段興堯

（山西新景礦煤業(yè)有限責(zé)任公司， 山西 陽(yáng)泉 045000）

引言

目前我國(guó)煤炭庫(kù)存過(guò)大、煤炭需求量低迷，這就要求煤礦企業(yè)進(jìn)一步降低生產(chǎn)成本來(lái)擺脫目前所處的行業(yè)困境。因此，充分考慮將先進(jìn)的靜止無(wú)功發(fā)生器技術(shù)推廣應(yīng)用到煤礦井下供電系統(tǒng)，對(duì)井下存在的電能質(zhì)量問(wèn)題進(jìn)行治理。礦用隔爆高壓鏈?zhǔn)届o止無(wú)功發(fā)生器的研究與應(yīng)用能夠響應(yīng)國(guó)家節(jié)能環(huán)保政策，最大限度地發(fā)揮供電系統(tǒng)的供電能力、節(jié)約電能，消除諧波、保證設(shè)備正常啟動(dòng)和工作，減少電氣故障率、提高設(shè)備使用年限，對(duì)煤礦安全、綠色、高效生產(chǎn)有著較高的現(xiàn)實(shí)意義，勢(shì)必成為煤礦井下安全供電的可靠技術(shù)裝備。

1 工程案例分析

某煤礦供電電壓等級(jí)為35 kV，井下供電網(wǎng)絡(luò)選取雙回路電源送電模式，經(jīng)礦井1號(hào)和2號(hào)35 kV主變電站變成6 kV供電電源下井后去往井下中央變電所，供電線路長(zhǎng)10 km，兩臺(tái)主變?nèi)萘糠謩e為12 500 kVA和800 kVA，兩段母線分別單獨(dú)供電，并通過(guò)聯(lián)絡(luò)開(kāi)關(guān)互為熱備。該煤礦井下6 kV區(qū)域負(fù)荷中心是綜采面電氣設(shè)備工作的關(guān)鍵，區(qū)域變電所供電電源引至上一級(jí)變電所，分不同支路為下一級(jí)采區(qū)變電所供電，最后經(jīng)移變擔(dān)負(fù)各自采區(qū)的采、掘、開(kāi)等任務(wù)，供電系統(tǒng)圖如圖1所示。

2 供電線系統(tǒng)存在的問(wèn)題

綜采面工作負(fù)荷設(shè)備經(jīng)常集中重載啟動(dòng)，啟動(dòng)反反復(fù)復(fù)，并且長(zhǎng)時(shí)間滿負(fù)荷運(yùn)行，使得供電線路末端電壓較低，電壓畸變現(xiàn)象突出，線路功率因數(shù)較低，經(jīng)常發(fā)生電氣設(shè)備不能正常啟動(dòng)等現(xiàn)象，嚴(yán)重影響了生產(chǎn)效率和生產(chǎn)質(zhì)量。

3 6 kV礦用隔爆SVG裝置結(jié)構(gòu)

6 kV供電系統(tǒng)作為煤礦主要供電線路，供電線路覆蓋井下所有的設(shè)備負(fù)荷，部分負(fù)荷存在重載啟動(dòng)，啟動(dòng)頻繁，長(zhǎng)時(shí)間滿載運(yùn)行等問(wèn)題，使得6 kV供電系統(tǒng)存在嚴(yán)重的電能質(zhì)量問(wèn)題，所以必須對(duì)6 kV供電線路裝設(shè)無(wú)功補(bǔ)償裝置[1]。

圖1 煤礦井下6 kV區(qū)域負(fù)荷中心供電系統(tǒng)圖

根據(jù)井下電氣設(shè)備運(yùn)行環(huán)境要求及本文提出的控制方法，最終設(shè)計(jì)研制出礦用防爆型鏈?zhǔn)絊VG，額定電壓6 kV，額定容量-2 500（感性）～2 500 kVar（容性），其外觀結(jié)構(gòu)如圖2所示。SVG裝置由電抗器箱和補(bǔ)償箱兩個(gè)箱體組成，方便井下運(yùn)輸和維護(hù)保養(yǎng)。裝置大體分為四個(gè)部分，即：連接電抗器部分、啟動(dòng)部分、功率單元部分及控制器部分，同時(shí)還有二次控制保護(hù)部分、水冷散熱部分以及光電隔離部分。

圖2 6 kV礦用SVG裝置實(shí)物圖

1）連接電抗器部分。連接電抗器安裝在電抗器箱內(nèi)，對(duì)裝置起到諧波治理作用的同時(shí)控制SVG的補(bǔ)償電流大小。裝置逆變部分采用電壓源型逆變電路，通過(guò)PWM程序控制產(chǎn)生近似正弦波的多電平階梯波，經(jīng)過(guò)電抗器后生成補(bǔ)償電流。

2）功率單元部分。功率單元部分主要為H橋功率模塊，結(jié)構(gòu)如圖3-1所示，其開(kāi)關(guān)器件采用進(jìn)口英飛凌公司的IGBT，質(zhì)量可靠，運(yùn)行速度快，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，可在1 ms時(shí)間內(nèi)將故障模塊旁路掉，每個(gè)H橋功率模塊含有兩個(gè)IGBT開(kāi)關(guān)器件，IGBT模塊如圖3-2所示。

圖3 功率模塊結(jié)構(gòu)圖

3）控制器部分。裝置控制部分框圖如圖4所示，控制部分以PLC做主站，觸摸屏和主控板為分站，PLC與主控制器、PLC與觸摸屏、主控制器與遠(yuǎn)程監(jiān)控之間采用串行通信方式，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)分層控制[2]。

圖4 控制器構(gòu)成框圖

4 SVG裝置的應(yīng)用

4.1 設(shè)計(jì)目標(biāo)

根據(jù)煤礦井下6 kV區(qū)域負(fù)荷中心供電系統(tǒng)實(shí)際情況，本文對(duì)井下6 kV供電網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行電能質(zhì)量治理的設(shè)計(jì)目標(biāo)為：

1）根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，通過(guò)計(jì)算分析，設(shè)計(jì)方案目標(biāo)在井下區(qū)域負(fù)荷中心設(shè)計(jì)安裝一套6 kV礦用隔爆SVG裝置，進(jìn)行供電系統(tǒng)的電能質(zhì)量治理。補(bǔ)償裝置現(xiàn)場(chǎng)安裝示意圖如圖5所示。

2）將6 kV母線上電網(wǎng)總功率因數(shù)穩(wěn)定在某一設(shè)定值，長(zhǎng)期不過(guò)補(bǔ)。

3）將母線電壓穩(wěn)定在6 kV±6 kV×1%，從而保證母線上所有的負(fù)荷設(shè)備能夠正常啟動(dòng)運(yùn)行。

4）在裝置投運(yùn)后，不與系統(tǒng)發(fā)生諧振，并具有一定的諧波治理能力。

4.2 補(bǔ)償容量的分析確定

按照系統(tǒng)負(fù)載率70%計(jì)算，補(bǔ)償前系統(tǒng)功率因數(shù)為cosφ1=0.88，補(bǔ)償后系統(tǒng)功率因數(shù)目標(biāo)為cosφ2=0.99，系統(tǒng)所需要無(wú)功功率計(jì)算如下：

圖5 裝置現(xiàn)場(chǎng)安裝示意圖

現(xiàn)場(chǎng)共有三個(gè)用電設(shè)備，功率分別為3 600 kW、1 500 kW、2 100 kW，系統(tǒng)負(fù)荷總功率P=7 200 kW。

通過(guò)以上計(jì)算，若考慮負(fù)載過(guò)載運(yùn)行時(shí)所需的最大無(wú)功功率，并將系統(tǒng)功率因數(shù)穩(wěn)定在0.99以上，最終確定煤礦井下6 kV供電線路需要補(bǔ)償?shù)臒o(wú)功功率容量約為2 001 kVar，本文設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的6 kV礦用隔爆SVG額定容量為2.5 MVar，所以該裝置能夠滿足煤礦井下無(wú)功補(bǔ)償及諧波治理需要，還留有一定余量。

4.3 運(yùn)行測(cè)試結(jié)果與分析

為了檢驗(yàn)裝置對(duì)供電系統(tǒng)補(bǔ)償?shù)男Ч?，裝置投入運(yùn)行后，在6 kV總進(jìn)線處進(jìn)行數(shù)據(jù)測(cè)量（取初始狀態(tài)的三個(gè)電壓值，跟隨測(cè)定其在供電中的電壓變化狀態(tài)）。測(cè)試時(shí)間選擇某天井下采煤工作時(shí)間，裝置投入運(yùn)行后記錄時(shí)間為上午 09：50：49—10：04：09，取樣時(shí)間間隔為50 s，裝置未投入運(yùn)行后記錄時(shí)間為上午 10：04：54—10：19：54（此時(shí)線路負(fù)荷工作正常，只是裝置未投運(yùn)）；測(cè)量?jī)x器選擇福祿克公司生產(chǎn)的電能質(zhì)量分析儀，型號(hào)為FLUKE1760，測(cè)量結(jié)果及數(shù)據(jù)分析如下。

由圖6可以看出，裝置未投入運(yùn)行前，6 kV母線電壓波動(dòng)較大，電壓波動(dòng)范圍在5 800～6 080 V，勢(shì)必給線路末端電壓造成一定影響；裝置投入運(yùn)行后，系統(tǒng)母線電壓波形較穩(wěn)定，沒(méi)有太大波動(dòng)，母線電壓值穩(wěn)定在6 000 V左右，上下波動(dòng)率小于1%，線路供電電壓質(zhì)量較好，線路末端電壓較高，保證了大型供電設(shè)備的正常啟動(dòng)和運(yùn)行。

圖6 投入前后系統(tǒng)母線電壓趨勢(shì)圖

5 結(jié)論

引入礦用防爆型靜止無(wú)功發(fā)生器，對(duì)供電線路進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償，額定容量為2.5 MVar，煤礦井下供電線路需要補(bǔ)償?shù)臒o(wú)功功率容量約為2 001 kVar，滿足了煤礦井下無(wú)功補(bǔ)償及諧波治理需要，并在實(shí)踐中保證了設(shè)備的正常啟動(dòng)和運(yùn)行，為礦井電能的質(zhì)量治理提供了思路。