2300XPC電鏟無功功率補償斷路器的改進

劉文濤

（江西銅業集團有限公司 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換成直流電從而驅動系統［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所產生的主要諧波，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柜內的電抗器和電容發生短路而起到一種保護作用從而防止其他電氣柜發生更嚴重的損壞。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。當無功功率補償斷路器出現故障時，維修難度大且時間長。早班人員在現場更換時，幾乎都要加班至中班。作為電鏟技術人員，首要任務就是合理地優化維修程序，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所產生的主要諧波提供過濾器。

RPC系統包括以下基本部件：

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

2.2 功率因數校正

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

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

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

圖1 KW、KVAR、以及 KVA 關系圖

功率因數（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生上［3］。隨著無功電流增加以及功率因數減少，電流做功的量就會減少。這種電氣條件或者經濟情形并不理想，但是可以通過使用無功功率補償系統來克服之［4］。

在連接到交流線上的時候，RPC 系統利用電容器自然趨勢的優點來獲得超前電流。RPC系統通過連接和斷開電線上的電容器組，借助于電氣開關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無功電流。結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，即功率因數達到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關系進行比較。KVAR傳感器收到兩個輸入信號，并且產生輸出誤差信號，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關系的變化而增加［5］。

KVAR 傳感器從 KVAR 感應電壓互感器 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 感應電壓互感器的電壓以及來自加法變壓器的電流進行內部分析。輸出誤差電壓代表必需的KVAR 修正因數，并且應用到遠程 I/O 系統 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柜內的電抗器和電容發生短路而起到一種保護作用從而防止其他電氣柜發生更嚴重的損壞［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。當無功功率補償斷路器出現故障時，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，導致輸出電壓極不穩定，影響無功補償的穩定性。

實際運行中發現，無功功率補償斷路器在南方野外下雨環境下，易出現無功功率補償斷路器高壓會串入低壓輔助觸點信號線，導致RPC遠程站柜內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，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、模數開關3和電源4，中間繼電器1一端通過導線5與地連接，另一端通過導線5依次串聯連接無功功率補償斷路器輔助點2、模數開關3和電源4的正極端，電源4的負極端與地連接，構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，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構的電壓，并決定無功功率補償斷路器輔助點2的閉合或斷開狀態。

當電鏟啟動并運轉時，強電經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，由于模數開關3處于斷開狀態，因此中間繼電器1不工作。

當模數開關3吸合時，則有兩種狀態：第一種為無功功率補償斷路器6無強電串入弱電系統正常工作的狀態，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發生短路的狀態，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，同時模數開關3處于斷開狀態，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，電鏟未出現穩壓器故障， 故障時間由原來的7h/次減少為2.9h/次；取得了很好的效果，實現了我們改進的目的。

圖8 攻關后的RPC斷路器故障時間標注狀圖

5 結束語

礦山工程技術人員經過幾月對電鏟無功補償斷路器技術的創新，完成了斷路器的改進，改造至今，電鏟未出現串電故障。 實現了無功補償斷路器的改造。達到了電鏟斷路器的技術要求，確保電鏟的穩定，提高了電鏟的可開率。執行了鞏固措施后，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，提高電鏟作業率，提高了技術創新能力，為礦山的不斷發展提供了一個好的基礎。