李二良(礦冶科技集團(tuán)有限公司,北京100070)

1 前言

電鏟和礦山鉆探等用電負(fù)荷U-I 曲線已經(jīng)充分證明,金屬礦山開采期間的設(shè)備逐漸向自動化發(fā)展,相應(yīng)的污染也在增多。停止用電導(dǎo)致同一回路電壓升高,造成短時電壓尖波、配電設(shè)備損壞、用電設(shè)備正常運行中斷,功率損耗增大。

金屬礦山的20 kV 配電網(wǎng)作為一種較為薄弱的電網(wǎng)結(jié)構(gòu),為了保證體在運行供電時的可靠性和安全性,在建設(shè)之初通常會將其與220 kV 的線路交織在一起,使其形成電磁環(huán)網(wǎng)后進(jìn)行送電。隨著金屬礦山20 kV 配電網(wǎng)的進(jìn)一步發(fā)展,在進(jìn)行電力工程設(shè)計及建設(shè)時,應(yīng)加快速度完善金屬礦山電壓的等級網(wǎng)絡(luò),盡快解開電磁環(huán)網(wǎng)。

2 20 kV 礦山應(yīng)用可行性論證

2.1 技術(shù)成熟性

1)電氣設(shè)備匹配

在我國許多地區(qū),新城區(qū)采用20 kV 作為輸電電壓。如合肥濱湖新區(qū)中壓輸電采用20 kV,整個新城供電質(zhì)量穩(wěn)定,不受影響。供電系統(tǒng)的主要設(shè)備和材料,包括變壓器、開關(guān)柜、避雷器、電纜和安全檢測設(shè)備等,均能滿足20 kV 電壓要求。從電氣設(shè)備、電纜等相關(guān)附件而言,金屬礦山20 kV 電壓配電設(shè)計及建設(shè)具有成熟的技術(shù)支撐[1]。

但是,部分礦山配電系統(tǒng)有10 kV 電動機(jī)等外部電氣設(shè)備,各礦山企業(yè)在進(jìn)行20 kV 電壓配電時,不能在10 kV 電動機(jī)上加裝20/10 kV 變壓器。此外,露天礦山及地下開采礦井其他負(fù)荷集中處也需進(jìn)行10 kV 二級配電。20/10 kV 變壓器配置建設(shè)是一個不可逾越的障礙。其他電氣設(shè)備所需電壓等級滿足20 kV 降壓要求。

2)電纜的選擇

與10 kV 電纜相比,20 kV 電纜的絕緣材料明顯高于10 kV 電纜。理論上,電纜導(dǎo)體材質(zhì)選擇銅是應(yīng)該節(jié)約的,但事實上,銅并不意味著絕緣材料的生產(chǎn)成本可以節(jié)省。首先,電纜截面的變化是階梯狀的,不是線性的。其次,10 kV 的電纜最初是支撐變壓器產(chǎn)生的,為了配合電機(jī)發(fā)展,根據(jù)發(fā)展的趨勢,選擇10 kV 電纜非常方便。

但在20 kV 電壓等級出現(xiàn)后,其截面積的變化沒有得到及時更新。在電纜選型時,若兩個截面等級之間的數(shù)字是合適的,但是由于沒有該規(guī)格,所以只能選擇較大的截面等級。由于電纜截面積選型靠上,銅材料將被浪費。此外,電纜的安裝成本取決于電纜的類型和長度。即使算上價格,20 kV 電纜的安裝成本也高于10 kV 電纜。故此,20 kV 電纜在價格上沒有10 kV 電纜的優(yōu)勢。

2.2 減少能源消耗

能耗分為產(chǎn)品本身的能耗和產(chǎn)品周期的能耗。在變壓器制造過程中,20 kV 和10 kV 變壓器的能耗基本相同,而20 kV 變壓器的線圈能耗略高于10 kV原材料。由于10 kV 的制造工藝和技術(shù)是最先進(jìn)的,因此在能耗方面比20 kV 變壓器更具優(yōu)勢。

20 kV、10 kV 開關(guān)柜原料消耗為過電壓保護(hù)器、傳感器、斷路器、柜體鋼材。前三要素基本上都是絕緣材料,電氣開關(guān)主要采用空氣絕緣,所以20 kV 開關(guān)必須比10 kV 開關(guān)寬,20 kV 開關(guān)的絕緣室稍大一些。由此造成變電站設(shè)備的表面尺寸也將更大。所以,20 kV 開關(guān)柜的產(chǎn)品周期能耗沒有降低。

采用電纜進(jìn)行供配電設(shè)計及建設(shè)不一定能省電。然而,在能源輸送領(lǐng)域,線路損耗有所降低,但這種降低并不能抵消原材料生產(chǎn)過程中的能耗。通過對技術(shù)成熟度、經(jīng)濟(jì)性、能耗和監(jiān)管標(biāo)準(zhǔn)的比較,發(fā)現(xiàn)20 kV 電壓等級不適合在金屬礦山中推廣。只有解決了一系列問題,20 kV 電壓才能應(yīng)用于礦山開采領(lǐng)域,但也可以用35 kV 來代替。

3 20 kV 電壓配電對金屬礦山的影響

3.1 電能質(zhì)量影響

對于標(biāo)準(zhǔn)三相交流系統(tǒng),其中各相的電壓、電流在理想的狀態(tài)下將會呈現(xiàn)幅值相同的現(xiàn)象,并且其相對稱差為120°對稱。但在實際運行中的線路、變壓器等負(fù)荷并不完全對稱。從實際運行情況來看,電能的質(zhì)量不僅受到自身因素的影響,同時在錯誤操作下也產(chǎn)生一定的問題[2]。

3.2 電壓波形影響

理論上,系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)上的電流和電壓呈現(xiàn)的都是標(biāo)準(zhǔn)頻率下的正弦波,但在實際的網(wǎng)絡(luò)中依然存在著大量的非線性和突發(fā)電荷。電網(wǎng)中并不完全是正弦波,期間基于基頻的變化將分解為一系列的傅里葉變換,而產(chǎn)生諧波電壓通過網(wǎng)絡(luò)阻抗將形成基波諧波。減少電能質(zhì)量和諧波是確保電力供電系統(tǒng)平穩(wěn)運行的重要指標(biāo)之一,同時期間存在的二次諧波、全諧波畸變等現(xiàn)象也是其中的重要內(nèi)容。

3.3 頻率偏差

頻差是指系統(tǒng)在正常運行中,其實際工作頻率與其額定值之間的差,它是由頻差決定的[3]。一般來說,允許的頻率偏差是根據(jù)電網(wǎng)的總裝機(jī)容量來確定的,這主要是由于發(fā)電機(jī)和用電負(fù)荷之間的功率不兼容,這導(dǎo)致發(fā)動機(jī)和變壓器的驅(qū)動電流增大,非動力消耗增加,設(shè)備壽命和設(shè)備效率降低。

3.4 三相電壓不平衡度

在三相平衡電路中,各相電壓和電源的頻率、振幅必須相同,且相距120°。盡管實際運行中的電網(wǎng)并不存在三相絕對不平衡,但由于不同的三相在不同的情況下將會引起不平衡的現(xiàn)象,其中包括負(fù)荷非線性、阻抗非線性以及事故等影響因素。在電能質(zhì)量方面,三相電壓不平衡實際上也屬于一種電壓不平衡的現(xiàn)象,這將會對用戶造成極大的影響,期間可能存在電機(jī)振動與損壞、配電網(wǎng)癱瘓以及電網(wǎng)故障等問題,促使電網(wǎng)運行的穩(wěn)定性難以得到保障。

4 20 kV 電壓動態(tài)無功補(bǔ)償技術(shù)

伴隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展,金屬礦山企業(yè)在用電質(zhì)量上的要求不斷提升,為達(dá)到規(guī)模、集成、高效的生產(chǎn),采用無功補(bǔ)償技術(shù)防止局部電網(wǎng)的變化性和閃變性,提高本地電網(wǎng)的功率因數(shù),進(jìn)一步提高生產(chǎn)效率,保證系統(tǒng)電壓穩(wěn)定。

在國內(nèi)外電力系統(tǒng)自然修復(fù)領(lǐng)域中,無功補(bǔ)償技術(shù)一直是研究的對象,其應(yīng)用前景十分廣闊。對于交流電網(wǎng),由發(fā)電機(jī)提供的負(fù)荷有兩種,一種是無功,另一種是有功。在電力系統(tǒng)中,有功功率和無功功率的關(guān)系是功率因數(shù),直接影響電網(wǎng)的供電狀況。

4.1 有功功率、無功功率及視在功率

通過各種機(jī)械或電力功率的降低,將有功功率轉(zhuǎn)換成其他形式的能量,使電力設(shè)備保持正常運行,并產(chǎn)生直接的經(jīng)濟(jì)效益。交流電源的瞬時功率并不一定是固定的值,工作一個周期的平均值稱為有功功率。

在電力系統(tǒng)中,一半的電能轉(zhuǎn)化為磁場,另一半的周期將現(xiàn)有的磁場回饋給電網(wǎng),故無功功率在電力系統(tǒng)中不起直接作用,沒有直接的經(jīng)濟(jì)影響。

有功功率、無功功率、視在功率組成功率三角形,在實際交流電網(wǎng)中,視在功率往往高于實際額定功率。這主要是因為配電網(wǎng)中不僅有像電阻器這樣的耗電元件,而且還有諸如電容器和電感器之類的儲能元件。外部電源必須提供用電設(shè)備正常運行所需的有功功率,也必須提供儲存在電容器和電感器等部件中的無功功率。

4.2 功率因數(shù)

電壓、電流的相角通常用φ表示,相角的余弦值cosφ稱為功率因數(shù),它是電力系統(tǒng)合法性、使用和管理的重要指標(biāo)。用電設(shè)備使用的有功功率越大,用戶的功率因數(shù)越小,所需的無功功率越大,系統(tǒng)提供給用戶的視覺功率也就越大。

在交流電網(wǎng)中,電荷是電動機(jī)和變壓器中最常見的電荷。這些電荷是感應(yīng)電荷,在運行中,除了正常工作功率即有功功率外,還需要消耗一定量的未消耗能量即無功功率。電子法向電磁場不允許在額定條件下工作,破壞電磁場的正常工作環(huán)境。在這種情況下,為了保證用電裝置的正常運行,通常需要在電網(wǎng)中安裝一些功率損耗補(bǔ)償裝置,以滿足用戶的用電需求,使用電裝置能在額定電壓下正常運行。

5 金屬礦山20 kV 配電網(wǎng)建設(shè)關(guān)鍵技術(shù)展望

目前,國內(nèi)不少變電站已實現(xiàn)集中控制、網(wǎng)絡(luò)傳輸和計算機(jī)監(jiān)控,電力行業(yè)的技術(shù)水平和管理水平逐步提高。20 kV 變電站的建設(shè)有嚴(yán)格的供電設(shè)計體系和復(fù)雜的設(shè)施。隨著集成設(shè)備的應(yīng)用、施工方法的改進(jìn)、變電站結(jié)構(gòu)的改進(jìn)、施工設(shè)備的更新,變電站的建設(shè)和維護(hù)技術(shù)水平也在不斷提高。20 kV智能變電站作為一種新穎的設(shè)計理念,是未來發(fā)展的主流,智能變電站相關(guān)先進(jìn)技術(shù)集成度高,概念先進(jìn),現(xiàn)在已經(jīng)相當(dāng)成熟。智能電站有些技術(shù)還處于研發(fā)階段,有些還處于概念階段,還需進(jìn)一步研究。

隨著計算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和通信技術(shù)的飛速發(fā)展,分層分布式自動化系統(tǒng)得到了廣泛的應(yīng)用,形成了以實區(qū)間為設(shè)計對象的保護(hù)測量單元和分層分布式系統(tǒng)結(jié)構(gòu),國內(nèi)外大多數(shù)電氣設(shè)備制造商都采用了這種結(jié)構(gòu)。

6 結(jié)論

金屬礦山企業(yè)在用電質(zhì)量上的要求不斷提升,因此為了更好地改善電能質(zhì)量水平,就需要強(qiáng)化對動態(tài)無功補(bǔ)償技術(shù)的運用和推廣,進(jìn)而使得電能供應(yīng)的穩(wěn)定性得到提升。同時在礦井配電網(wǎng)的應(yīng)用上,也需要通過調(diào)節(jié)電網(wǎng)電壓穩(wěn)定性以及功率因數(shù)等方式促使電網(wǎng)滿足質(zhì)量要求。金屬礦山20 kV 的配網(wǎng)電力工程不可避免的需要與220 kV 電網(wǎng)進(jìn)行聯(lián)合,這種聯(lián)合能夠很好的提高金屬礦山20 kV 電網(wǎng)的穩(wěn)定性,而如何控制因此而產(chǎn)生的電磁環(huán)網(wǎng)就需要進(jìn)行細(xì)致的設(shè)計分析。再加上金屬礦山20 kV變電站的修建,涉及到許多關(guān)鍵的接線技術(shù),更是應(yīng)該一絲不茍的嚴(yán)格遵循相關(guān)規(guī)定。