2300XPC电铲无功功率补偿断路器的改进

刘文涛

（江西铜业集团有限公司 德兴铜矿，江西 德兴 334224）

1 引言

2300XPC电铲电气采用国外先进的交流电转换成直流电从而驱动系统［1］。无功功率补偿柜提供整流器所需要的无功功率控制部件，同时在挖掘机正常运行期间过滤电气系统所产生的主要谐波，因此我们采用的是进口无功功率补偿断路器［2］。

德兴铜矿1989年～1998年先后引进了四台2300XPC型电铲。在日常维护电铲工作中，更换断路器是一件繁重的工作，平均更换工作时间是7h左右。无功功率补偿断路器的保护原理是RPC柜内的电抗器和电容发生短路而起到一种保护作用从而防止其他电气柜发生更严重的损坏。无功功率补偿断路器断路元件和辅助触点元件组合，安装在RPC柜门内。当无功功率补偿断路器出现故障时，维修难度大且时间长。早班人员在现场更换时，几乎都要加班至中班。作为电铲技术人员，首要任务就是合理地优化维修程序，减少电铲故障停机时间。

2 无功功率补偿原理

2.1 RPC运行

无功功率补偿（RPC）柜包括提供整流器所需要无功功率控制方法的部件，同时在挖掘机正常运行期间向电气系统所产生的主要谐波提供过滤器。

RPC系统包括以下基本部件：

加法变压器、KVAR感应电压互感器、KVAR传感器、智能接口模块、RPC防火板、脉冲变压器、开关部件、反应器及电容器。

2.2 功率因数校正

电枢及磁场换流器的载荷为感应电机，要求电磁场运行。这些感应载荷要求两个供电部件运行。

工作功率（KW）执行创建运行的实际工作，无功功率（KVAR）用来维持电磁场。

工作功率或者KW消耗的瓦特数可以由瓦特计来读出。无功功率或者KVAR不执行任何有用的工作，因为无功电流在换流器及电机之间循环，在电源和配电系统产生更大电流。KW和KVAR一起构成视在功率（AP），其可以以千伏安（KVA）来测量。有关KW、KVAR、以及KVA的图解表示，如图1。

图1 KW、KVAR、以及 KVA 关系图

功率因数（PF）是实际 KW 和流动电流总KVA 的比值。PF 可以使用以下公式来确定。

PF = KW ÷ KVA

PF为1则表示为电源和载荷之间的所有电流消耗在载荷功的产生上［3］。随着无功电流增加以及功率因数减少，电流做功的量就会减少。这种电气条件或者经济情形并不理想，但是可以通过使用无功功率补偿系统来克服之［4］。

在连接到交流线上的时候，RPC 系统利用电容器自然趋势的优点来获得超前电流。RPC系统通过连接和断开电线上的电容器组，借助于电气开关来控制无功功率的电平。

超前电容电流在运动换流器运行中补偿其固有的滞后感应无功电流。结果就是总线电流与有功电流相等。在功率方面，有功功率等于视在功率或伏安数，即功率因数达到1的地方。

2.3 无功功率补偿

KVAR 传感器 U94B7 对进给电枢整流器的母线中电压和电流相态关系进行比较。KVAR传感器收到两个输入信号，并且产生输出误差信号，其与 600VAC 母线上电压和电流之间的相差成比例关系。在无载荷的情况下，输出信号为 0V 或者接近0V，而交流母线上的电压和电流仍为同相。在载荷增加的情况下，当挖掘机开始挖掘并且使用提升加压动作的时候， KVAR 传感器的输出将会随着电压电流相态关系的变化而增加［5］。

KVAR 传感器从 KVAR 感应电压互感器 U94B5和 U94B6 获得 115VAC。该输入作为电源以及电压基准。电流感应输入来自加法变压器 K02E1 和K06E1。加法变压器 A 相 K02E1 使用电流互感器来测量 1L1 和 2L1 母线的 A Ø线电流。加法变压器 C 相 K06E1 也使用电流互感器来测量 1L3和 2L3 母线的 CØ 线电流。KVAR 传感器对来自KVAR 感应电压互感器的电压以及来自加法变压器的电流进行内部分析。输出误差电压代表必需的KVAR 修正因数，并且应用到远程 I/O 系统 2 模拟电压输入高速模块 U94A8N［6］，如图2。

图2 2300XPC挖掘机 RPC 系统的方块图

3 无功补偿断路器电流的危害

无功功率补偿断路器的保护原理是RPC柜内的电抗器和电容发生短路而起到一种保护作用从而防止其他电气柜发生更严重的损坏［7］。无功功率补偿断路器的断路元件和辅助触点元件组合，安装在RPC柜门内。当无功功率补偿断路器出现故障时，维修难度大且时间长。

无功功率补偿断路器在电铲作业的震动下，常造成无功功率补偿断路器部件松动和接触不良、触点氧化，导致输出电压极不稳定，影响无功补偿的稳定性。

实际运行中发现，无功功率补偿断路器在南方野外下雨环境下，易出现无功功率补偿断路器高压会串入低压辅助触点信号线，导致RPC远程站柜内元件大部分烧坏严重。

4 断路器串电危害的解决方案

4.1 加入中间继电器进行阻隔

（1）改RPC远程站辅助触点信号从断路器分离出来；将辅助信号从断路器中分离移出继电器箱内，同时改装线路。

（2）加入中间继电器进行隔离。

加入中间继电器提供的无功功率补偿断路器保护装置，器件主要包括：中间继电器1、无功功率补偿断路器辅助点2、模数开关3和电源4，中间继电器1一端通过导线5与地连接，另一端通过导线5依次串联连接无功功率补偿断路器辅助点2、模数开关3和电源4的正极端，电源4的负极端与地连接，构成一个完整的电路回路，如附图1所示。中间继电器1为安全防护继电器，无功功率补偿断路器辅助点2为带电闭合开关，电源4为电铲低压电源。提供的保护装置能及时准确地防护强电串入弱电的故障，简单实用，安全可靠，经济效果显著。

如附图2所示，把保护装置中的中间继电器1安装在无功功率补偿断路器辅助点2与无功功率补偿模块8之间，则可以防护这一部分结构的电压，并决定无功功率补偿断路器辅助点2的闭合或断开状态。

当电铲启动并运转时，强电经过母排到无功功率补偿断路器6，通电无功功率补偿断路器6通电吸合，随后无功功率补偿断路器辅助点2吸合，中间继电器1得电吸合，并对中间继电器辅助点7吸合以及对外输出信号，此时，无功功率补偿断路器辅助点2闭合，由于模数开关3处于断开状态，因此中间继电器1不工作。

当模数开关3吸合时，则有两种状态：第一种为无功功率补偿断路器6无强电串入弱电系统正常工作的状态，即中间继电器辅助点7吸合而无功功率补偿模块8中的PLC通讯模块得到电信号，PLC通讯模块通讯正常，电铲可以正常启动，因而中间继电器1不起防护作用；第二种为无功功率补偿断路器6发生短路的状态，即强电电压通过无功功率补偿断路器辅助点2串入，强电到达中间继电器1，因烧坏中间继电器1线圈而不再工作，但中间继电器1可以起到隔离电压的作用，使中间继电器1后面的无功功率补偿模块8和元器件处于断开状态，同时模数开关3处于断开状态，因而中间继电器1起到防护的作用，并且PLC通讯模块能够提示无功功率补偿断路器6有强电串入弱电故障。如图3

图3 加入中间继电器原理图

将原来的信号线解除，从继电器箱内继电器线圈上再引两根线到断路器，断路器通电吸合，辅助触点得电，继电器线圈吸合，继电器辅助信号得电，并信号给PLC，显示得到信号，形成新的断路器辅助信号。

图4 原接线图

图5 新接线图

4.2 制作安装继电器箱

（1）继电器箱组装。

（2）继电器安装。

在RPC柜右方电铲的墙板上焊接继电器箱支架；将继电器箱固定在支架上，再将继电器箱的出线与断路器的辅助点端连接。

继电器箱改进后如下。

图6 整体式继电器箱图

图7 继电器箱内元件图

改进后的2300XPC电铲（12#、14#）的RPC断路器平均更换时间是2.9h，小于改造前的7h。2017年，电铲可开动率达到了89%，比2016年84.59%提高了四个百分点。

4.3 取得效果

活动至今，电铲未出现稳压器故障， 故障时间由原来的7h/次减少为2.9h/次；取得了很好的效果，实现了我们改进的目的。

图8 攻关后的RPC断路器故障时间标注状图

5 结束语

矿山工程技术人员经过几月对电铲无功补偿断路器技术的创新，完成了断路器的改进，改造至今，电铲未出现串电故障。 实现了无功补偿断路器的改造。达到了电铲断路器的技术要求，确保电铲的稳定，提高了电铲的可开率。执行了巩固措施后，今年故障和更换时间比以往又有所缩短，实施效果得以维持。并将改造创新推广到6#、12#、13#铲。

这项改进减少了电铲停机时间，提高电铲作业率，提高了技术创新能力，为矿山的不断发展提供了一个好的基础。