劉 峰

（大同煤礦集團(tuán)同煤晉華宮礦，山西大同 037003）

1 煤礦變壓器類型

1.1 普通礦用變壓器

此類變壓器大多運(yùn)用在不含有煤氣、瓦斯等易爆氣體的安全場所，其主要功能是照明和日常低壓動(dòng)力。現(xiàn)階段應(yīng)用最廣的普通礦用變壓器為KS9和KS7，它的主要特征在于能耗較低。從結(jié)構(gòu)上講，KS7系列的變壓器具有較高的機(jī)械強(qiáng)度和較堅(jiān)固的油箱，在油箱的上部安裝有油枕，可以避免因油管受堵而產(chǎn)生事故。在油箱的頂端安裝了吸油器、吊環(huán)及注油塞，有助于吸油及注油的油箱濕氣、變壓器油的熱空氣通過注油塞排出[1]。在低壓側(cè)及高壓側(cè)分別設(shè)置了6和3個(gè)接線柱，用戶可以通過三角形或者星形來進(jìn)行連接。若低壓側(cè)的額定電壓為660 V，其380 V變壓器的容量通常低于200 kVA，若其額定電壓為1 140 V，其660 V變壓器的容量通常高于315 kVA。

在變壓器的高壓側(cè)配置有±5%的分接頭，當(dāng)其二次側(cè)的輸出電壓長期維持較低時(shí)，可將分接頭調(diào)節(jié)到-5%；當(dāng)輸出電壓維持較高時(shí)，可以將分接頭調(diào)節(jié)到+5%。因分接頭未設(shè)置相應(yīng)的有效措施，因此必須在停電之后，才可以進(jìn)行調(diào)節(jié)。分接頭的轉(zhuǎn)換步驟為：斷開低壓開關(guān)—斷開高壓電源—切換分接頭。采用冷軋硅鋼片來制作變壓器的鐵心，可以避免變壓器產(chǎn)生一系列的故障[2]。

1.2 礦用隔爆型變壓器

為了使隔爆需求得以滿足，礦用隔爆型變壓器應(yīng)當(dāng)根據(jù)隔爆的規(guī)范來研制外殼，殼體的內(nèi)部可以承受高壓。目前，煤礦井下移動(dòng)變電站所運(yùn)用的變壓器為KGSB系列的礦用隔爆型變壓器，此類變壓器的外殼上端設(shè)計(jì)為長方形，其兩端都配置了高壓及低壓隔爆接線盒，外殼的底部套管是高低壓進(jìn)出線通道，在接線盒上安裝有急停開關(guān)、閉鎖開關(guān)及高低壓開關(guān)箱。

此類變壓器的主要特征是變壓器處于隔爆外殼上，鐵心及線圈不必浸泡于液態(tài)物質(zhì)中，因不含有可燃油，因此導(dǎo)致其使用過程具備較強(qiáng)的安全性，且便于維修，但其不具備較強(qiáng)的絕緣性及散熱性，為了使其具備較強(qiáng)的機(jī)械韌性及較好的散熱性，外殼應(yīng)當(dāng)運(yùn)用楞狀鋼材圈[3]。普通變壓器與隔爆型礦用變壓器的區(qū)別如表1所示。

表1 隔爆型礦用變壓器和普通型變壓器的區(qū)別特征

2 變壓器的諧波耗能機(jī)理分析

作為照明及動(dòng)力裝置，變壓器在配電體系中有著廣泛的運(yùn)用，通過對繞組匝數(shù)比加以調(diào)整，可以有效地改變電流或電壓的大小。目前，變壓器具有較多的額定電壓及容量等級，可以實(shí)現(xiàn)礦業(yè)的生產(chǎn)需求。通常情況下，礦用變壓器的容量是發(fā)電機(jī)的2～3倍，且前者具有較好的效率，但是因使用量過大，導(dǎo)致其損耗問題日益突出。

2.1 礦用變壓器受諧波影響分析

變壓器會(huì)產(chǎn)生一定的諧波，而諧波對電網(wǎng)有著嚴(yán)重的影響。在煤礦的開采過程中，諧波問題通常會(huì)導(dǎo)致礦用電能的質(zhì)量降低，對其正常運(yùn)行有著較大的影響。質(zhì)量較高的電能屬于相應(yīng)的正弦交流電，電壓相同，頻率的波動(dòng)幅度較小[4]。當(dāng)電流受到外部干擾時(shí)，其所產(chǎn)生的波形將會(huì)產(chǎn)生偏差，電能的質(zhì)量也會(huì)降低。特別是當(dāng)負(fù)荷中存在較多的非線性負(fù)載之時(shí)，系統(tǒng)的電流將會(huì)產(chǎn)生異常變化，進(jìn)而導(dǎo)致諧波的形成。當(dāng)存在較大諧波時(shí)，配電體系將會(huì)受到嚴(yán)重的影響。除了增加損耗之前，也會(huì)產(chǎn)生效率較低、設(shè)備受損等狀況，嚴(yán)重威脅著工作人員的安全。

在配電體系中，諧波主要通過使變壓器產(chǎn)生較大的能耗，而導(dǎo)致變壓器構(gòu)造發(fā)熱。此外，諧波的存在將導(dǎo)致變壓器出現(xiàn)震動(dòng)，進(jìn)而產(chǎn)生容量降低等狀況。在某種程度上，溫升問題將會(huì)縮短變壓器的使用壽命，而鐵心的附加溫升主要取決于雜散損耗，頻率的增加將會(huì)導(dǎo)致渦流及磁滯的損耗增多，且前者的損耗高于后者。

變壓器所產(chǎn)生的諧波損耗將會(huì)導(dǎo)致其容量不斷降低，且供配電體系受其影響較大。首先將導(dǎo)致電能的使用效率降低；其次，電氣設(shè)備因受熱問題而迅速老化，降低了使用周期；第三，電氣設(shè)備使用效率的降低，通常會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)產(chǎn)生故障或者設(shè)備受到損壞。因此在供電體系中必須對諧波加以有效抑制。

2.2 變壓器中諧波產(chǎn)生機(jī)理分析

變壓器鐵芯出現(xiàn)的磁飽和問題是導(dǎo)致諧波產(chǎn)生的根本原因。忽略不計(jì)磁滯對電壓所造成的影響，變壓器出現(xiàn)空載的時(shí)候，其所形成的端電壓為式（1）。

端電壓與磁通之間的關(guān)系為式（2）。

綜上所述，端電壓與磁通的波形相似，屬于正弦波，并且電壓所具有的相位超出其π/2。磁化曲線如式（4）。

其磁通相對電流為式（5）。

式中：n為線圈的轉(zhuǎn)速；ψ為磁通量；u為端電壓；U為額定電壓；ω為線圈轉(zhuǎn)動(dòng)的角速度；t為時(shí)間；I為額定電流；a為瞬時(shí)電流。

通過上式可知，磁通所形成的相對電流包含了3次諧波，電流也出現(xiàn)了異常變化，當(dāng)勵(lì)磁電流存在諧波的時(shí)候，變壓器將會(huì)產(chǎn)生大量的諧波。諧波與端電壓兩者的大小存在一定關(guān)系，當(dāng)電壓較小的時(shí)候，諧波也較小[5]。在某種程度上，繞組的接線模式也對諧波電流造成了一定影響，同時(shí)變壓器的構(gòu)造也是一個(gè)影響因素。零序勵(lì)磁所形成的諧波電流無法流出變壓器，因此無法進(jìn)到大電網(wǎng)內(nèi)，但大容量的變壓器不具有完全對稱的三相磁路，因此零序諧波電流將會(huì)對系統(tǒng)產(chǎn)生相應(yīng)的影響。

2.3 變壓器因諧波引發(fā)的損耗分析

因諧波所產(chǎn)生的變壓器損耗存在較多的類型，其中最典型的是銅耗與鐵耗。鐵耗包含了鐵芯之間所形成的局部渦流損耗和鐵芯自身產(chǎn)生的渦流及磁滯損耗。因繞組所形成的損耗又稱之為銅耗，當(dāng)存在較大的負(fù)載率時(shí)，銅耗占據(jù)了較大的比例。

（1）磁滯損耗。當(dāng)變壓器的鐵芯出現(xiàn)磁化時(shí)，由于外磁場的變化速度大于鐵磁質(zhì)，因此產(chǎn)生了磁滯問題，進(jìn)而出現(xiàn)磁滯損耗。由于鐵磁具有一定的磁慣性，當(dāng)磁化出現(xiàn)飽和之后，磁場的強(qiáng)度將會(huì)不斷降低。此時(shí)磁感應(yīng)強(qiáng)度B將不斷降低，當(dāng)其降低至0時(shí)，由于B的轉(zhuǎn)變較落后于磁場強(qiáng)度，B并非為0，形成磁滯閉合曲線[6]。為了使鐵芯的磁矯頑力得以降低，鐵芯將會(huì)不斷磁化，產(chǎn)生相應(yīng)的磁滯損耗。該損耗將會(huì)被傳輸?shù)酵鈬镔|(zhì)中，導(dǎo)致變壓器產(chǎn)生溫升問題，進(jìn)而極大降低了變壓器的效率。處于交流條件下，變壓器的鐵芯將會(huì)產(chǎn)生大量的損耗，不僅導(dǎo)致效率降低，而且導(dǎo)致設(shè)備受到損壞。因此變壓器鐵芯所運(yùn)用的材料具有較好的磁導(dǎo)性，一般運(yùn)用軟磁。當(dāng)變壓器出現(xiàn)諧波之后，磁滯損耗與其基波電壓呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)，與諧波電壓及功率因素呈現(xiàn)正相關(guān)，通過磁滯伸縮反應(yīng)，磁滯損耗將會(huì)對變壓器造成嚴(yán)重的損壞。

（2）渦流損耗。當(dāng)磁感線透過帶電導(dǎo)體時(shí)，導(dǎo)體內(nèi)部將會(huì)形成相應(yīng)的感應(yīng)電動(dòng)勢，進(jìn)而對帶電導(dǎo)體的變化造成阻礙。由于存在電動(dòng)勢，導(dǎo)體將會(huì)產(chǎn)生發(fā)熱的狀況，進(jìn)而形成渦流。一般狀況下，變壓器鐵芯主要由彼此絕緣的薄鐵片所構(gòu)成，這種結(jié)構(gòu)可以降低渦流損耗。根據(jù)電磁學(xué)的相關(guān)知識可知，磁通量的改變將會(huì)導(dǎo)致鐵芯產(chǎn)生渦流損耗。變壓器的漏磁場主要有2種，分別為軸向和輻向，其相對應(yīng)的損耗分別為軸向和輻向。

（3）繞組損耗。一般指的是銅耗或者可變化的損耗，變壓器一、二次側(cè)的繞組電阻產(chǎn)生相應(yīng)的銅耗，而銅耗會(huì)因漏磁場的存在而增加[7]。

3 煤礦變壓器節(jié)能方式分析

3.1 諧波治理節(jié)能

目前，針對諧波所采取的解決措施主要有：選擇最恰當(dāng)?shù)墓╇娔Ｊ?；增?qiáng)設(shè)備的抗諧波干擾能力；利用變流器來處理諧波源，以降低配電體系中的諧波；加設(shè)濾波器，濾波器的運(yùn)用可以有效避免諧波進(jìn)入電網(wǎng)體系或者負(fù)載側(cè)，在某種程度上不僅可以吸收諧波電流，而且可以補(bǔ)償供電體系。

在礦山的領(lǐng)域內(nèi)，諧波源通常包含井下大巷皮帶和副井提升機(jī)，諧波將會(huì)超出允許范圍，而相應(yīng)的治理裝置通常安裝于變電站。

根據(jù)電力系統(tǒng)的相關(guān)知識可知，負(fù)荷的無功功率將會(huì)隨著電壓的降低而降低。為了使負(fù)荷電壓保持在正常的范圍內(nèi)，應(yīng)當(dāng)對負(fù)荷開展有效無功補(bǔ)償。因此，礦井的供電體系必須保障平衡的無功功率，才能使配電體系有效運(yùn)行，確保該系統(tǒng)的電壓正常。電源與負(fù)荷的無功功率及其損耗應(yīng)當(dāng)維持平衡狀態(tài)，否則，當(dāng)電網(wǎng)不具備充足的無功功率時(shí)，必須開展相應(yīng)的無功補(bǔ)償。

3.2 電能質(zhì)量監(jiān)控節(jié)能

因變壓器絕緣受損所造成的匝間短路等問題將會(huì)對用戶的生活造成極大的影響，電力裝置也會(huì)因此受到破壞。礦用變壓器在產(chǎn)生短路問題之后，其相關(guān)電流將會(huì)出現(xiàn)電弧，輕則破壞設(shè)備，重則造成爆炸[8]。

對各個(gè)節(jié)點(diǎn)的電力運(yùn)行狀況及電能的質(zhì)量進(jìn)行長期監(jiān)測，有助于資源的合理分配，可以有效避免事故的產(chǎn)生，且及時(shí)上報(bào)，在故障發(fā)生之后可以完成數(shù)據(jù)的分析、原因的確定及治理措施的運(yùn)用等一系列工作。

4 結(jié)束語

在生產(chǎn)生活中，煤炭是其最重要的能源。我國有著巨大的煤炭生產(chǎn)量，其噸煤的能耗也較大。為了滿足科學(xué)發(fā)展觀，應(yīng)當(dāng)積極采取有效的措施來降低開采過程中的能耗。煤炭開采過程中的電能損耗主要來源于電氣設(shè)備，因此，礦井節(jié)能主要是增強(qiáng)開采設(shè)備的節(jié)電能力。