是提高變壓器容量、增大電纜截面積(特別是加大中性線電纜截面積以及選用整定值較大的斷路器、熔斷器等保護(hù)元件,但這些方法不能從根本上消除諧波,反而降低了保護(hù)特性與功能,又加大了投資,增加了供電系統(tǒng)的隱患。(2補(bǔ)償性措施采用無源濾波器。無源濾波器因其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、投資少、運(yùn)行可靠性較高以及運(yùn)行費(fèi)用較低,至今仍是諧波抑制的主要手段。它由濾波電容器、電抗器和電阻器適當(dāng)組合而成,與

13、諧波源并聯(lián),除具有濾波作用外,還兼有無功補(bǔ)償?shù)淖饔?。目?基于晶閘管控制電抗器技術(shù)的T-SVC和基于磁控可調(diào)電抗器技術(shù)的M-SVC的帶濾波功能的無功動(dòng)態(tài)補(bǔ)償裝置在煤礦應(yīng)用較多,但這些技術(shù)存在較難克服的缺點(diǎn):無源濾波器不能受控,對(duì)電網(wǎng)的適應(yīng)性差,當(dāng)電網(wǎng)參數(shù)發(fā)生變化時(shí)不能對(duì)頻率和幅值都變化的諧波進(jìn)行跟蹤補(bǔ)償。采用有源濾波器。近些年,由于大、中功率全控型半導(dǎo)體器件的成熟、PWM控制技術(shù)的進(jìn)步以及基于瞬時(shí)無功功率理論的諧波電流瞬時(shí)檢測(cè)方法的提出,有源電力濾波器得以迅速發(fā)展。其基本原理是從補(bǔ)償對(duì)象中檢測(cè)出諧波電流,由補(bǔ)償裝置產(chǎn)生一個(gè)與該諧波電流大小相等、極性相反的補(bǔ)償電流頻譜,以抵消原線路諧波源所產(chǎn)生的

14、諧波,從而使電網(wǎng)電流只含有基波分量。低壓系統(tǒng)的A PF(有源電力濾波裝置和中壓系統(tǒng)的SV G+(動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償與諧波治理裝置屬于新一代動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償技術(shù),主要采用基于IG B T電壓源逆變器構(gòu)成的無功補(bǔ)償裝置,不再采用大容量的電容器、電抗器,通過大功率電力電子器件的高頻開關(guān)實(shí)現(xiàn)無功能量的變換。有源濾波器最顯著的特點(diǎn)就是其自身不產(chǎn)生諧波,而傳統(tǒng)SVC裝置自身產(chǎn)生諧波。采用有源濾波器是未來動(dòng)態(tài)濾波技術(shù)的發(fā)展方向。4結(jié)語電能質(zhì)量控制技術(shù)是一項(xiàng)不斷發(fā)展、不斷豐富的技術(shù)。能夠?qū)崿F(xiàn)電能質(zhì)量控制的技術(shù)千差萬別,因此,煤礦在制定電能質(zhì)量控制的具體措施時(shí)應(yīng)從規(guī)劃、設(shè)計(jì)到實(shí)施各個(gè)環(huán)節(jié)、從運(yùn)行、管理到維護(hù)各個(gè)方面作統(tǒng)一考慮,并合理選擇控制技術(shù),才能有效控制電能質(zhì)量。參考文獻(xiàn):1肖湘寧.電能質(zhì)量分析與控制M.北京:中國電力出版社,2004.2張錦榮.變頻器的諧波危害及解決措施J.自動(dòng)化博覽,2004(2:52253,56.3張