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電抗器作用：關于礦井電纜串聯電抗器的探討 電抗器作用：關于礦井電纜串聯電抗器的探討
摘 要：鐵煤集團礦井負荷逐年增加，暴露出礦井投產時安裝的入井電纜串聯電抗器額定容量無法滿足正常生產，需要更換大容量電抗器。由于井下大容量開關的更換，電抗器的限流作用也失去意義。因電抗器的投入運行，造成大量電能損失，同時在電抗器上產生的壓降，對井下設備正常運行造成影響。本論文從限流、節能、殘壓、穩定方面分析，取消入井電纜串聯電抗器，每年可減少電能損耗1296306kWh，減少電費支出99.8萬元，減少電抗器投資費用154萬元。
關鍵詞：電抗器；串聯電抗器；經濟效益
1、鐵煤集團礦井變電所電抗器的現狀
目前，礦井變電所共計安裝電抗器26臺，大隆變電所3臺、大興變電所3臺、小康變電所3臺、大明變電所4臺、大明立井變電所2臺、曉青變電所4臺、曉南變電所4臺、曉明變電所3臺。2001版《煤礦安全規程》第453條規定，井下電力網的短路電流不得超過其控制用的斷路器在井下使用的開斷能力[1]。當時礦井井下防爆開關以PB3-6型為主，該型開關額定短路容量均為50兆伏安左右，所以必須在地面變電所入井電纜串聯電抗器。礦井供電設備更新改造后，井下防爆開關全部使用新型設備，額定短路開斷電流12.5千安，隨著礦井機械化程度的提高，負荷逐年增加，電抗器的額定容量已不能滿足要求。從今年開始，擬計劃陸續更換電抗器，2010年計劃更換大興、曉青變電所6臺電抗器。各所電抗器安裝情況見附表1。
2、入井電纜串聯電抗器作用
通過入井電纜串聯電抗器，增加入井電纜回路阻抗，限制井下電網短路電流，保證井下發生短路故障時，短路電流能在斷路器遮斷能力范圍內。另外，井下發生短路故障時，保證變電所母線殘壓不低于60～70%額定電壓。不能引起其它安裝無壓釋放開關跳閘影響井下設備正常工作。
3、變電所入井電纜串聯電抗器選擇方法
3.1電抗值的選擇
根據限流要求所需的系統總電抗及系統原有電抗按下式計算
式中——電抗器的計算電抗；
——限流要求所需的系統總電抗；
——系統原有電抗。
根據電抗器的額定電流及計算電抗值選擇電抗器的百分電抗
式中Xke%——電抗器的百分電抗值；
Ij——基準電流值；
Ike——電抗器的額定電流，其值應大于或等于長時最大工作電流，即
Ike≥Ig
3.2電抗器的校驗
3.2.1校驗正常工作時的電壓損失
電抗器正常工作時的允許電壓損失△U%一般不應超過4～5%，否則會使受電端電壓過低，影響供電質量
△U%=Xke%sinΦ=4～5% 式中Φ為回路最大負荷時的功率因數角。
3.2.2母線殘壓的校驗
當電抗器回路的繼電保護動作時間大于1s時，在電抗器出口處短路時的母線殘壓△Ucm%不應低于額定電壓的60～70%，以保證母線上其它設備工作。母線殘壓按下式校驗。
△Ucm%=Xke%≥60～70%
式中I"——電抗器出口處最小運行方式下短路的次暫態電流值。
3.2.3電抗器的動、熱穩定性校驗
按電抗器的極限通過電流校驗其動穩定性，即
式中——電抗器極限通過電流峰值；
——電抗器后三相短路時，最大運行方式下的沖擊電流值。
電抗器的熱穩定性按下式校驗
式中Irw、trw——分別為電抗器的熱穩定電流及其相應時間；
tj——分別為短路電流穩定值及其假想時間[2]
4、現有安裝的電抗器校驗情況
各礦井變電所入井電抗器基本都是礦井建設初期安裝的，都已運行多年，由于電網系統的變化，以及礦井負荷的變化，這些電抗器的運行是否滿足要求，一直沒有驗算過，現將全礦區變電所安裝并投入運行的電抗器按上述計算公式進行校驗計算，結果見表2。
5、按09年入井負荷計算電抗器的電能損耗
由于串聯電抗器增加了電纜回路阻抗，必然會產生電能損耗，以2009年全年負荷為依據，計算在電抗器上發生的電能損耗，計算方法如下：
礦井按每天兩個班生產，一個檢修班，減去法定假日11d和每年停產或檢修時間15d。全年設備運轉時間：T=365÷3×2-11-15=217.33d。
電抗器上的電能損耗：
Q損=式中 Q損——電能損耗，kWh；Z—電抗器阻抗，Ω；
Q2009—2009年總電量，kWh；T---全年設備運轉時間，h。
Ue---額定電壓，V；計算結果見表3
6、關于取消入井電纜串聯電抗器的原因分析
6.1從限流作用分析，沒有必要安裝電抗器。
井下防爆開關全部使用新型設備，額定短路開斷電流12.5千安；各礦井下中央變電所處（不帶電抗器）短路電流均小于12.5千安，詳細數據見附表2。所以不需要安裝電抗器，就符合2001版《煤礦安全規程》第453條規定。
6.2從母線殘壓分析，沒有必要安裝電抗器。
從附表2可以看出，大明、大明立井、大隆、曉明和曉康五座變電所入井電纜串聯電抗器15臺殘壓不符合要求，占總數的58%，一旦井下某回路發生短路故障，容易引起其它入井回路所接防爆開關無壓釋放保護跳閘。
2009年礦井變電所6千伏配出號故障跳閘57次，井下號跳閘7次，其中不合格電抗器的回路跳閘3次。從以上統計數據可以看出，87.7%的故障無法考慮母線殘壓影響，目前電抗器僅能減少7%的故障對礦井生產的影響，而且還是在無壓釋放整定值合格的情況下。 所以，通過電抗器減少故障對井下生產影響無實際意義，沒必要安裝電抗器。
6.3從節能角度分析，沒有必要安裝電抗器。
從表3可以看出，僅09年電抗器電能損耗電量1296306千瓦時。
6.4從系統穩定分析，沒有必要安裝電抗器。
煤礦6千伏電氣設備正常工作電壓范圍5.9～6.3千伏，隨著井下機械化程度不斷提高，負荷不斷增大，而且各設備同時工作率很高，對電網電壓影響很大。
當礦井正常生產時，各設備全部開啟運行，在電抗器上產生較大壓降，而非生產時間大量設備不開啟或輕載運行，系統電壓又過高。
根據各入井負荷計算，正常工作時電抗器壓降在180～240伏之間，非生產時間因負荷很小，電抗器上壓降很小，由于系統電壓存在一定波動范圍，往往兩者疊加后，造成礦井生產時，井下電壓低于5.9千伏下限，而在非生產時間，母線電壓高于6.3千伏上限，導至礦井電氣設備無法正常工作。
供電部電力調度經常因各生產礦井電壓過高或過低問題，采取投切電容器調節電壓的辦法，來調節系統供電電壓，以滿足礦井生產需要。此辦法雖滿足了礦井生產供電電壓的需要，但往往功率因數不能滿足要求，造成功率因數低或過補情況，影響電網系統的正常運行。
所以，從限流、殘壓、節能、穩定方面分析，沒有必要安裝電抗器。
7、取消入井電纜電抗器的經濟效益
（1）從表3中可以看出每年可節約電量1296306千瓦時，按照礦井結算電價0.77元/千瓦時計算，年節約資金99.8萬元。
（2）目前各礦安裝的電抗器，從表2看，有22臺不合格（殘壓不合格15臺、額定容量不合格7臺），從今年起，將要逐年更換，按2010年計劃價7萬元/臺，需要計劃資金154萬元，如取消安裝，可節省計劃資金154萬元，僅2010年可節省計劃資金42萬元（計劃更換6臺）。另外還將節省一定的安裝費用。
（3）從6.4中分析電壓波動情況看，常常造成礦井無法按時開工生產，由此對礦井生產造成的影響，其經濟損失可能會更大。
綜上所述，取消安裝電抗器，直接經濟效益每年可減少電能損耗1296306kWh，減少電費支出99.8萬元，減少電抗器投資費用154萬元；間接經濟效益雖沒有具體統計，可能會更大。 |
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