盾構(gòu)機無功功率補償系統(tǒng)分析

郇利民 楊金虎 韓佳霖

摘 要：在盾構(gòu)機電網(wǎng)系統(tǒng)中，無功功率補償是一個被忽略的問題，在現(xiàn)場運行過程中，無功補償裝置故障率非常高。表現(xiàn)在回路熔斷器燒毀或者補償電容燒毀。我們的盾構(gòu)機所采用的都是標準型補償方式，這種補償方式在盾構(gòu)機這個存在嚴重諧波污染的電網(wǎng)中所起作用利弊難以權(quán)衡。文章以一項目為例，通過計算系統(tǒng)功率因數(shù)及污染程度，結(jié)合現(xiàn)場問題，提出調(diào)諧型補償方式。并詳述計算過程。

關鍵詞：盾構(gòu)機；功率因數(shù)；無功功率；調(diào)諧補償

引言

在盾構(gòu)機電網(wǎng)系統(tǒng)中存在大量的感性負載，感性負載消耗著大量的無功功率，無功功率的存在對電網(wǎng)的影響主要有以下幾個方面：無功功率增加，導致電流增大和視在功率增加，從而使變壓器、控制設備和導線等電器設備容量增加；供電設備及線路損耗增加；變壓器及線路的電壓降增大，使電網(wǎng)電壓產(chǎn)生波動。

1 盾構(gòu)施工現(xiàn)場存在的問題

在現(xiàn)場運行過程中，幾乎所有設備上的無功功率補償系統(tǒng)都存在以下的問題：現(xiàn)場檢測功率因數(shù)值偏低；始發(fā)不久就會出現(xiàn)補償回路的熔斷器燒壞，甚至有的工地電容器燒壞。針對此現(xiàn)象，對此問題做了以下分析。

1.1 項目分析

以直徑6.28m土壓盾構(gòu)機項目為例，數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 滿載運行功率參數(shù)

按照如上計算結(jié)果，除拼裝模式功率因數(shù)低于0.9外。整個電網(wǎng)系統(tǒng)無需補償就可以達到用電標準。但現(xiàn)場會發(fā)現(xiàn)實際檢測功率因數(shù)值有時候會低至0.6。出現(xiàn)這種現(xiàn)象是因為在計算過程中忽略了一個很重要的因素：電機負載。上述計算結(jié)果是在電機滿載運行時候的功率因數(shù)計算出來的。實際上，在掘進模式還是拼裝模式下，不是所有運行中的電機都能在額定功率下運行。電機在額定功率下的功率因數(shù)在0.9左右。小于額定功率運行時的功率因數(shù)為額定運行條件下的50%左右?？蛰d運行則更低只有20%左右。所以，如果按此情況根據(jù)現(xiàn)場實際電機使用率做個估算，其結(jié)果如下表2所示：（下列結(jié)果都以滿載功率因數(shù)的50%計算）

表2 50%負載運行功率參數(shù)

由表2可以看出，計算結(jié)果中功率因數(shù)已經(jīng)小于0.9。這就說明，現(xiàn)場設備運行時，所有參與工作的電機都不在滿負載狀態(tài)工作，甚至有些電機長時間處于空載。所以導致現(xiàn)場檢測功率因數(shù)值比估算結(jié)果還要低。這就說明了前面提到的現(xiàn)場檢測功率因數(shù)偏低的現(xiàn)象。

2 補償原則

2.1 盾構(gòu)機電網(wǎng)無功補償原則

盾構(gòu)機上存在著非線性負載如刀盤主驅(qū)動變頻器。非線性負載產(chǎn)生大量諧波電流并注入到系統(tǒng)電網(wǎng)中。當電網(wǎng)存在諧波時，單純并聯(lián)電容器組的無功補償方式有如下弊端：并聯(lián)電容對諧波有放大作用，易發(fā)生串聯(lián)諧振或并聯(lián)諧振，使系統(tǒng)電壓及電流的畸變更加嚴重；由于諧波電流疊加在電容器基波電流上，使電容器的電流有效值增大，造成溫度升高，燒壞回路熔絲甚至燒壞電容器。

從表1可知，整個系統(tǒng)在掘進模式下的諧波污染大約為57%。無功功率補償原則為，當諧波污染大于25%時，就應該采取調(diào)諧型補償。調(diào)諧型補償即在補償回路中串聯(lián)電抗器。它可以有效抑制諧波，防止發(fā)生諧振。而盾構(gòu)機的電網(wǎng)系統(tǒng)全部采用標準補償，這種補償方式在諧波污染如此嚴重的系統(tǒng)中無疑會出現(xiàn)諧振，放大諧波。導致電容器過載，產(chǎn)生發(fā)熱或燒壞。

2.2 調(diào)諧型補償算法

盾構(gòu)機電網(wǎng)系統(tǒng)的諧波次數(shù)一般為5次。根據(jù)并聯(lián)電容裝置設計規(guī)范對調(diào)諧補償裝置的電抗率規(guī)定。背景諧波為5次及以上時，電抗率K取4.4%～6%。

3 結(jié)束語

與純電容補償回路相比，串聯(lián)電抗器后，電容器端電壓會升高，高于電網(wǎng)電壓，并使無功功率補償容量增加。所有選取電容器的設計電壓需要高于電網(wǎng)電壓，選擇與之匹配的電抗器。同時電抗率是該裝置的重要參數(shù)，這一參數(shù)需根據(jù)電網(wǎng)頻譜特性選擇。此種補償方式能使回路的調(diào)諧頻率低于網(wǎng)絡中產(chǎn)生的最低次諧波頻率。這樣，該裝置在工頻時呈容性，改善功率因數(shù)；在諧波頻率時呈感性，防止諧波放大，防止產(chǎn)生過大的沖擊電流。燒壞回路的元器件。所以，串聯(lián)進電抗器后的補償回路不會出現(xiàn)上面所說的燒壞回路斷路器或者電容器的現(xiàn)象。

提高整個系統(tǒng)的功率因數(shù)，有利于充分利用電源設備容量，改善供電質(zhì)量，同時也是響應國家節(jié)能環(huán)保號召的實際體現(xiàn)。

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