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电抗器作用：关于矿井电缆串联电抗器的探讨 电抗器作用：关于矿井电缆串联电抗器的探讨
摘 要：铁煤集团矿井负荷逐年增加，暴露出矿井投产时安装的入井电缆串联电抗器额定容量无法满足正常生产，需要更换大容量电抗器。由于井下大容量开关的更换，电抗器的限流作用也失去意义。因电抗器的投入运行，造成大量电能损失，同时在电抗器上产生的压降，对井下设备正常运行造成影响。本论文从限流、节能、残压、稳定方面分析，取消入井电缆串联电抗器，每年可减少电能损耗1296306kWh，减少电费支出99.8万元，减少电抗器投资费用154万元。
关键词：电抗器；串联电抗器；经济效益
1、铁煤集团矿井变电所电抗器的现状
目前，矿井变电所共计安装电抗器26台，大隆变电所3台、大兴变电所3台、小康变电所3台、大明变电所4台、大明立井变电所2台、晓青变电所4台、晓南变电所4台、晓明变电所3台。2001版《煤矿安全规程》第453条规定，井下电力网的短路电流不得超过其控制用的断路器在井下使用的开断能力[1]。当时矿井井下防爆开关以PB3-6型为主，该型开关额定短路容量均为50兆伏安左右，所以必须在地面变电所入井电缆串联电抗器。矿井供电设备更新改造后，井下防爆开关全部使用新型设备，额定短路开断电流12.5千安，随着矿井机械化程度的提高，负荷逐年增加，电抗器的额定容量已不能满足要求。从今年开始，拟计划陆续更换电抗器，2010年计划更换大兴、晓青变电所6台电抗器。各所电抗器安装情况见附表1。
2、入井电缆串联电抗器作用
通过入井电缆串联电抗器，增加入井电缆回路阻抗，限制井下电网短路电流，保证井下发生短路故障时，短路电流能在断路器遮断能力范围内。另外，井下发生短路故障时，保证变电所母线残压不低于60～70%额定电压。不能引起其它安装无压释放开关跳闸影响井下设备正常工作。
3、变电所入井电缆串联电抗器选择方法
3.1电抗值的选择
根据限流要求所需的系统总电抗及系统原有电抗按下式计算
式中——电抗器的计算电抗；
——限流要求所需的系统总电抗；
——系统原有电抗。
根据电抗器的额定电流及计算电抗值选择电抗器的百分电抗
式中Xke%——电抗器的百分电抗值；
Ij——基准电流值；
Ike——电抗器的额定电流，其值应大于或等于长时最大工作电流，即
Ike≥Ig
3.2电抗器的校验
3.2.1校验正常工作时的电压损失
电抗器正常工作时的允许电压损失△U%一般不应超过4～5%，否则会使受电端电压过低，影响供电质量
△U%=Xke%sinΦ=4～5% 式中Φ为回路最大负荷时的功率因数角。
3.2.2母线残压的校验
当电抗器回路的继电保护动作时间大于1s时，在电抗器出口处短路时的母线残压△Ucm%不应低于额定电压的60～70%，以保证母线上其它设备工作。母线残压按下式校验。
△Ucm%=Xke%≥60～70%
式中I"——电抗器出口处最小运行方式下短路的次暂态电流值。
3.2.3电抗器的动、热稳定性校验
按电抗器的极限通过电流校验其动稳定性，即
式中——电抗器极限通过电流峰值；
——电抗器后三相短路时，最大运行方式下的冲击电流值。
电抗器的热稳定性按下式校验
式中Irw、trw——分别为电抗器的热稳定电流及其相应时间；
tj——分别为短路电流稳定值及其假想时间[2]
4、现有安装的电抗器校验情况
各矿井变电所入井电抗器基本都是矿井建设初期安装的，都已运行多年，由于电网系统的变化，以及矿井负荷的变化，这些电抗器的运行是否满足要求，一直没有验算过，现将全矿区变电所安装并投入运行的电抗器按上述计算公式进行校验计算，结果见表2。
5、按09年入井负荷计算电抗器的电能损耗
由于串联电抗器增加了电缆回路阻抗，必然会产生电能损耗，以2009年全年负荷为依据，计算在电抗器上发生的电能损耗，计算方法如下：
矿井按每天两个班生产，一个检修班，减去法定假日11d和每年停产或检修时间15d。全年设备运转时间：T=365÷3×2-11-15=217.33d。
电抗器上的电能损耗：
Q损=式中 Q损——电能损耗，kWh；Z—电抗器阻抗，Ω；
Q2009—2009年总电量，kWh；T---全年设备运转时间，h。
Ue---额定电压，V；计算结果见表3
6、关于取消入井电缆串联电抗器的原因分析
6.1从限流作用分析，没有必要安装电抗器。
井下防爆开关全部使用新型设备，额定短路开断电流12.5千安；各矿井下中央变电所处（不带电抗器）短路电流均小于12.5千安，详细数据见附表2。所以不需要安装电抗器，就符合2001版《煤矿安全规程》第453条规定。
6.2从母线残压分析，没有必要安装电抗器。
从附表2可以看出，大明、大明立井、大隆、晓明和晓康五座变电所入井电缆串联电抗器15台残压不符合要求，占总数的58%，一旦井下某回路发生短路故障，容易引起其它入井回路所接防爆开关无压释放保护跳闸。
2009年矿井变电所6千伏配出号故障跳闸57次，井下号跳闸7次，其中不合格电抗器的回路跳闸3次。从以上统计数据可以看出，87.7%的故障无法考虑母线残压影响，目前电抗器仅能减少7%的故障对矿井生产的影响，而且还是在无压释放整定值合格的情况下。 所以，通过电抗器减少故障对井下生产影响无实际意义，没必要安装电抗器。
6.3从节能角度分析，没有必要安装电抗器。
从表3可以看出，仅09年电抗器电能损耗电量1296306千瓦时。
6.4从系统稳定分析，没有必要安装电抗器。
煤矿6千伏电气设备正常工作电压范围5.9～6.3千伏，随着井下机械化程度不断提高，负荷不断增大，而且各设备同时工作率很高，对电网电压影响很大。
当矿井正常生产时，各设备全部开启运行，在电抗器上产生较大压降，而非生产时间大量设备不开启或轻载运行，系统电压又过高。
根据各入井负荷计算，正常工作时电抗器压降在180～240伏之间，非生产时间因负荷很小，电抗器上压降很小，由于系统电压存在一定波动范围，往往两者叠加后，造成矿井生产时，井下电压低于5.9千伏下限，而在非生产时间，母线电压高于6.3千伏上限，导至矿井电气设备无法正常工作。
供电部电力调度经常因各生产矿井电压过高或过低问题，采取投切电容器调节电压的办法，来调节系统供电电压，以满足矿井生产需要。此办法虽满足了矿井生产供电电压的需要，但往往功率因数不能满足要求，造成功率因数低或过补情况，影响电网系统的正常运行。
所以，从限流、残压、节能、稳定方面分析，没有必要安装电抗器。
7、取消入井电缆电抗器的经济效益
（1）从表3中可以看出每年可节约电量1296306千瓦时，按照矿井结算电价0.77元/千瓦时计算，年节约资金99.8万元。
（2）目前各矿安装的电抗器，从表2看，有22台不合格（残压不合格15台、额定容量不合格7台），从今年起，将要逐年更换，按2010年计划价7万元/台，需要计划资金154万元，如取消安装，可节省计划资金154万元，仅2010年可节省计划资金42万元（计划更换6台）。另外还将节省一定的安装费用。
（3）从6.4中分析电压波动情况看，常常造成矿井无法按时开工生产，由此对矿井生产造成的影响，其经济损失可能会更大。
综上所述，取消安装电抗器，直接经济效益每年可减少电能损耗1296306kWh，减少电费支出99.8万元，减少电抗器投资费用154万元；间接经济效益虽没有具体统计，可能会更大。 |
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