选矿厂试验室配电中的误区及分析

时间：2024-07-28

马万里

(1.中钢集团马鞍山矿山研究院有限公司；2.金属矿山安全与健康国家重点实验室)

选矿厂试验室配电中的误区及分析

马万里1，2

(1.中钢集团马鞍山矿山研究院有限公司；2.金属矿山安全与健康国家重点实验室)

对选矿试验室配电中出现的设备负荷性质不分、负荷整定计算不严密和微型断路器的选择不当3大误区进行了详细分析，并提出了解决方法。其中，通过对三相负荷电气矢量图进行分析从而得出多种负荷折算为三相负荷的方程，给出了ABB微型断路器(MCB)的K曲线用以确认对电机类试验室负荷的适用性。

试验室配电等效三相负荷方程电机类试验室负荷微型断路器

试验室是矿山行业选矿车间必须配备的，担负着检查和筛选矿石质量的任务。试验室又细分为磨矿、磁选、破碎及分析化验等多种工序，因而需要各种各样的试验设备来完成相关试验与检测。对于不同功率，不同电压等级的试验设备，如何进行正确并合理配电，便成了摆在配电设计者面前的一个难题，为此本文就试验室配电中所产生的几个误区进行了分析，希望给配电设计者提供参考借鉴。

1 试验室配电中的3大误区

1.1 设备负荷性质不分(误区1)

试验室中经常将单相负荷、相间负荷与三相负荷不加区分，一概论处之。试验室中的众多设备各自用途不同，根据电压的不同，可分为以电热板为主的单相负荷、以大功率电热蒸馏水制取器为主的相间负荷和以需要电机拖动的磨矿机一类的三相负荷，三者要求不同。有些配电设计者用工业插座箱来进行配电，工业插座箱可以集成三相插座和单相插座于一身，从而对各类试验设备不加区分的进行配电。这种做法看似省事简单，在理想的配电系统中，三相电压源、电流源应为幅值大小相等、相角差为120°的3个矢量，由于对各类试验设备不加区分进行配电，往往会导致系统产生三相不平衡，当不平衡度超过一定范围时，将会产生一定的负序电流和负序电压，从而改变某些试验设备内部电机旋转磁场的分布，影响设备正常运行，严重者会导致终端开关的误动作，从而大大降低供电可靠性。所以，应根据试验室设备说明书提供的用电要求按照单相负荷、相间负荷及三相负荷进行分类，将单相负载尽可能的按照功率均分在A、B、C三相中，相间负载尽可能的按照功率均分在AB、BC及CA相间。

1.2 负荷整定计算不严密(误区2)

试验室整定计算中将功率值划归为三相负荷功率，不进行相关换算，直接进行简单的叠加计算。参考工艺给定的设备功率，不加以区分而进行数量上的叠加进而求得总功率，进而确定进线开关整定值，这种算法难免产生较大的误差，从而引起进线开关热脱扣器无法有效工作。三相负荷、相间负荷及单相负荷必须划归到同一种类负荷条件下才能进行统计，一般情况下，将等效三相负荷作为目标转换负荷，按照如下几种情况进行分析考虑。

(1)如果只有单相负载，即全部划归成单相负荷后，等效三相负载功率取最大相负载功率的3倍[1]，即：

(1)

式中，Pe、Qe分别为等效三相负载有功功率和无功功率；Pθmax为A、B、C三类单相负载中最大的一相负载有功功率；φ为功率因数角，下同。

(2)相间负载功率Pab按照发热等效原理，换算前后的线电流必须相等，故等效三相负载功率为：

(2)

公式(2)表明相间负载功率换算成等效三相负载功率后，增大了1.732倍[1]，φab为该相间负载功率因数角。

(3)有相间负荷Pab、Pca，相对于a相，可求得Pab、Pca在a相方向上的有功及无功分功率：

(3)

式中，P(ab)a、P(ca)a假定换算为a相有功功率的换算系数；q(ab)a、q(ca)a假定换算为a相无功功率的换算系数。

p(ab)a、p(ca)a及q(ab)a、q(ca)a的推导及关联可由图1所示的相间负载电压电流向量图进行推导(试验室负荷多为感性负荷)，即

(4)

式中，Ipa、Iqa分别表示为a相有功及无功电流。

图1 相间负载电压电流相量

故对照公式(3)及公式(4)可得：

(5)

若两个相间负荷的功率因数相等，即φab=φca时，则有p(ab)b+p(ca)a=1，q(ab)b+q(ca)a=tanφab；若两个相间负荷功率也相等，即p(ab)=p(ca)，则有

(6)

取其3倍作为等效三相负荷，则有：

(7)

公式(5)表明2个相等的相间负载功率叠加换算成等效三相负载功率后，增大了1.5倍[1]。

综合上述分析，对于目标三相负荷的转换，其难点为相间负荷的转换，对此可提出一种对相间负荷的分析方法(见图2)，有相间负荷p1、p2、p3，设p1>p2>p3，cosφ1≠cosφ2≠cosφ3，经分解和换算，可得公式(6)：

p三相(合)=3p单相(max)+p三相+3p3+3(p2-p1)

(8)

式中，p三相(合)表示等效后的三相负荷功率;p单相(max)表示单相负载中重功率最大一相的功率值;p三相为试验室中电机类三相负荷。

图2 相间负荷等效三相负荷示意

1.3 微型断路器的选择不当(误区3)

微型断路器(简称MCB)是在配电系统中应用面很广的终端设备，若选择了不合适的MCB，将会造成惨重的损失。IEC898《家用装置及类似装置用断路器》(GB10963—1999)明确规定，MCB不能用于对电动机的保护，即不能对电动机的起动进行有效的热保护，只能对配电线路(如电线电缆)进行保护。在此方面，相关技术人员较易忽视，而一些生产厂商的样本和设计资料手册在此问题的说明上也是含糊不清。试验室中很多试验设备需要电动机进行有效拖动，电动机在起动瞬间存在一个(5～7)In(In为电动机额定运行电流)持续时间为10s的起动电流，一般MCB的磁脱扣电流为(5～10)In，可以保证在电动机起动时避过浪涌电流；但对热过载保护来讲，其过载保护的动作值整定于1.45In，也就是说电动机定子绕组要承受45%以上的过载电流时MCB才能脱扣，而定子绕组只能够承受20%以内的过载电流，其结果将会导致定子绕组间绝缘损坏，烧毁电机。

根据上述情况，参考相关厂家的MCB样本，对于电机拖动类试验设备可选用ABB公司特有K特性的MCB，该设备符合IEC947—2标准。若没有相关条件，可采用MCB外加热继电器的方式，即由热继电器对电动机提供热过载保护，MCB对电动机提供短路保护[2]。

K特性是ABB特有的脱扣特性并经70 a的实践经验，现已广泛应用于电动机配电系统保护中。在ABB微型断路器样本中可查阅K曲线保护特性图，由图中可看出K特性的1.2倍热脱扣动作电流可有效地保试验室电机拖动设备的安全运行，而10～14倍磁脱扣动作范围可与电机拖动设备运行相配合，有较高的抗冲击电流能力。