1 概况
哈尔乌素露天煤矿在2008年8月份购置了2台1 800 kW／6．3 kV移动发电车，车上配套使用的发电机组为康明斯英国新时代交流发电机公司生产。2台移动发电车在露天矿主要担负着为坑下大型用电穿采设备更换作业位置时启机、行走提供电源，要求能够满足哈尔乌素露天煤矿使用的电铲和钻机等穿采设备正常启动行走要求，但是在现场生产实际使用过程中，无法启动露天矿使用的1190E钻机，经过矿供电技术人员结合1190E钻机的技术参数对钻机进行了长期观察，发现当1 190E钻机投入自耦降压启动装置时，启动电流一般在350 A左右变化。全启动时启动电流相当于额定电流的4．4倍左右。但是露天矿1 800 kW移动发电车发电机输出的最大过载电流为309 A，所以1190E钻机即使投入自耦降压启动装置启动电流大于移动发电车的最大输出电流，仍然无法启动1190E钻机。经过分析：主要由于移动发电车的输出功率较小，而且发电机组本身属于阻感性负载(电阻性+电感性)，功率因数较低，导致最大输出电流达不到1190E钻机的启机电流。下面是感性负载、电容、电阻在交流电路中的电流电压特性：
①纯电感电路中，电流电压相位相差90。，电流滞后电压；②纯电阻电路中，电流电压相位相同；
③纯电容电路中，电流电压相位相差90。，电压滞后电流。
由于发电机组为阻感性负载，其等效电路电压特性如下：①用电负载，其电流与电压相位差为函，该角度介于0～90。，电压超前电流；②其中视在功率S=U／，由于电压与电流方向不一致，计算是把电压分解为2个分量，与电流方向一致的分量％，与电流方向垂直的分量巩，功率等于电压与电流之积，因此功率也可分为2个分量。
通过以上对感性负载、电容、电阻在交流电路中的电流电压特性中的分析发现，要想提高发电机组的输出功率需进行无功补偿，由于发电机组本身属于阻感性负载，所以可以通过给发电机组加装电容来提高发电机组的功率因数COS妒，从而提高发电机组有功功率P=Scos妒，提高输出电流来满足1190E钻机的启动。为此，决定为1 800 kW发电车增加补偿电容来改善功率因数[1]。并联电容器补偿是目前电力系统使用最广泛的一种无功补偿。作为无功补偿设备，电容器有以下显著优点：不论采用分散还是集中地补偿方式，均能较好的满足就地补偿的要求；电容器的损耗低，效率高。现代电容器的损耗只有本身容量的0．02％左右。调相机除了本身的损耗外，其附属设备还需用一定的所用电，损耗2％～30％，大大高于电容器；由于制造技术的提高，使用了微机自动控制(VQC)投、切电容器，配合以设备上变压器自动调整运行电压的措施后，不仅使补偿容量调节灵活，同时提高了设备运行的安全性，而且产生了很好的经济效益；自动电容器是静止设备，运行维护简单，没有噪音。调相机为旋转电机，运行维护很复杂；并联电容器是电力中用得最多的一种无功功率补偿设备，目前国内外电力系统中90％的无功补偿设备是并联电容器。对补偿电容的结构元件进行选型，对元件和电容柜整体结构安装进行了设计。
2、高压无功就地补偿装置电器元件设计选型
2．1 高压侧电器元件选型
采用深圳市三和电力科技有限公司生产的单相电力电容器，其主要作用为把其与感性负荷(发动机组)并联接在同一电路，当电容器释放能量时，感性负荷吸收能量；而感性负荷释放能量时，电容器却在吸收能量，能量在2种负荷之问互相交换这样感性负荷所吸收的无功功率可由容性负荷输出的无功功率中得到补偿；该电容器主要特点为：电容选用优质材料聚丙烯薄膜为介质，采用全膜结构，发热少，损耗极小；并采用环保型的高稳定性无毒浸渍剂，密封性能好，电容器内自带放电电阻，电容器从电网脱离，经内部放电电阻自动放电，在5 rain内将残留电压降低到50 v以下[2]。通过多次试验计算测得，启动时的功率因数为0．3，为算出本次电容补偿，设启动时的功率因数为0．3。启动时的功率因数：COSp，=0．3补偿后启动时的功率因数：COS妒。=0．4选择电容器Q。时需要考虑的因数。电容器选择过大，引起电动机自励磁过电压。电容器容量Q。选择值为600 kvar。电容器对电压十分敏感，因电容器的损耗与电压平方成正比，过电压会使电容器发热严重，电容器绝缘会加速老化，寿命缩短，甚至电击穿。因此，电容器装置应在额定电压下运行，一般不宜超过额定电压的1．05倍，最高运行电压不宜超过额定电压的1．1倍。选择高压无功就地补偿装置(电容器)为深圳市三和电力科技有限公司生产的产品。产品型号：HVCR一6．3—600、额定容量(Q。)：600 kvar、额定电压(砜)：6 300 V、额定电流(，N)：52．5 A。电容补偿柜中的电抗器采用三相干式铁芯电抗器，磁性铁心设备由于其非线性，是谐波的首要产生源。当今的电力电子技术应用产生了更加严重的谐波。谐波严重地污染了电网，可以说现在电网谐波无处不有处处有。使用电容器时更把谐波放大甚至发生某次谐波谐振，危及电网安全。为避免这种事端的发生，采用电容器回路串电抗器解决。用以抑制谐波电流和限制合闸涌流；与电容器组构成全谐振回路，滤除特征次谐波。线圈采用环氧树脂浇注，动、热稳定性能好。没有射频干扰电磁兼容性好，损耗小等特点[3]。高压熔断器选用喷逐式高压熔断器作为电容器内部故障保护，该熔断器为开断容性小电流特性好，因此主要是用于并联电容器的单台过流保护，切断故障电容器，保证完好电容器的正常运行。耐爆能量15 kJ。
电流互感器采用LZZX一10Q 100／5A的互感器，和电流表配套对装置的电流进行检测与显示。氧化锌避雷器选用的为电容器专用氧化锌避雷器，主要作用是在电容器组的分闸过程中，断路器有一定的重燃率，一旦发生重燃就会产生较高的过电压，危害电容器及其相邻的电器设备，为了限制这种过电压，安装了江苏省溧阳市目湖避雷器厂生产的电容器专用型号为YH5WR一10／27的氧化锌避雷器用以限制投切电容器组引起的操作过电压。高压带电显示器与电磁锁、电压传感器配合使用，具有强制闭锁功能，确保操作人员的安全。并有高压已带电的警示作用，防止人员误操作。在高压无功就地补偿装置上一级安装了断路器QF，断开此级断路器时，可以断开高压无功就地补偿装置的电源，高压无功就地补偿装置带电显示器无来电显示，柜门电磁锁释放，柜门可以开启，按照检修步骤对高压无功就地补偿装置可以安全的进行检修工作。高压无功就地补偿装置一次电气原理图如图1。图1中：①0F：上一级断路器；②TA：电流互感器，LZZX—lOQ 100／5A，准确级0．5；③CT：电流互感．，F器，变比：X／5；④C：并联电容器，BAM6．6／～一200—1；⑤FU：高压限流式容断器，FFLDJ一12／100—50，额定电流100A；⑥L：干式铁心串联电抗器，CKSC一6／6．6—1；⑦Fv：氧化锌避雷器，YH5WR一10／27；⑧H：高压带电显示器，DXN一7Q AC220V，含绝缘子传感器CG。
2．2控制回路电气元件选型
为了让高压无功就地补偿装置在日常作业过程中可以根据钻机的启动电流实现自动控制，在高压无功就地补偿装置的控制回路加装了“自动／手动”钥匙转换开关SW、电流继电器、中问继电器、真空接触器、指示灯、急停按钮、低压熔断器等，当高压无功就地补偿装置在检修之后或试运行时需要将钥匙转换开关SW旋转到“手动”，然后按下与其配套的真空接触器KM合闸按钮HB来检查高压带电显示器上的仪表、指示灯是否正常，观察各高压元件是否出现异常情况，其中在分合闸按钮上对应的有红绿指示灯，确保各元器件处于正常状态。在日常使用过程中主要采用自动运行，将进线柜“自动，手动”钥匙转换开关SW旋转到“自动”位置，通过电流继电器方可实现根据设备的启动电流大小实现自动控制。电流继电器是在电动机启动期问根据启动电流来实现自动控制真空接触器的合闸及分闸。在电流继电器上可以设置过电流参数、复位参数、动作延时时问、启动锁定时问设置，在发电机组启动大型用电设备过程中，当检测到用电设备的启动电流大于该设置值时，并且达到了动作延时时问所设置的时问，继电器动作，真空接触器合闸，电容器投入运行。当检测到电动机的电流小于复位值时，电流继电器复位，真空接触器分闸，电容器退出运行。电流继电器上有3个指示灯，电源指示灯(绿色：PWR)指示灯在电源接通时亮，继电器动作状态指示器(黄色：RY)继电器动作时亮灯，警报指示器(红色：ALM)有过电流或欠电流时亮灯，指示器闪烁表示动作时问正在计时，输入已经超过了极限的错误状态。电流继电器动作图如图2、图3。
在高压无功就地补偿装置的正面配有急停按钮，运行过程中发生故障或紧急状态时，无论装置处于自动还是手动运行状态，都必须立刻按下“急停按钮”，可以立即停止高压无功就地补偿装置工作，阻止故障或紧急情况的进一步发生。控制回路主要电器元件选型如图4。图4中：①KM：真空接触器，JCZ5—7．2D／D400AC220V；②DL：电流继电器，K8AB—AS2 AC220V，整定范围0．8—8A；③KA：中问继电器，B12—30—01AC220V；④SW：钥匙转换开关，LW39—16CYS一60B；⑤HB：合闸按钮，LAY50—22D一20／R 2开；@TB：分闸按钮，LAY50—22D一02／G 2闭；⑦SB：急停按钮，LAY50—22B一02Z／R 2闭；⑧HR：合闸指示灯，AD56—22DS／R31 AC220V，红色；⑨HG：分闸指示灯，AD56—22DS／G31 AC220V，绿色；⑩FU01、FU02：低压熔断器RTl4—20 4 A熔心电流4 A。
3、改造后的使用效果
发电机组加装电容补偿装置后，在补偿装置设置为自动投入时，需根通过单相电流继电器K8AB—AS2和1190E钻机的自耦降压启动装置上的时问继电器来实现的。在生产现场启动1190E钻机的试验中，调节好电流继电器和时问继电器的匹配是关键，当启动电流达到150 A时，投入电容补偿。由于1190E钻机采用自耦降压启动装置，由降压启动切换到全启动过程中将产生反冲过高的电压，所以决定在1190E钻机投入全启动之前，先甩掉电容补偿装置，然后投入全启动。最终将调整电流继电器过电流参数(SV)60％，复位值(HYS)7％，动作延时时问值(T)0．1 S，启动锁定时问值(LOCK)O S。时问继电器调整到10 S。当启动电流达到288 A时，电容补偿投入。流达到267 A时甩掉电容补偿。1 190E钻机的时问继电器参数调整到10 s后投入全启动。此时发电机组的电压为6．4 kV，频率50 Hz，可以启动1190E钻机。考虑到电容器合闸时由于电容器两端的电压不能突变，所以电容器将受到很大的涌人电流：一种是来自电发电机组的涌人电流，由于受到回路阻抗的影响，涌人电流在十几倍左右不算很大；另一种是已经投入运行的电容器对刚投入运行的电容器放电，此涌流由于回路阻抗较小将达到几百倍，这对电容器寿命构成威胁。尤其对金属化电容器而言，由于其结构特点，无感绕法涌流更大、元件端部导电部位(端头喷金)导电接触比较薄弱，更怕涌流。涌流对金属化电容器双重致害[4_印。解决减小涌流的办法，现在大部分补偿装置使用电容器投切专用交流接触器控制投入型补偿装置接触器，这种接触器有1组串联限流电阻与主触头并联的辅助触头，在接触器吸合的过程中，辅助触头首先接通，使电容器通过限流电阻接人电路进行预充电，然后主触头接通将电容器正常接人电路，通过这种方式可以将涌流限制在电容器额定电流的20倍以下。
4、结 语
通过为康明斯发电机出租加装正确合理的电容器以及对高压无功就地补偿装置中各电器元件的参数进行精密的计算、设计到最后的安装，通过补偿无功功率，提高功率因数，加上合理设计控制回路，选择合理的电器元件，实现电容器正常的自动投入、退出，最终实现了1 800 kW发电车顺利启动1190E钻机。
