2300XPC電鏟無功功率補償斷路器的改進

劉文濤

（江西銅業(yè)集團有限公司 德興銅礦，江西 德興 334224）

1 引言

2300XPC電鏟電氣采用國外先進的交流電轉(zhuǎn)換成直流電從而驅(qū)動系統(tǒng)［1］。無功功率補償柜提供整流器所需要的無功功率控制部件，同時在挖掘機正常運行期間過濾電氣系統(tǒng)所產(chǎn)生的主要諧波，因此我們采用的是進口無功功率補償斷路器［2］。

德興銅礦1989年～1998年先后引進了四臺2300XPC型電鏟。在日常維護電鏟工作中，更換斷路器是一件繁重的工作，平均更換工作時間是7h左右。無功功率補償斷路器的保護原理是RPC柜內(nèi)的電抗器和電容發(fā)生短路而起到一種保護作用從而防止其他電氣柜發(fā)生更嚴重的損壞。無功功率補償斷路器斷路元件和輔助觸點元件組合，安裝在RPC柜門內(nèi)。當無功功率補償斷路器出現(xiàn)故障時，維修難度大且時間長。早班人員在現(xiàn)場更換時，幾乎都要加班至中班。作為電鏟技術(shù)人員，首要任務(wù)就是合理地優(yōu)化維修程序，減少電鏟故障停機時間。

2 無功功率補償原理

2.1 RPC運行

無功功率補償（RPC）柜包括提供整流器所需要無功功率控制方法的部件，同時在挖掘機正常運行期間向電氣系統(tǒng)所產(chǎn)生的主要諧波提供過濾器。

RPC系統(tǒng)包括以下基本部件：

加法變壓器、KVAR感應(yīng)電壓互感器、KVAR傳感器、智能接口模塊、RPC防火板、脈沖變壓器、開關(guān)部件、反應(yīng)器及電容器。

2.2 功率因數(shù)校正

電樞及磁場換流器的載荷為感應(yīng)電機，要求電磁場運行。這些感應(yīng)載荷要求兩個供電部件運行。

工作功率（KW）執(zhí)行創(chuàng)建運行的實際工作，無功功率（KVAR）用來維持電磁場。

工作功率或者KW消耗的瓦特數(shù)可以由瓦特計來讀出。無功功率或者KVAR不執(zhí)行任何有用的工作，因為無功電流在換流器及電機之間循環(huán)，在電源和配電系統(tǒng)產(chǎn)生更大電流。KW和KVAR一起構(gòu)成視在功率（AP），其可以以千伏安（KVA）來測量。有關(guān)KW、KVAR、以及KVA的圖解表示，如圖1。

圖1 KW、KVAR、以及 KVA 關(guān)系圖

功率因數(shù)（PF）是實際 KW 和流動電流總KVA 的比值。PF 可以使用以下公式來確定。

PF = KW ÷ KVA

PF為1則表示為電源和載荷之間的所有電流消耗在載荷功的產(chǎn)生上［3］。隨著無功電流增加以及功率因數(shù)減少，電流做功的量就會減少。這種電氣條件或者經(jīng)濟情形并不理想，但是可以通過使用無功功率補償系統(tǒng)來克服之［4］。

在連接到交流線上的時候，RPC 系統(tǒng)利用電容器自然趨勢的優(yōu)點來獲得超前電流。RPC系統(tǒng)通過連接和斷開電線上的電容器組，借助于電氣開關(guān)來控制無功功率的電平。

超前電容電流在運動換流器運行中補償其固有的滯后感應(yīng)無功電流。結(jié)果就是總線電流與有功電流相等。在功率方面，有功功率等于視在功率或伏安數(shù)，即功率因數(shù)達到1的地方。

2.3 無功功率補償

KVAR 傳感器 U94B7 對進給電樞整流器的母線中電壓和電流相態(tài)關(guān)系進行比較。KVAR傳感器收到兩個輸入信號，并且產(chǎn)生輸出誤差信號，其與 600VAC 母線上電壓和電流之間的相差成比例關(guān)系。在無載荷的情況下，輸出信號為 0V 或者接近0V，而交流母線上的電壓和電流仍為同相。在載荷增加的情況下，當挖掘機開始挖掘并且使用提升加壓動作的時候， KVAR 傳感器的輸出將會隨著電壓電流相態(tài)關(guān)系的變化而增加［5］。

KVAR 傳感器從 KVAR 感應(yīng)電壓互感器 U94B5和 U94B6 獲得 115VAC。該輸入作為電源以及電壓基準。電流感應(yīng)輸入來自加法變壓器 K02E1 和K06E1。加法變壓器 A 相 K02E1 使用電流互感器來測量 1L1 和 2L1 母線的 A ?線電流。加法變壓器 C 相 K06E1 也使用電流互感器來測量 1L3和 2L3 母線的 C? 線電流。KVAR 傳感器對來自KVAR 感應(yīng)電壓互感器的電壓以及來自加法變壓器的電流進行內(nèi)部分析。輸出誤差電壓代表必需的KVAR 修正因數(shù)，并且應(yīng)用到遠程 I/O 系統(tǒng) 2 模擬電壓輸入高速模塊 U94A8N［6］，如圖2。

圖2 2300XPC挖掘機 RPC 系統(tǒng)的方塊圖

3 無功補償斷路器電流的危害

無功功率補償斷路器的保護原理是RPC柜內(nèi)的電抗器和電容發(fā)生短路而起到一種保護作用從而防止其他電氣柜發(fā)生更嚴重的損壞［7］。無功功率補償斷路器的斷路元件和輔助觸點元件組合，安裝在RPC柜門內(nèi)。當無功功率補償斷路器出現(xiàn)故障時，維修難度大且時間長。

無功功率補償斷路器在電鏟作業(yè)的震動下，常造成無功功率補償斷路器部件松動和接觸不良、觸點氧化，導(dǎo)致輸出電壓極不穩(wěn)定，影響無功補償?shù)姆€(wěn)定性。

實際運行中發(fā)現(xiàn)，無功功率補償斷路器在南方野外下雨環(huán)境下，易出現(xiàn)無功功率補償斷路器高壓會串入低壓輔助觸點信號線，導(dǎo)致RPC遠程站柜內(nèi)元件大部分燒壞嚴重。

4 斷路器串電危害的解決方案

4.1 加入中間繼電器進行阻隔

（1）改RPC遠程站輔助觸點信號從斷路器分離出來；將輔助信號從斷路器中分離移出繼電器箱內(nèi)，同時改裝線路。

（2）加入中間繼電器進行隔離。

加入中間繼電器提供的無功功率補償斷路器保護裝置，器件主要包括：中間繼電器1、無功功率補償斷路器輔助點2、模數(shù)開關(guān)3和電源4，中間繼電器1一端通過導(dǎo)線5與地連接，另一端通過導(dǎo)線5依次串聯(lián)連接無功功率補償斷路器輔助點2、模數(shù)開關(guān)3和電源4的正極端，電源4的負極端與地連接，構(gòu)成一個完整的電路回路，如附圖1所示。中間繼電器1為安全防護繼電器，無功功率補償斷路器輔助點2為帶電閉合開關(guān)，電源4為電鏟低壓電源。提供的保護裝置能及時準確地防護強電串入弱電的故障，簡單實用，安全可靠，經(jīng)濟效果顯著。

如附圖2所示，把保護裝置中的中間繼電器1安裝在無功功率補償斷路器輔助點2與無功功率補償模塊8之間，則可以防護這一部分結(jié)構(gòu)的電壓，并決定無功功率補償斷路器輔助點2的閉合或斷開狀態(tài)。

當電鏟啟動并運轉(zhuǎn)時，強電經(jīng)過母排到無功功率補償斷路器6，通電無功功率補償斷路器6通電吸合，隨后無功功率補償斷路器輔助點2吸合，中間繼電器1得電吸合，并對中間繼電器輔助點7吸合以及對外輸出信號，此時，無功功率補償斷路器輔助點2閉合，由于模數(shù)開關(guān)3處于斷開狀態(tài)，因此中間繼電器1不工作。

當模數(shù)開關(guān)3吸合時，則有兩種狀態(tài)：第一種為無功功率補償斷路器6無強電串入弱電系統(tǒng)正常工作的狀態(tài)，即中間繼電器輔助點7吸合而無功功率補償模塊8中的PLC通訊模塊得到電信號，PLC通訊模塊通訊正常，電鏟可以正常啟動，因而中間繼電器1不起防護作用；第二種為無功功率補償斷路器6發(fā)生短路的狀態(tài)，即強電電壓通過無功功率補償斷路器輔助點2串入，強電到達中間繼電器1，因燒壞中間繼電器1線圈而不再工作，但中間繼電器1可以起到隔離電壓的作用，使中間繼電器1后面的無功功率補償模塊8和元器件處于斷開狀態(tài)，同時模數(shù)開關(guān)3處于斷開狀態(tài)，因而中間繼電器1起到防護的作用，并且PLC通訊模塊能夠提示無功功率補償斷路器6有強電串入弱電故障。如圖3

圖3 加入中間繼電器原理圖

將原來的信號線解除，從繼電器箱內(nèi)繼電器線圈上再引兩根線到斷路器，斷路器通電吸合，輔助觸點得電，繼電器線圈吸合，繼電器輔助信號得電，并信號給PLC，顯示得到信號，形成新的斷路器輔助信號。

圖4 原接線圖

圖5 新接線圖

4.2 制作安裝繼電器箱

（1）繼電器箱組裝。

（2）繼電器安裝。

在RPC柜右方電鏟的墻板上焊接繼電器箱支架；將繼電器箱固定在支架上，再將繼電器箱的出線與斷路器的輔助點端連接。

繼電器箱改進后如下。

圖6 整體式繼電器箱圖

圖7 繼電器箱內(nèi)元件圖

改進后的2300XPC電鏟（12#、14#）的RPC斷路器平均更換時間是2.9h，小于改造前的7h。2017年，電鏟可開動率達到了89%，比2016年84.59%提高了四個百分點。

4.3 取得效果

活動至今，電鏟未出現(xiàn)穩(wěn)壓器故障， 故障時間由原來的7h/次減少為2.9h/次；取得了很好的效果，實現(xiàn)了我們改進的目的。

圖8 攻關(guān)后的RPC斷路器故障時間標注狀圖

5 結(jié)束語

礦山工程技術(shù)人員經(jīng)過幾月對電鏟無功補償斷路器技術(shù)的創(chuàng)新，完成了斷路器的改進，改造至今，電鏟未出現(xiàn)串電故障。 實現(xiàn)了無功補償斷路器的改造。達到了電鏟斷路器的技術(shù)要求，確保電鏟的穩(wěn)定，提高了電鏟的可開率。執(zhí)行了鞏固措施后，今年故障和更換時間比以往又有所縮短，實施效果得以維持。并將改造創(chuàng)新推廣到6#、12#、13#鏟。

這項改進減少了電鏟停機時間，提高電鏟作業(yè)率，提高了技術(shù)創(chuàng)新能力，為礦山的不斷發(fā)展提供了一個好的基礎(chǔ)。