選礦廠試驗(yàn)室配電中的誤區(qū)及分析

馬萬(wàn)里

(1.中鋼集團(tuán)馬鞍山礦山研究院有限公司；2.金屬礦山安全與健康國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室)

選礦廠試驗(yàn)室配電中的誤區(qū)及分析

馬萬(wàn)里1，2

(1.中鋼集團(tuán)馬鞍山礦山研究院有限公司；2.金屬礦山安全與健康國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室)

對(duì)選礦試驗(yàn)室配電中出現(xiàn)的設(shè)備負(fù)荷性質(zhì)不分、負(fù)荷整定計(jì)算不嚴(yán)密和微型斷路器的選擇不當(dāng)3大誤區(qū)進(jìn)行了詳細(xì)分析，并提出了解決方法。其中，通過(guò)對(duì)三相負(fù)荷電氣矢量圖進(jìn)行分析從而得出多種負(fù)荷折算為三相負(fù)荷的方程，給出了ABB微型斷路器(MCB)的K曲線用以確認(rèn)對(duì)電機(jī)類(lèi)試驗(yàn)室負(fù)荷的適用性。

試驗(yàn)室配電 等效三相負(fù)荷方程 電機(jī)類(lèi)試驗(yàn)室負(fù)荷 微型斷路器

試驗(yàn)室是礦山行業(yè)選礦車(chē)間必須配備的，擔(dān)負(fù)著檢查和篩選礦石質(zhì)量的任務(wù)。試驗(yàn)室又細(xì)分為磨礦、磁選、破碎及分析化驗(yàn)等多種工序，因而需要各種各樣的試驗(yàn)設(shè)備來(lái)完成相關(guān)試驗(yàn)與檢測(cè)。對(duì)于不同功率，不同電壓等級(jí)的試驗(yàn)設(shè)備，如何進(jìn)行正確并合理配電，便成了擺在配電設(shè)計(jì)者面前的一個(gè)難題，為此本文就試驗(yàn)室配電中所產(chǎn)生的幾個(gè)誤區(qū)進(jìn)行了分析，希望給配電設(shè)計(jì)者提供參考借鑒。

1 試驗(yàn)室配電中的3大誤區(qū)

1.1 設(shè)備負(fù)荷性質(zhì)不分(誤區(qū)1)

試驗(yàn)室中經(jīng)常將單相負(fù)荷、相間負(fù)荷與三相負(fù)荷不加區(qū)分，一概論處之。試驗(yàn)室中的眾多設(shè)備各自用途不同，根據(jù)電壓的不同，可分為以電熱板為主的單相負(fù)荷、以大功率電熱蒸餾水制取器為主的相間負(fù)荷和以需要電機(jī)拖動(dòng)的磨礦機(jī)一類(lèi)的三相負(fù)荷，三者要求不同。有些配電設(shè)計(jì)者用工業(yè)插座箱來(lái)進(jìn)行配電，工業(yè)插座箱可以集成三相插座和單相插座于一身，從而對(duì)各類(lèi)試驗(yàn)設(shè)備不加區(qū)分的進(jìn)行配電。這種做法看似省事簡(jiǎn)單，在理想的配電系統(tǒng)中，三相電壓源、電流源應(yīng)為幅值大小相等、相角差為120°的3個(gè)矢量，由于對(duì)各類(lèi)試驗(yàn)設(shè)備不加區(qū)分進(jìn)行配電，往往會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)產(chǎn)生三相不平衡，當(dāng)不平衡度超過(guò)一定范圍時(shí)，將會(huì)產(chǎn)生一定的負(fù)序電流和負(fù)序電壓，從而改變某些試驗(yàn)設(shè)備內(nèi)部電機(jī)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的分布，影響設(shè)備正常運(yùn)行，嚴(yán)重者會(huì)導(dǎo)致終端開(kāi)關(guān)的誤動(dòng)作，從而大大降低供電可靠性。所以，應(yīng)根據(jù)試驗(yàn)室設(shè)備說(shuō)明書(shū)提供的用電要求按照單相負(fù)荷、相間負(fù)荷及三相負(fù)荷進(jìn)行分類(lèi)，將單相負(fù)載盡可能的按照功率均分在A、B、C三相中，相間負(fù)載盡可能的按照功率均分在AB、BC及CA相間。

1.2 負(fù)荷整定計(jì)算不嚴(yán)密(誤區(qū)2)

試驗(yàn)室整定計(jì)算中將功率值劃歸為三相負(fù)荷功率，不進(jìn)行相關(guān)換算，直接進(jìn)行簡(jiǎn)單的疊加計(jì)算。參考工藝給定的設(shè)備功率，不加以區(qū)分而進(jìn)行數(shù)量上的疊加進(jìn)而求得總功率，進(jìn)而確定進(jìn)線開(kāi)關(guān)整定值，這種算法難免產(chǎn)生較大的誤差，從而引起進(jìn)線開(kāi)關(guān)熱脫扣器無(wú)法有效工作。三相負(fù)荷、相間負(fù)荷及單相負(fù)荷必須劃歸到同一種類(lèi)負(fù)荷條件下才能進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，一般情況下，將等效三相負(fù)荷作為目標(biāo)轉(zhuǎn)換負(fù)荷，按照如下幾種情況進(jìn)行分析考慮。

(1)如果只有單相負(fù)載，即全部劃歸成單相負(fù)荷后，等效三相負(fù)載功率取最大相負(fù)載功率的3倍[1]，即：

(1)

式中，Pe、Qe分別為等效三相負(fù)載有功功率和無(wú)功功率；Pθmax為A、B、C三類(lèi)單相負(fù)載中最大的一相負(fù)載有功功率；φ為功率因數(shù)角，下同。

(2)相間負(fù)載功率Pab按照發(fā)熱等效原理，換算前后的線電流必須相等，故等效三相負(fù)載功率為：

(2)

公式(2)表明相間負(fù)載功率換算成等效三相負(fù)載功率后，增大了1.732倍[1]，φab為該相間負(fù)載功率因數(shù)角。

(3)有相間負(fù)荷Pab、Pca，相對(duì)于a相，可求得Pab、Pca在a相方向上的有功及無(wú)功分功率：

(3)

式中，P(ab)a、P(ca)a假定換算為a相有功功率的換算系數(shù)；q(ab)a、q(ca)a假定換算為a相無(wú)功功率的換算系數(shù)。

p(ab)a、p(ca)a及q(ab)a、q(ca)a的推導(dǎo)及關(guān)聯(lián)可由圖1所示的相間負(fù)載電壓電流向量圖進(jìn)行推導(dǎo)(試驗(yàn)室負(fù)荷多為感性負(fù)荷)，即

(4)

式中，Ipa、Iqa分別表示為a相有功及無(wú)功電流。

圖1 相間負(fù)載電壓電流相量

故對(duì)照公式(3)及公式(4)可得：

(5)

若兩個(gè)相間負(fù)荷的功率因數(shù)相等，即φab=φca時(shí)，則有p(ab)b+p(ca)a=1，q(ab)b+q(ca)a=tanφab；若兩個(gè)相間負(fù)荷功率也相等，即p(ab)=p(ca)，則有

(6)

取其3倍作為等效三相負(fù)荷，則有：

(7)

公式(5)表明2個(gè)相等的相間負(fù)載功率疊加換算成等效三相負(fù)載功率后，增大了1.5倍[1]。

綜合上述分析，對(duì)于目標(biāo)三相負(fù)荷的轉(zhuǎn)換，其難點(diǎn)為相間負(fù)荷的轉(zhuǎn)換，對(duì)此可提出一種對(duì)相間負(fù)荷的分析方法(見(jiàn)圖2)，有相間負(fù)荷p1、p2、p3，設(shè)p1>p2>p3，cosφ1≠cosφ2≠cosφ3，經(jīng)分解和換算，可得公式(6)：

p三相(合)=3p單相(max)+p三相+3p3+3(p2-p1)

(8)

式中，p三相(合)表示等效后的三相負(fù)荷功率;p單相(max)表示單相負(fù)載中重功率最大一相的功率值;p三相為試驗(yàn)室中電機(jī)類(lèi)三相負(fù)荷。

圖2 相間負(fù)荷等效三相負(fù)荷示意

1.3 微型斷路器的選擇不當(dāng)(誤區(qū)3)

微型斷路器(簡(jiǎn)稱(chēng)MCB)是在配電系統(tǒng)中應(yīng)用面很廣的終端設(shè)備，若選擇了不合適的MCB，將會(huì)造成慘重的損失。IEC898《家用裝置及類(lèi)似裝置用斷路器》(GB10963—1999)明確規(guī)定，MCB不能用于對(duì)電動(dòng)機(jī)的保護(hù)，即不能對(duì)電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)進(jìn)行有效的熱保護(hù)，只能對(duì)配電線路(如電線電纜)進(jìn)行保護(hù)。在此方面，相關(guān)技術(shù)人員較易忽視，而一些生產(chǎn)廠商的樣本和設(shè)計(jì)資料手冊(cè)在此問(wèn)題的說(shuō)明上也是含糊不清。試驗(yàn)室中很多試驗(yàn)設(shè)備需要電動(dòng)機(jī)進(jìn)行有效拖動(dòng)，電動(dòng)機(jī)在起動(dòng)瞬間存在一個(gè)(5～7)In(In為電動(dòng)機(jī)額定運(yùn)行電流)持續(xù)時(shí)間為10s的起動(dòng)電流，一般MCB的磁脫扣電流為(5～10)In，可以保證在電動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)避過(guò)浪涌電流；但對(duì)熱過(guò)載保護(hù)來(lái)講，其過(guò)載保護(hù)的動(dòng)作值整定于1.45In，也就是說(shuō)電動(dòng)機(jī)定子繞組要承受45%以上的過(guò)載電流時(shí)MCB才能脫扣，而定子繞組只能夠承受20%以?xún)?nèi)的過(guò)載電流，其結(jié)果將會(huì)導(dǎo)致定子繞組間絕緣損壞，燒毀電機(jī)。

根據(jù)上述情況，參考相關(guān)廠家的MCB樣本，對(duì)于電機(jī)拖動(dòng)類(lèi)試驗(yàn)設(shè)備可選用ABB公司特有K特性的MCB，該設(shè)備符合IEC947—2標(biāo)準(zhǔn)。若沒(méi)有相關(guān)條件，可采用MCB外加熱繼電器的方式，即由熱繼電器對(duì)電動(dòng)機(jī)提供熱過(guò)載保護(hù)，MCB對(duì)電動(dòng)機(jī)提供短路保護(hù)[2]。

K特性是ABB特有的脫扣特性并經(jīng)70 a的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于電動(dòng)機(jī)配電系統(tǒng)保護(hù)中。在ABB微型斷路器樣本中可查閱K曲線保護(hù)特性圖，由圖中可看出K特性的1.2倍熱脫扣動(dòng)作電流可有效地保試驗(yàn)室電機(jī)拖動(dòng)設(shè)備的安全運(yùn)行，而10～14倍磁脫扣動(dòng)作范圍可與電機(jī)拖動(dòng)設(shè)備運(yùn)行相配合，有較高的抗沖擊電流能力。

2 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)詳細(xì)分析試驗(yàn)室配電中存在的3大誤區(qū)，提出了試驗(yàn)設(shè)備負(fù)載的準(zhǔn)確分類(lèi)、不同負(fù)荷轉(zhuǎn)換成三相負(fù)荷的方程及選礦試驗(yàn)室對(duì)于微型斷路器的正確選型，為其他礦山配電工作者在實(shí)際運(yùn)行和操作中提供了參考借鑒。

[1] 周鴻昌.不對(duì)稱(chēng)單相負(fù)荷的換算方法[J].建筑電氣，1985(2)：1-4.

[2] 李治綱，李峰濤，王 偉.微型斷路器的選擇與使用[J].新西部，2007(14)：235-236.

2015-01-16)

馬萬(wàn)里(1986—)，男，助理工程師，243000 安徽省馬鞍山市經(jīng)濟(jì)技術(shù)開(kāi)發(fā)區(qū)西塘路666號(hào)。