韓 亮

(中國恩菲工程技術(shù)有限公司,北京 100038)

0 前言

隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展以及市場(chǎng)應(yīng)用的廣泛,電力電子元器件的成本逐漸降低,ROBICON 原理的完美無諧波高壓變頻器產(chǎn)品國產(chǎn)化已成熟,質(zhì)量和性能均可以和進(jìn)口產(chǎn)品相媲美,而且價(jià)格優(yōu)勢(shì)明顯,打破了進(jìn)口品牌的壟斷地位、拉低了這些品牌的價(jià)格[3],同時(shí)也擴(kuò)展了高壓變頻器的使用范圍。之前由于進(jìn)口品牌高壓變頻器價(jià)格太高,國產(chǎn)產(chǎn)品又不太成熟,對(duì)于一些中小功率的應(yīng)用,如250 kW以上場(chǎng)合,只能選用低壓變頻器,而目前對(duì)于這些功率范圍,采用高壓變頻器的成本并不比低壓變頻器高太多,也就是說高壓變頻器的應(yīng)用范圍更大了。

某選礦廠磨浮車間改造工程新增1 臺(tái)280 kW渣漿泵,要求變頻調(diào)速,根據(jù)目前的變頻器技術(shù)水平和應(yīng)用的成熟度,結(jié)合磨浮車間的現(xiàn)有電壓等級(jí),新增渣漿泵變頻器可以采用380 V 或10 kV,技術(shù)應(yīng)用角度均已成熟,因此需要比較兩種不同電壓方案的費(fèi)用情況,以確定哪種電壓更合適。

費(fèi)用可比范圍主要是初始設(shè)備投資以及后期運(yùn)行費(fèi)用,初始設(shè)備投資主要包括變頻器、變壓器、開關(guān)柜、電纜、電動(dòng)機(jī)等,后期運(yùn)行費(fèi)用主要包括電纜線路損耗、變頻器及變壓器損耗等。由于現(xiàn)有配電室空間足夠使用,因此盡管兩種電壓對(duì)應(yīng)的電氣設(shè)備占地面積不同,但在初始投資對(duì)比中未考慮建筑費(fèi)用的差別。

1 車間配電設(shè)施現(xiàn)狀

磨浮車間現(xiàn)有配電室包含10 kV 配電站及10 kV/0.4 kV 變電所:10 kV 配電站一座,10 kV 為單母線接線,雙回路10 kV 電源進(jìn)線,一回路使用另一回路備用,為本車間10 kV/0.4 kV 變電所的兩臺(tái)變壓器、車間高壓電動(dòng)機(jī)提供10 kV 電源;10 kV/0.4 kV變電所一座,兩臺(tái)10 kV/0.4 kV 干式變壓器,380 V母線為單母線分段接線,分段開關(guān)為框架式斷路器,由該兩段380 V 母線為車間低壓用電設(shè)備供電。

(1)磨浮車間10 kV 配電站的雙回路10 kV 進(jìn)線為電纜線路,分別引自礦山110 kV 總降壓變電所的10 kV 甲母線和乙母線,兩回路電纜型號(hào)均為YJV22-8.7/10 kV 3 ×185 mm2,主要沿廠區(qū)綜合管架上的電纜橋架敷設(shè),線路長度約490 m。配電站安裝10 kV 中置式金屬鎧裝開關(guān)柜11 臺(tái),其中進(jìn)線柜2 臺(tái)、母線避雷器及電壓互感器柜1 臺(tái)、50 kVA所用變壓器柜1 臺(tái)、出線柜7 臺(tái),斷路器柜均配置630 A 25 kA 固封式真空斷路器及微機(jī)綜合保護(hù)裝置,配電站按高壓柜雙排布置設(shè)計(jì),現(xiàn)有的10 kV 開關(guān)柜采用單排布置,兩端各有3 個(gè)備用位置,另有一排共17 個(gè)備用柜的位置。目前該配電站總負(fù)荷約3 800 kVA,10 kV 進(jìn)線電流約220 A。配電站直流電源采用智能型免維護(hù)鉛酸蓄電池電源系統(tǒng),DC220V 65 Ah,配套AC220V 5 kVA 逆變電源一套,主要為高壓開關(guān)柜提供直流操作電源、控制電源,尚有多個(gè)直流備用出線回路。

本次改造工程新增1 臺(tái)280 kW 渣漿泵,現(xiàn)有進(jìn)線柜斷路器額定電流、電流互感器變比等均滿足擴(kuò)容后使用,且預(yù)留有多個(gè)備用位置,可用于安裝新增的高壓開關(guān)柜以及變頻器。

(2)磨浮車間10 kV/0.4 kV 變電所安裝1 000 kVA 變壓器2 臺(tái),10 kV 電源均引自本車間10 kV 配電站,安裝抽出式低壓配電柜17 臺(tái),采用雙排面對(duì)面布置,其中進(jìn)線柜2 臺(tái)、母聯(lián)柜1 臺(tái)、補(bǔ)償柜2 臺(tái),其他均為出線柜,備用柜位置7 個(gè)。出線柜尚有多個(gè)備用出線回路,其中400 A 出線回路2 個(gè)、250 A出線回路1 個(gè),其余均為100 A 及以下出線回路。變電所現(xiàn)有總負(fù)荷約1 680 kVA,其中1#變壓器約780 kVA、2#變壓器約900 kVA。

本次改造工程新增1 臺(tái)280 kW 渣漿泵,若采用380 V 電壓等級(jí),由于現(xiàn)有兩臺(tái)變壓器均接近滿載運(yùn)行,無法增加380 V 用電負(fù)荷,因此需要更換變壓器,但低壓柜備用位置較多,可以根據(jù)需要增加配電柜。

2 380 V 變頻器方案

380 V 低壓變頻器具有統(tǒng)一的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),主要采用交-直-交方式,根據(jù)分類方式不同有以下幾種類型[3-4]:

(1)根據(jù)拖動(dòng)負(fù)載的機(jī)械特性可以分為:恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載、恒功率負(fù)載、風(fēng)機(jī)泵類負(fù)載;

(2)根據(jù)整流方式可分為:6 脈沖整流、12 脈沖整流、有源前端整流,主要區(qū)別是對(duì)電網(wǎng)側(cè)的諧波污染不同;

對(duì)于本工程的應(yīng)用場(chǎng)合,采用6 脈沖整流風(fēng)機(jī)泵類通用性變頻機(jī)即可,同時(shí)需要配套有源濾波裝置。本方案需要為渣漿泵配套380 V 電動(dòng)機(jī),新增一臺(tái)380 V 280 kW 變頻器實(shí)現(xiàn)渣漿泵的調(diào)速運(yùn)行?？紤]到現(xiàn)有10 kV/0.4 kV 變電所的2 臺(tái)變壓器均已經(jīng)接近滿載,該方案需要更換其中一臺(tái)變壓器,結(jié)合變電所實(shí)際負(fù)荷情況,將1 000 kVA 2#變壓器拆除,新裝一臺(tái)1 600 kVA 干式變壓器,配套更換現(xiàn)有2#變壓器低壓側(cè)進(jìn)線柜,新增1 臺(tái)出線柜用于為280 kW 變頻器供電。由于采用了6 脈波通用型變頻器,為了保證低壓配電系統(tǒng)的諧波限值,還需增加1 臺(tái)有源濾波器柜。

該方案可比范圍內(nèi)主要設(shè)備有:1 臺(tái)10 kV/0.4 kV 1 600 kVA 干式變壓器、2 臺(tái)低壓配電柜、1 臺(tái)有源濾波柜、1 臺(tái)380 V 280 kW 鼠籠式異步電動(dòng)機(jī)以及配套的低壓電纜,參數(shù)及費(fèi)用如表1 所示。

3 10 kV 變頻器方案

不同于低壓變頻器,高壓變頻器沒有統(tǒng)一的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。根據(jù)分類方式不同有以下幾種類型[3-4]。

(1)根據(jù)電壓變換方式可以分為:高-低-高型、高-高型。ROBICON 原理高壓變頻器即高-高型;

(2)根據(jù)主電路結(jié)構(gòu)不同可以分為:交-交變頻、交-直-交變頻;

(3)根據(jù)電平數(shù)不同可以分為:三電平、五電平、多電平。ROBICON 原理即多電平。三電平高壓變頻器受制于元器件的耐壓不足,目前還做不到10 kV 電壓等級(jí)的應(yīng)用,且價(jià)格昂貴,代表品牌為ABB和西門子。

串聯(lián)多電平式高壓變頻器的輸入側(cè)為降壓移相變壓器,采用18 脈沖以上的整流方式,輸入側(cè)波形好,網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)高,對(duì)電網(wǎng)側(cè)的諧波污染小,輸出側(cè)采用多電平移相技術(shù),波形接近正弦波,可用于普通異步電機(jī)[4];功率元件采用與低壓變頻器相同的IGBT,技術(shù)成熟。但由于移相變壓器的存在,這種變頻器體積較大。

本工程需要對(duì)渣漿泵實(shí)現(xiàn)變頻調(diào)速控制,10 kV變頻器方案采用串聯(lián)多電平式高壓變頻器的高-高方案,變頻器輸入輸出均為10 kV,需要為渣漿泵配套10 kV 高壓電動(dòng)機(jī)。該方案接線簡(jiǎn)單,僅需一回路10 kV 電源即可,結(jié)合配電站現(xiàn)狀,在10 kV 配電室新增1 臺(tái)KYN28A-12 型高壓開關(guān)柜與現(xiàn)有7#高壓柜并柜安裝、新增1 套串聯(lián)多電平10 kV 高壓變頻器裝置安裝在現(xiàn)有單排高壓柜的對(duì)面,由于采用了無諧波的串聯(lián)多電平式高壓變頻器,該方案不需要設(shè)置諧波治理裝置。

該方案可比范圍內(nèi)主要設(shè)備有:1 臺(tái)10 kV 高壓開關(guān)柜、1 套10 kV 高壓變頻器、1 臺(tái)10 kV 280 kW 鼠籠式異步電動(dòng)機(jī)以及配套的高壓電纜,參數(shù)及費(fèi)用詳見表2。

表2 10 kV 變頻器方案主要設(shè)備及費(fèi)用

(1)設(shè)備單價(jià)采用同時(shí)期國產(chǎn)設(shè)備報(bào)價(jià)

4 兩種方案的對(duì)比分析

(1)設(shè)備投資費(fèi)用對(duì)比

380 V 變頻器方案和10 kV 變頻器方案可比范圍內(nèi)的總投資費(fèi)用分別為53 萬元、40.5 萬元?？梢钥闯霾捎?80 V 的低壓方案并無成本優(yōu)勢(shì),反而比10 kV 方案投資大,即使不考慮更換1 600 kVA 變壓器的費(fèi)用,380 V 方案也僅比高壓方案節(jié)省投資5.5 萬元。

(2)電能損耗對(duì)比

兩種方案的電能損耗主要包括變壓器(或高壓變頻器內(nèi)置移相變壓器)損耗、變頻器開關(guān)器件(IGBT)損耗、電纜損耗、電動(dòng)機(jī)損耗。鑒于10 kV變頻器為串聯(lián)多電平型式,內(nèi)置一臺(tái)具有多個(gè)二次繞組的移相變壓器,而且開關(guān)器件(IGBT)同380 V變頻器類似、10 kV 280 kW 電動(dòng)機(jī)的效率同380 V接近,因此視為兩種方案下的變壓器損耗、開關(guān)器件(IGBT)損耗以及電動(dòng)機(jī)損耗等同(實(shí)際情況是低壓方案的上述損耗略高),兩種方案的電能損耗主要對(duì)比電纜損耗。

本工程渣漿泵使用280 kW 四極電動(dòng)機(jī),380 V和10 kV 的額定電流分別為514 A、19.87 A;150 mm2銅芯電纜每千米電阻0.117 Ω、70 mm2銅芯電纜每千米電阻0.251 Ω[1-2],兩種方案的電能損耗計(jì)算如下:

380 V 方案:ΔP=3I2R=3(514 A)2×(0.117 Ω/km×0.09 km×0.5)=4.173 kW

10 kV 方案:ΔP=3I2R=3(19.87 A)2×(0.251 Ω/km×0.1 km)=0.030 kW

本工程的綜合電價(jià)為0.6 元/kWh,車間年最大負(fù)荷小時(shí)數(shù)約6 200 h,兩種方案電纜損耗的年費(fèi)用相差:

(4.173-0.030) kW×6 200 h ×0.6 元/kWh=15 412 元。

通過對(duì)兩種方案的投資費(fèi)用和運(yùn)行費(fèi)用(電能損耗)比較可以看出,按照設(shè)備投資和運(yùn)行費(fèi)用最低的原則,本工程新增渣漿泵應(yīng)采用10 kV 變頻方案。

5 結(jié)論

變頻器電壓的選擇應(yīng)該在技術(shù)方案成熟、滿足工藝要求的基礎(chǔ)上進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性分析比較,選擇投資費(fèi)用和運(yùn)行費(fèi)用較低的方案。

針對(duì)本文所述實(shí)例,新增280 kW 渣漿泵采用10 kV 變頻方案比380 V 既節(jié)省投資又節(jié)省運(yùn)行費(fèi)用,考慮到本工程的特殊性(380 V 方案需要增加一臺(tái)1 600 kVA 變壓器替換現(xiàn)有變壓器),對(duì)于其他工程如何選擇仍需要具體分析,但是從建設(shè)綠色節(jié)能礦山的角度出發(fā),節(jié)能降耗應(yīng)該是首先考慮的因素,考慮到國產(chǎn)的串聯(lián)多電平式高壓變頻器技術(shù)日趨成熟、價(jià)格越來越低,因此即使10 kV 變頻方案投資稍高,也應(yīng)作為優(yōu)先考慮的方案。