Глава 18 энергетические показатели режима электропотребления шахт и рудников

18.1. Коэффициент мощности электроустановок

Рост концентрации горных работ в значительной степени обусловливает увеличение мощности электроустановок и потребления электроэнергии современными горнорудными предприятиями. Несмотря на то, что расход электроэнергии составляет незначительную долю затрат в себестоимости полезных ископаемых, добываемых подземным способом, рациональное

использование электрической энергии является важной народнохозяйст-венной задачей.

В горных машинах, предназначенных для подземных разработок, преимущественное распространение получил асинхронный электропривод. Для создания магнитного поля в асинхронных электродвигателях, трансформаторах, реакторах и других электроустановках требуется намагничивающий (реактивный) ток, обусловливающий потребление электроустановками реактивной мощности.

В зависимости от характера электроприемников реактивная нагрузка на предприятии может быть соизмерима с активной нагрузкой, в отдельных слу­чаях превышать последнюю.

Передача значительной реактивной мощности ограничивает пропуcкную способность системы электроснабжения и приводит к следующим негативным последствиям:

• увеличению дополнительных потерь активной мощности ∆Р, обусловленных передачей реактивной мощности Q. Как известно, потери ∆Р пропорциональны квадрату реактивной мощности, поэтому уменьшение потерь в сети может быть достигнуто снижением потребляемой мощности Q;

• увеличению дополнительных потерь напряжения ∆U_Р, что может привести к изменению затрат на средства регулирования напряжения.

Показателем, характеризующим соотношение активной Р и реактивной Q мощностей, потребляемых электроустановкой, служит tg φ.

Текущее значение коэффициента мощности характеризует угол сдвига по фазе между током и напряжением данной электроустановки и может быть определено (среднее для трехфазной системы) по формуле

Представление о коэффициенте мощности электроустановки (или группы электроустановок) за определенный период времени дает средневзвешенное значение

где

• —показания счетчика реактивной энергии за время

t = t₂—t₁,квар-ч;

• —показания счетчика активной энергии за время

t = t₂—t₁, кВт-ч.

Несмотря на то что номинальный коэффициент мощности асинхронных электродвигателей достаточно высокий (0,9 и выше), в практике эксплуатации они часто работают при неполной загрузке, при этом коэффициент мощности электродвигателей снижается до 0,6.

Потери реактивной мощности (квар) в трансформаторах можно оценить по выражению

где

• I_x—ток холостого хода, %;

• U_K —напряжение короткого замыкания трансформатора, %;

• S, S _ном—соответственно передаваемая и номинальная мощность трансформатора, кВ-А.

Ток холостого хода шахтных взрывобезопасных трансформаторов составляет (1,5÷5%) I _ном, изменяясь в сторону меньших значений при увеличении номинальной мощности. Напряжение к.з. шахтных трансформаторов составляет (3,5÷4,5 %) U_ном. Для масляных трансформаторов ГПП шахт и рудников ток холостого хода находится в пределах ( l ÷З % ) I _ном, а напряжение к. з.— (10,5—17,5%) U _ном. Учитывая, что электрическая энергия на своем пути от генератора к потребителям претерпевает две-три трансформации, потребление реактивной мощности в трансформаторах в балансе реактивной мощности энергосистемы можно оценить в 20—25 %. На долю асинхронных электродвигателей приходится примерно 60 % всей потребляемой реактивной мощности, 15—20 % приходится на долю прочих электроустановок.

Принимая во внимание, что на горных предприятиях суммарная установленная мощность асинхронных электродвигателей достигает 90 % общей мощности всех электродвигателей, наиболее важным является снижение реактивной мощности, потребляемой асинхронными электродвигателями.

Повышение коэффициента мощности системы электроснабжения может быть обеспечено двумя способами: естественным путем без применения компенсирующих устройств; искусственным путем с применением компенсирующих устройств.

Мероприятия по снижению потребления электроустановками реактивной мощности должны рассматриваться в первую очередь, так как их реализация не требует значительных затрат. К числу таких мероприятий относятся:

• совершенствование организации технологического процесса, обеспечивающее улучшение энергетического режима электро­установок;

• правильный выбор электродвигателей на стадии проектирования и при эксплуатации. Выбор мощности электродвигателей должен производиться в соответствии с режимом работы производственных механизмов, не допуская излишних запасов мощности. При прочих равных условиях следует отдавать предпочтение асинхронным короткозамкнутым электродвигателям, имеющим лучшие энергетические характеристики по сравнению с электродвигателями с фазным ротором.

Во всех случаях, когда это возможно по условиям обеспечения технологического процесса, целесообразно применение синхронных электродвигателей вместо асинхронных электродвигателей;

• замена малозагруженных асинхронных электродвигателей электродвигателями меньшей мощности. В случаях систематической недогрузки электродвигателей необходимо принимать меры к увеличению нагрузки на производственные механизмы. При загрузке асинхронных электродвигателей менее 45 % номинальной мощности замена всегда целесообразна, в случаях загрузки от 45 до 70 % целесообразность замены проверяется расчетами;

• ограничение холостой работы асинхронных электродвигателей. В режиме холостого хода асинхронные электродвигатели потребляют реактивную мощность порядка 60—65 % номинального значения. Сокращение. потребления реактивной мощности может быть достигнуто исключением холостой работы электроустановок, оборудованных асинхронным приводом, посредством применения устройств ограничения холостого хода, отключающих установки при работе в этом режиме;

• повышение качества ремонта асинхронных электродвигателей. При проведении ремонта недопустимо снижение энергетических показателей, которое может быть обусловлено обточкой роторов, изменением обмоточных данных, расточкой пазов и т. п., что в конечном счете приводит к повышенному потреблению электродвигателями реактивной мощности;

• повышение загрузки трансформаторов в пределах технически допустимых норм. Замена систематически недогруженных трансформаторов на трансформаторы меньшей мощности.

К искусственным мероприятиям повышения коэффициента мощности компенсации реактивной мощности, относятся:

• применение синхронных компенсаторов (СК), представляющих собой трехфазные машины переменного тока, обычно многополюсные, с явно выраженными полюсами. Промышленностью выпускаются синхронные компенсаторы мощностью от 5000 до 160000 квар. Компенсаторы снабжены автоматическим регулятором возбуждения, при перевозбуждении они генерируют реактивную мощность, при недовозбуждении—потребляют. Это качество СК позволяет осуществить плавное регулирование генерируемой реактивной мощности;

• применение конденсаторных установок (КУ). Для получения требуемой мощности отдельные конденсаторы комплектуются в батареи посредством последовательного, параллельного или смешанного соединения их. Конденсаторные установки не могут потреблять реактивную мощность, они могут лишь ее генерировать, в этом состоит отличие режимов работы КУ от СК. К преимуществам КУ по сравнению с другими источниками реактивной мощности следует отнести незначительные потери активной мощности 0,0025—0,005 кВт/квар, простоту эксплуатации из-за отсутствия вращающихся частей, простоту производства монтажных работ и пр. К недостаткам следует отнести зависимость генерируемой реактивной мощности от напряжения и сравнительно малый срок службы (8—10 лет).

Исходными данными для выбора технических средств компенсации реактивной мощности служат:

• оптимальное значение реактивной мощности Q_э1, передаваемой из сетей энергосистемы в течение получаса в периоды максимума активной нагрузки;

• оптимальное значение средней реактивной мощности Q _э2, передавае-мой из сети или генерируемой в сеть энергосистемы за период минимума активной нагрузки;

• заданный энергоснабжающей организацией режим работы компенсирующих устройств.

Значения Q_э1 и Q_э2 задаются потребителю энергоснабжающей организацией на основании данных, характеризующих условия передачи реактивной мощности по сетям энергосистем и потребителей с учетом различных затрат на потери мощности и электроэнергии в районах объединенных энергосистем.

Если в режиме максимальной нагрузки в сети энергосистемы поддерживается повышенное напряжение и, несмотря на полное использование регулировочного диапазона понизительного трансформатора, напряжение на шинах 6—20 кВ оказывается выше номинального более чем на 7%, в качестве Q _э1 задается фактическая реактивная нагрузка потребителя.

Условием экономичной эксплуатации системы электроснабжения шахты (рудника), при соблюдении всех технических ограничений, следует считать [17]:

• получение максимальной скидки с тарифа (2%) за компенсацию реактивной мощности, которая обеспечивается установкой дополнительных компенсирующих устройств мощностью Q_к.д=q^iv _ф1 — Q^IV_э1, где Q^iv _ф1—фактическое значение получасовой реактивной мощности шахты (рудника) в часы максимума энергосистемы для IV квартала, квар;

• поддержание фактической средней реактивной мощности шахты (рудника) в часы минимума энергосистемы, равного заданному значению реактивной мощности за этот период: Q_ф2=Q_э2

Основной тип компенсирующих устройств на шахтах (рудниках) — конденсаторные установки и синхронные электродвигатели.

Для максимальной разгрузки электрических сетей шахты (рудника) от реактивной мощности путем приближения компенсирующих устройств к электроприемникам следует рассматривать возможность установки компенсирующих устройств на ЦПП с учетом ограничений, накладываемых ПБ и ПТЭ угольных и сланцевых шахт.

Установка компенсирующих устройств на ЦПП позволяет уменьшить число стволовых кабелей, снизить потери электроэнергии в элементах системы электроснабжения.