郭志強(qiáng)

1 引言

煤礦井下供電是煤礦生產(chǎn)中的重要組成部分，供電質(zhì)量是影響以及制約煤炭企業(yè)產(chǎn)能的重要指標(biāo)之一。近年來隨著井下各種設(shè)備的自動化程度升高，設(shè)備的非線性負(fù)荷大量接入井下電網(wǎng)系統(tǒng)，以及開采過程中供電距離的增加，各用電設(shè)備自身的無功功率損耗的存在，輸電系統(tǒng)缺乏及時的無功調(diào)節(jié)，使得煤礦井下電網(wǎng)功率因數(shù)偏低，井下電網(wǎng)供電質(zhì)量受到嚴(yán)重影響，導(dǎo)致供電系統(tǒng)的穩(wěn)定性降低、電壓偏低、電壓波動及閃變、甚至電網(wǎng)崩潰。因此，解決井下采煤機(jī)、皮帶運轉(zhuǎn)機(jī)等負(fù)載造成的井下供電系統(tǒng)功率因數(shù)低、諧波THD高等問題成為了煤炭企業(yè)主要研究的目標(biāo)之一。

2 礦用隔爆兼本質(zhì)安全型靜止無功發(fā)生器（SVG）的原理及功能特點

2.1 防爆SVG原理簡介

礦用隔爆兼本質(zhì)安全型靜止無功發(fā)生器，其技術(shù)原理同地面SVG基本一致，只是其是按照煤礦井下環(huán)境設(shè)備用要求，專門研制的用于井下的防爆SVG，以下簡稱為防爆SVG（Static Var Generator）。防爆SVG 的基本原理是：將電壓源型逆變器，經(jīng)過電抗器并聯(lián)在電網(wǎng)上。電壓源型逆變器包含直流電容和逆變橋兩個部分，其中逆變橋由可關(guān)斷的半導(dǎo)體器件IGBT組成。

圖1 SVG實現(xiàn)無功補(bǔ)償原理

工作中，通過調(diào)節(jié)逆變橋中IGBT 器件的開關(guān)，可以控制直流逆變到交流的電壓的幅值和相位，因此，整個裝置相當(dāng)于一個調(diào)相電源。通過檢測系統(tǒng)中所需的無功，可以快速發(fā)出大小相等、相位相反的無功，實現(xiàn)無功的就地平衡，保持系統(tǒng)實時高功率因數(shù)運行。圖1為SVG實現(xiàn)無功補(bǔ)償?shù)脑?。將電網(wǎng)系統(tǒng)看作一個電壓源，SVG可以看作一個可控電壓源，連接電抗器或者可以等效成一個線形阻抗元件。

2.2 防爆SVG主要功能及特點

在煤礦井下動態(tài)無功補(bǔ)償與諧波治理方面,防爆SVG 得到越來越廣泛的應(yīng)用，其具有以下主要功能和特點：

（1）防爆SVG 可以補(bǔ)償無功電流，在無功補(bǔ)償后功率因數(shù)可達(dá)0.95 以上，使被補(bǔ)償線路電流下降30%以上，大幅減小線路損耗，提高移動變壓器負(fù)載能力，節(jié)能效果明顯。

（2）防爆SVG 通過補(bǔ)償無功電流，有效降低被補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)的無功突變，減小網(wǎng)絡(luò)電壓波動，抑制閃變，使供電電壓更加平穩(wěn)。

（3）防爆SVG 具有濾波功能（APF），在提升功率因數(shù)同時還能有效抑制線路的5、7、11、13次諧波。

（4）電壓補(bǔ)償功能：在額定補(bǔ)償能力范圍內(nèi)，補(bǔ)償后終端電壓可達(dá)到電壓設(shè)定值。

3 燕子山礦盤區(qū)供電存在的問題

3.1 燕子山礦盤區(qū)供電概況

燕子山礦302盤區(qū)4#層布置2個盤區(qū)變電所，三趟入井電纜供生產(chǎn)電源，型號為：MYJV22-3×240mm2。入井電纜編號及負(fù)荷分別是：2325 線路5 290 kW ；2337線路6 550 kW；2338線路7 561 kW。并且三趟線路都采用升壓供電。其中2337、2325供電線路負(fù)荷綜采工作面8214、8212 較大，承擔(dān)燕子山礦主要生產(chǎn)任務(wù)，但由于供電距離長達(dá)6 500 m，線路損耗嚴(yán)重，井下生產(chǎn)負(fù)荷重載時，4#層2#變電所電壓波動范圍從5 300 V～6 200 V，系統(tǒng)存在900 V 的壓降；傳送至遠(yuǎn)端工作面時，電壓降至4.8 kV 左右，導(dǎo)致設(shè)備無法正常運行，嚴(yán)重制約日常生產(chǎn)計劃的完成。

3.2 由供電質(zhì)量較低引發(fā)的電氣事故

電壓降嚴(yán)重，經(jīng)計算4#層8214 工作面電壓降為26.78%，8212 工作面電壓壓降為27.87%，4#層最遠(yuǎn)工作面電壓降為28.39%；造成設(shè)備啟動困難。功率因數(shù)經(jīng)升壓站測試最低達(dá)到0.41，平均為0.6；井下諧波嚴(yán)重?zé)o法解決，經(jīng)常性引起用電設(shè)備（旋轉(zhuǎn)電機(jī)、電容器、變壓器）發(fā)熱，使絕緣老化降低了設(shè)備使用壽命，并且引起一些保護(hù)設(shè)備誤動作。

4 礦用隔爆兼本質(zhì)安全型靜止無功發(fā)生器（SVG）應(yīng)用

4.1 防爆SVG綜合治理電能效果明顯

同煤集團(tuán)燕子山礦于2017 年4 月24 日和2017 年7月31日在4#層2#變電所內(nèi)陸續(xù)安裝投入使用了兩臺型號為WJL-2500/6000的隔爆兼本質(zhì)安全型鏈?zhǔn)届o止無功發(fā)生器(以下簡稱防爆鏈?zhǔn)絊VG)。在安裝使用后，4#層2#變電所的6 000 V母線電網(wǎng)的電能質(zhì)量綜合治理效果非常明顯，主要體現(xiàn)在以下幾方面：功率因數(shù)大大提高；網(wǎng)側(cè)電流明顯減小，節(jié)能降耗效果顯著；穩(wěn)定了電網(wǎng)母線電壓，提高末端電壓，使各負(fù)載設(shè)備正常啟動，穩(wěn)定運行。

4.2 SVG投運后現(xiàn)場工況實測數(shù)據(jù)

表1 2337線路SVG補(bǔ)償前后的數(shù)據(jù)對比

從上表數(shù)據(jù)來看，在負(fù)載啟動瞬間和負(fù)載運行中兩種情況下，防爆SVG 投入運行后4#層2#變電所的母線電壓全線抬升分別約700 V左右和300 V左右，使用SVG 進(jìn)行補(bǔ)償后，其功率因數(shù)一直穩(wěn)定在0.99 以上。補(bǔ)償功率因數(shù)效果明顯。

4.3 運行數(shù)據(jù)

因進(jìn)線電壓波動，為便于對比，分別選取手工抄錄時空載電壓5 700 V 左右和空載電壓5 900 V 時，負(fù)荷運行所對應(yīng)的相關(guān)數(shù)據(jù)。

(1)空載電壓5800V左右時，重載運行數(shù)據(jù)：

網(wǎng)側(cè)電壓A網(wǎng)側(cè)電壓B網(wǎng)側(cè)電壓C補(bǔ)償電流A補(bǔ)償電流B補(bǔ)償電流C 5681 5640 5658 5680 5642 5656 5699 5659 5677 123 126 121 123 126 122 124 126 122網(wǎng)側(cè)電流A網(wǎng)側(cè)電流B網(wǎng)側(cè)電流C有功功率/kW無功功率/kVar功率因數(shù)115 106 111 115 106 111 115 108 113 1044 1019 1070-30.73-43.77-45.33 1 1 1

(2)空載電壓6150V左右時，重載運行數(shù)據(jù)：

?

重載時（負(fù)荷800 kW～1600 kW 時）：供電電壓在5 650 V～5 920 V左右；比空載時壓降約150 V～200 V；線路電流80 V～160 A；平均功率因數(shù)近似1。

(3)重載起動時運行數(shù)據(jù)：

此時為電網(wǎng)電壓波動最劇烈的時候，但時間較短，度過此暫態(tài)時段，運行工況同上文重載時運行數(shù)據(jù)。

分析：

重載起動時（負(fù)荷1 250 kW～2 600 kW時）：供電電壓根據(jù)空載電壓的不同在5250 V～5 700 V（與空載電壓5800 V～6150 V 相對應(yīng)；比無補(bǔ)償時電壓抬升約500 V；線路電流300 A～600 A；下降幅度約35%；平均功率因數(shù)從0.35左右，抬升至0.7左右。

圖2 燕子山礦防爆SVG現(xiàn)場安裝效果圖

4.4 防爆SVG安裝產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益

在計算時，節(jié)約的按最小單位0.1 kW 計算，而設(shè)備損耗按最大值0.8%計算，則系統(tǒng)中每投入1 kVar的無功功率，其節(jié)能系數(shù)約為：

防爆SVG設(shè)備具有數(shù)據(jù)自動采集記錄功能，可記錄設(shè)備累計運行時間，累計發(fā)出的無功量，導(dǎo)出該數(shù)據(jù)如下：

累計發(fā)出無功量/kVarh 12503998 7724759.5序號1 2設(shè)備安裝位置2337線路2325線路累計運行時間/s 37500806 37859244

電費按燕子山礦現(xiàn)行電價0.63 元每千瓦時計算，則由上述數(shù)據(jù)可計算出：

2337 線路防爆SVG 累計節(jié)能：12503998×0.092×0.63=74.47萬元

實際設(shè)備節(jié)約電費要大于計算值。

5 總結(jié)

在燕子山礦4#層2#變電所投運井下防爆SVG無功補(bǔ)償設(shè)備后，提高了變電所內(nèi)的功率因數(shù)；減少線路損耗，穩(wěn)定了負(fù)載末端電壓，負(fù)載啟動順利；提高了變電站6KV 母線出線支路電纜輸電傳輸能力;年節(jié)能降耗效益可觀，經(jīng)計算每臺每年可節(jié)約電費80余萬元。有效提高了4#層2#變電所的供電質(zhì)量，減少了電氣事故的發(fā)生，有效延長了采面用電設(shè)備使用壽命。