鄭煥友

（山東能源龍礦集團(tuán)，山東 龍口 265700）

1 煤礦電能質(zhì)量問(wèn)題

根據(jù)礦井安全生產(chǎn)的需要，煤礦裝備向重型化、智能化方面不斷發(fā)展，裝備能力的提高，生產(chǎn)的穩(wěn)定性和連續(xù)性得到較好的保證，設(shè)備的故障率得到大幅降低。但隨之帶來(lái)正常運(yùn)行時(shí)有功功率相對(duì)較低，負(fù)荷率較低，功率因數(shù)偏低，電能損耗較為嚴(yán)重，造成煤礦用電設(shè)備無(wú)法可靠工作，主要影響因素有功率因數(shù)、電壓偏差、電壓波動(dòng)與閃變、諧波、三相不平衡、瞬時(shí)或暫時(shí)過(guò)電壓、電壓暫降、暫升及供電連續(xù)性等。功率因數(shù)偏低會(huì)使供電設(shè)備運(yùn)行效率降低，用電設(shè)備的利用率降低，煤礦企業(yè)生產(chǎn)成本增加。系統(tǒng)電壓損失增大，容易造成電壓波動(dòng)或閃變，使供電系統(tǒng)運(yùn)行質(zhì)量嚴(yán)重下降，用電設(shè)備運(yùn)行效率受到嚴(yán)重影響，電能輸送過(guò)程損耗增加，造成電能質(zhì)量下降，運(yùn)行成本增高，安全運(yùn)行可靠系數(shù)降低，所以，通過(guò)比較分析，煤礦電能質(zhì)量歸根結(jié)底來(lái)說(shuō)絕大部分是由無(wú)功功率和諧波引起的系列性問(wèn)題，如何進(jìn)行針對(duì)性的無(wú)功補(bǔ)償，對(duì)促進(jìn)供電系統(tǒng)安全、穩(wěn)定運(yùn)行，提高單位經(jīng)濟(jì)效益具有重要意義。

2 無(wú)功補(bǔ)償技術(shù)

2.1 無(wú)功功率

所謂無(wú)功功率就是電動(dòng)機(jī)等設(shè)備為建立交變磁場(chǎng)和感應(yīng)磁通而需要的電功率。無(wú)功功率在系統(tǒng)中對(duì)外不做功，但它并不是“無(wú)用”的電功率，相反，無(wú)功功率在設(shè)備運(yùn)行工作時(shí)起到非常重要的作用，如果供電網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中無(wú)功功率過(guò)高，用電設(shè)備就無(wú)法正常工作。

2.2 無(wú)功補(bǔ)償技術(shù)發(fā)展

無(wú)功補(bǔ)償技術(shù)又稱為“無(wú)功功率補(bǔ)償”，它能夠改進(jìn)和提高各單位供電系統(tǒng)及設(shè)備的功率因數(shù)，有效降低供電耗程度，穩(wěn)定電網(wǎng)電壓，提高電能利用效率，是當(dāng)前提高電能質(zhì)量的一項(xiàng)關(guān)鍵性技術(shù)。

現(xiàn)有的補(bǔ)償技術(shù)發(fā)展走勢(shì)為：

（1）調(diào)壓式電容器動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置。該裝置是利用電容器輸出容量與電容器運(yùn)行電壓的平方成正比的原理，通過(guò)調(diào)節(jié)電容器兩端的工作電壓，調(diào)節(jié)電容器發(fā)出的無(wú)功總量，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償。該裝置響應(yīng)速度慢，不具備濾波、抑制電壓波動(dòng)、治理三相不平衡等功能，且現(xiàn)場(chǎng)負(fù)荷小時(shí)易出現(xiàn)過(guò)補(bǔ)，行業(yè)內(nèi)基本不再使用。

（2）晶閘管分級(jí)投切電容器（TSC）。該裝置由若干組并聯(lián)的晶閘管閥組控制，進(jìn)行快速投切，設(shè)備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，損耗小，但是響應(yīng)速度慢和不具備濾波功能，適合諧波較小和負(fù)荷比較穩(wěn)定的現(xiàn)場(chǎng)使用。

（3）TCR+FC型動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置。該設(shè)備采用高壓晶閘管閥組以及空心式相控電抗器，以及FC濾波器組，通過(guò)調(diào)節(jié)晶閘管的觸發(fā)角來(lái)改變TCR的無(wú)功輸出。該種裝置在有軌鐵路、金屬冶煉、電力系統(tǒng)等行業(yè)應(yīng)用比較普遍，但是由于設(shè)備系統(tǒng)限制，總體體積較大，不適宜在煤礦井下使用。

（4）靜止無(wú)功發(fā)生器SVG（Static Var Generator）技術(shù)。靜止無(wú)功發(fā)生器SVG是將電壓源型逆變器經(jīng)過(guò)電抗器并聯(lián)在電網(wǎng)上，通過(guò)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，通過(guò)檢測(cè)系統(tǒng)中所需的無(wú)功，可以快速發(fā)出大小相等、相位相反的無(wú)功，實(shí)現(xiàn)無(wú)功的就地平衡，保持系統(tǒng)實(shí)時(shí)高功率因數(shù)運(yùn)行。

隨著行業(yè)技術(shù)的應(yīng)用發(fā)展，SVG的技術(shù)先進(jìn)性比較突出，特點(diǎn)如下：① 響應(yīng)時(shí)間更快。SVG響應(yīng)時(shí)間：≤5ms，傳統(tǒng)補(bǔ)償裝置響應(yīng)時(shí)間10～100ms；② 抑制電壓閃變能力更強(qiáng)。SVG對(duì)電壓閃變的抑制可以達(dá)到5∶1，甚至更高；③ 運(yùn)行范圍受供電網(wǎng)絡(luò)電壓影響較小。當(dāng)運(yùn)行電壓降低時(shí)，能夠保持穩(wěn)定的無(wú)功電流，而電容器類補(bǔ)償裝置供電網(wǎng)絡(luò)電壓與無(wú)功電流成正比，這是電容器類補(bǔ)償裝置技術(shù)實(shí)施應(yīng)用的不同。此外，SVG的補(bǔ)償范圍是-100%～100%，即SVG即可發(fā)出感性無(wú)功，亦可發(fā)出容性無(wú)功，這是SVG裝置無(wú)可比擬的技術(shù)優(yōu)勢(shì)；④ 實(shí)現(xiàn)多種補(bǔ)償功能。既可以單獨(dú)補(bǔ)償負(fù)載不平衡、設(shè)備無(wú)功、系統(tǒng)諧波等，又同時(shí)補(bǔ)償負(fù)載不平衡、設(shè)備無(wú)功、系統(tǒng)諧波等；⑤ 諧波含量極低。采用了PWM及多電平載波移相技術(shù)的SVG，不僅自身產(chǎn)生的諧波含量極低，還能夠?qū)ο到y(tǒng)內(nèi)產(chǎn)生的諧波進(jìn)行補(bǔ)償，實(shí)現(xiàn)功能多樣化；⑥ 設(shè)備損耗極低。SVG設(shè)備本身的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)特點(diǎn)，與煤礦供電系統(tǒng)高壓變頻裝置的結(jié)構(gòu)類型相似，所以設(shè)備損耗相近。靜止無(wú)功發(fā)生器由多個(gè)逆變器串聯(lián)組成，總的損耗一般不超過(guò)設(shè)備總?cè)萘康?.8%，再加上控制系統(tǒng)，散熱系統(tǒng)等，靜止無(wú)功發(fā)生器設(shè)備總損耗大約在設(shè)備容量的1%左右；⑦ 設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定。行業(yè)內(nèi)有關(guān)單位使用基本達(dá)到零故障率。

3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用探討

龍鄆煤業(yè)一采區(qū)下部變電所位于龍鄆煤業(yè)井下一采區(qū)，采用雙回路供電，進(jìn)線電源電壓10kV，所內(nèi)總負(fù)荷約6960kW，主要擔(dān)負(fù)采煤工作面、主運(yùn)輸皮帶機(jī)、采區(qū)泵房等設(shè)備供電。目前主要存在設(shè)備無(wú)功功率大、功率因數(shù)低（負(fù)載運(yùn)行時(shí)電網(wǎng)功率因數(shù)在0.6～0.75之間）、末端電壓低（負(fù)載運(yùn)行時(shí)網(wǎng)側(cè)電壓最低在9900V左右）、波動(dòng)大、線路損耗嚴(yán)重、諧波干擾嚴(yán)重、對(duì)通訊系統(tǒng)干擾等問(wèn)題。

經(jīng)過(guò)綜合研究，動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償技術(shù)應(yīng)用比較成熟和穩(wěn)定，特別是礦用隔爆型無(wú)功補(bǔ)償裝置已經(jīng)在煤炭行業(yè)多個(gè)單位現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，效果良好。龍鄆煤業(yè)在一采區(qū)變電所安裝投入了一臺(tái)WJL-5000/10型礦用隔爆兼本安型鏈?zhǔn)届o止無(wú)功發(fā)生器。如圖1所示。

圖1 WJL-5000/10型礦用隔爆兼本安型鏈?zhǔn)届o止無(wú)功發(fā)生器構(gòu)架圖

該設(shè)備主要由主控制系統(tǒng)、水冷功率單元變流器、水冷電抗器、隔離及充電回路、水冷系統(tǒng)、顯示系統(tǒng)及防爆殼體等幾部分組成。

該設(shè)備采用自換相的電力半導(dǎo)體橋式變流器來(lái)進(jìn)行動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償，采用APF（有源濾波器）技術(shù)，具有較好的動(dòng)態(tài)性能，采用水冷功率單元級(jí)聯(lián)方式，輸出電壓電平數(shù)高達(dá)17電平，正弦度較高，采用了先進(jìn)的水冷電抗器，其單位容量較大，產(chǎn)品外形尺寸（長(zhǎng)×寬×高，mm）4404×1220×1626，重量10500kg，較傳統(tǒng)補(bǔ)償裝置具有體積更小、散熱效果明顯、單位容量大的特點(diǎn)。

3.1 設(shè)備技術(shù)數(shù)據(jù)

設(shè)備自投運(yùn)后，運(yùn)行穩(wěn)定，各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)較投運(yùn)前效果明顯，具體如下所述。

3.1.1 未開啟防爆SVG，設(shè)備運(yùn)行時(shí)無(wú)補(bǔ)償狀態(tài)

（1）輕載時(shí)（負(fù)荷400～1000kW），供電電壓在10130V～10330V，比空載時(shí)壓降約250V；線路電流40～75A；平均功率因數(shù)0.63～0.72；

（2）中載時(shí)（負(fù)荷1000～2000kW），供電電壓在9946V～10210V，比空載時(shí)壓降約350～400V；線路電流81～148A；平均功率因數(shù)0.64～0.83；

（3）重載時(shí)（負(fù)荷2000～2500kW），供電電壓在9930V～10069V，比空載時(shí)壓降約450～480V；線路電流173～184A；平均功率因數(shù)0.73～0.75；

3.1.2 開啟防爆SVG，設(shè)備運(yùn)行時(shí)，有補(bǔ)償狀態(tài)

（1）輕載時(shí)（負(fù)荷400～1000kW），供電電壓在10189V～10360V，比無(wú)補(bǔ)償時(shí)電壓抬升約50V；線路電流25～53A，下降幅度約30%；功率因數(shù)0.986～0.989；

（2）中載時(shí)（負(fù)荷1000～2000kW），供電電壓在10020V～10440V，比無(wú)補(bǔ)償時(shí)電壓抬升約230V；線路電流68A～105A，下降幅度約31.6%；功率因數(shù)0.98左右；

（3）重載時(shí)（負(fù)荷2000～2500kW），供電電壓在10090V～10226V，比無(wú)補(bǔ)償時(shí)電壓抬升約160V；線路電流118～138A，下降幅度約27%；功率因數(shù)0.98左右。

3.2 效益分析

鏈?zhǔn)椒辣o止無(wú)功發(fā)生器（SVG）投入使用后，重載時(shí)10kV電網(wǎng)電流減少了約50A，補(bǔ)償無(wú)功約2100kVar；電網(wǎng)功率因數(shù)由平均0.7左右提高到0.98。根據(jù)每投入1kVar的無(wú)功可以節(jié)省約0.1kW的有功功率來(lái)計(jì)算（按電費(fèi)0.65元/kW·h計(jì)算）：

每年直接節(jié)電效益：2100kVar×0.1×24×30×12=1814400kW·h。

設(shè)備自身?yè)p耗量：2100kVar×0.007×24×30×12=127008kW·h（自身?yè)p耗約為其容量的0.7%）。

設(shè)備一年冷卻用水量及費(fèi)用：75L/min×60×24×30×12×1t/m3＝ 38880t。以每噸水3元計(jì)算，一年的用水費(fèi)用為：3×38880=11.66萬(wàn)。

結(jié)論：自使用WJL-5000/10型礦用隔爆兼本安型鏈?zhǔn)届o止無(wú)功發(fā)生器后，一年直接節(jié)約費(fèi)用為：（1814400kW·h - 127008kW·h）×0.65-11.66 萬(wàn)=98.02萬(wàn)元(因現(xiàn)有負(fù)荷比預(yù)估小，設(shè)備補(bǔ)償能力僅僅發(fā)揮了約40%）。

4 結(jié)束語(yǔ)

實(shí)踐證明，通過(guò)在龍鄆煤業(yè)一采區(qū)下部變電所安裝礦用隔爆兼本安型鏈?zhǔn)届o止無(wú)功發(fā)生器，系統(tǒng)線路功率因數(shù)穩(wěn)定保持在0.98，線路電流較投運(yùn)前下降約30%，線路端電壓抬升2%，較好地解決了該地點(diǎn)大功率設(shè)備啟動(dòng)時(shí)壓降較大、啟動(dòng)困難、對(duì)電網(wǎng)沖擊大的問(wèn)題。經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益比較明顯，每年能夠節(jié)約電費(fèi)近百萬(wàn)元，節(jié)能效果較好，特別是能夠增強(qiáng)供電系統(tǒng)穩(wěn)定性及設(shè)備的抗干擾性，是煤礦等企業(yè)安全生產(chǎn)和節(jié)能降耗的關(guān)鍵設(shè)備，對(duì)促進(jìn)企業(yè)節(jié)能減排、提高經(jīng)濟(jì)效益具有至關(guān)重要的作用。