煤矿电能质量分析与控制.pdf

第 9期 2 0 0 9 年 9月 工矿 自 动化 I nd us t r y an d M i ne Aut o ma t i on NO ． 9 S e p ．2 0 0 9 文章编 号 1 6 7 1 2 5 1 X 2 0 0 9 0 9 --0 0 6 8 0 3 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 1 0 0 0 1 3 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 ；电压偏 差 ；电压 波动 ； 谐 波 ； 控制 中图分 类号 T D 6 1 2 文献标 识码 B 0 引 言 自 2 0 0 2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。 2 0 0 7 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 2 0 0 9 0 5 2 6 作者筒 介 张学松 1 9 6 8 一 ， 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 。E - ma i l z h x s c h 2 6 3 ． c o m 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 。 接收到主站 I ／ O 轮询报文 璺 ● Y 门f 。。。。。。。。_●_--。。。。。。。。。。。一 开 启 洒 水 阀 门 l 液晶显示几号传感器、 温度超标并语音报警 封装成 Mo d B u s 帧 主 解析 Mo d B s 应答帧数据 封装到 D e v i c e N e t 应答帧并发送 ‘ 置错误代码和 附加代码 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 ， 2 0 0 8 7 ． E 2 3 陈维兴 ，费春 国． D e v i c e Ne t Mo d b u s协议 转换 器 的 设计 及实现E J ] ． 自动化与仪表 ， 2 0 0 8 9 ． E 3 3 张戟，程曼 ， 谢剑英． 基 于现 场总线 D e v i c e Ne t 的 智能设备开发指南[ M] ． 西安 西安 电子科技 大学 出版社 ， 2 0 0 4 ． [ 4 ] 卢智嘉 ，王俊社 ， 李玉萍． 基于 Mo d b u s 远程监控 系统 的通信研究E J 1 ． 微计算机信息 ， 2 0 0 8 2 5 ． E s ] 周立功． AR M 嵌入式 系统 基础 教程 [ M] ． 北 京 北京 航空航天大学 出版社 ， 2 0 0 5 ． E 6 ] 武 长坤 ，戴 瑜 兴． 断路 器 D e v i c e N e t Mo d b u s协 议 转换器 的设计及实现E J ] ． 低压 电器 ， 2 0 0 4 1 2 3 5 4 0 ． 2 0 0 9年 第 9期 张 学松 煤矿 电能质 量分 析与控 制 6 9 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。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 一 1 7 3 I L C O S x s i n ／ U 1 式 中 A 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 GB ／ T I 2 3 2 5 --2 0 0 3 ； 工 为 线路计算工作电流 ， A； L为线路长度 ， k m； r为线路 单位长 度 电阻， Q／ k m； z为线 路 单位 长 度 阻 抗， 1 2 ／ k m； C O 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 1 0 k V， 采 煤工作 面设 备 的工作 电压 达到 3 ． 3 k V， 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常工 作， 产生 的 电压 暂 降会 引起 变频 调速设 备、 P L 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 d≈ A Si ／ S 。 1 0 0 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 GB 1 2 3 2 6 --2 0 0 0 ； A S 。 为负荷容 量 的变化 量 ； S 为接人 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 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 MS C 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 TC R、 MC R 或静 止 无 功发生器 S VG ， 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 性 来 减 少 电压 波 动 ， 如 异 步 电 动 机采用 Y一△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 7 O 工矿 自动 化 2 0 0 9年 9月 T 1 O Sk HRUh r J h _ 二■ 一 ＼o ／ √ 3 UN h 式中 L 为第 h次谐波允许 电流 ， A； S 为公共 连 接点 的三相 短 路 容 量 ， MVA； HR 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 ／ T1 4 5 4 9 -- 9 3 ； UN为 电 网的标称 电压 ， k V。 目前 ， 非线 性 负荷 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 面人 手 解 决 谐波 治理 问题 。 1 预 防性措 施 ① 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 Dy l 1 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 。 ② 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 P WM 控 制技 术 的 1 2脉 冲 、 1 8脉 冲或者 2 4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 。 ③ 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 ① 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 S V C 和基 于磁 控 可调 电抗 器技 术 的 M S VC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 。 ② 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 、 P W M 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 的谐波 ， 从 而 使电网电流只含有基波分量。低压系统的 AP F 有 源 电力 滤波 装置 和 中压 系 统 的 S VG 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 I G 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 S VC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 ， 2 0 0 4 ． [ 2 ] 张锦荣． 变 频 器 的谐 波危 害 及 解 决措 施 [ J ] ．自动 化 博览 ， 2 0 0 4 2 5 2 5 3 ， 5 6 ． E 3 ] 张洪军． 可改善 配电网 电能 质量的新型故 障限流 器的 仿真与实验研究E D ] ． 南京 东南大学 ， 2 0 0 5 ． [ 4 ] 陈 静． 电能 质量 检 测 仪器 的研 制 [ D ] ． 淮 南 安 徽 理 工 大 学 ， 2 0 0 5 ． [ 5 ] 贺天才． 煤矿 电网 电能 质量测试分 析与研究 [ J ] ． 煤炭 工 程 ， 2 0 0 8 9 ． [ 6 ] 李明， 潘超 ， 王 娴． 电能质量诊断 系统 的研 究与 应用[ J ] ． 吉林电力 ， 2 0 0 6 5 ． [ 7 ] 刘 翼． 谐 波 的危 害及 对谐 波 污染 的治 理 [ J ] ． 低压 电器 ， 2 0 0 7 1 6 ． [ 8 ] 郝立兵． 煤矿生产 中电能质量浅析[ J ] ． 山东煤 炭科 技， 2 0 08 4．