藏克培

(西山煤電集團公司 屯蘭煤礦， 山西 古交 030200)

0 引言

我國作為世界上煤炭資源豐富的國家之一，不僅儲量大，而且分布廣，煤質優(yōu)良。隨著機械化的進步，采煤機械化生產(chǎn)對生產(chǎn)加工所需的設備以及一些輔助運輸設備也提出了相關要求。西山煤電屯蘭礦北三盤區(qū)右翼某掘進工作面巷道長度2 700 m，掘進機供電電纜約3 300 m，隨著掘進的延伸，供電線路的電壓波動明顯、遠距離掘進工作面壓降大、設備難啟動等問題，造成井下輸配電效率降低，線損加大，增加了煤礦用電成本，對煤礦產(chǎn)量有嚴重影響。針對上述問題經(jīng)分析研究在遠距離掘進工作面采取無功補償措施，從而保證電壓質量，提高井下供電系統(tǒng)的穩(wěn)定性與安全性，降低電能損耗，保證生產(chǎn)、穩(wěn)定產(chǎn)量，提高經(jīng)濟效益[1]。

1 原工作面供電系統(tǒng)存在的主要問題

1) 功率因數(shù)低(電能利用率低)。工作面供電母線自然功率因數(shù)普遍為0.7左右，遠低于經(jīng)濟優(yōu)化運行功率因數(shù)0.95，在自然功率因數(shù)情況下，大量的感性設備只能從配電網(wǎng)線路上吸收無功，輸送無功功率在線路上所引起的無功電流,增大了線路電流和發(fā)熱，增大線路的功率損耗、電壓損耗，從而間接增加了用電成本[2]。

2) 啟動瞬間壓降嚴重。類似大功率電動機等沖擊性負載啟動的瞬間，電流突然升高，導致電壓瞬間被拉低，產(chǎn)生劇烈的電壓波動，對啟動和正常運行的設備均造成啟動困難或頻繁燒毀等后果，因而增加煤礦設備維修成本，另外間接影響煤炭產(chǎn)量[3]。通過計算,可知當掘進巷道最遠距離1 400 m時，掘進隊組的供電線路電壓損失較大，掘進機電動機啟動時端電壓不能達到額定電壓的75%，因此掘進機啟動困難問題比較突出。

2 無功補償方案探討

2.1 無功補償技術優(yōu)勢

1) 響應時間更快，SVG響應時間小于20 ms。

2) 運行范圍更寬，既能補償容性無功，又能補償感性無功，且無功電流不受電網(wǎng)電壓的影響。

3) 補償功能多樣化，可單獨補償無功、諧波，也可同時進行綜合治理。

4) 電壓波動和閃變的抑制能力強。

5) SVG的占地面積通常只有相同容量SVC的50%，甚至更少。

6) 損耗小，即同容量TCR型SVC的25%。

7) 不產(chǎn)生系統(tǒng)串、并聯(lián)諧振，系統(tǒng)運行更可靠。

2.2 無功補償原理

其基本原理就是控制自換相橋式電路中可關斷型器件的通斷，將電容上的直流電壓轉換成為與電力系統(tǒng)電壓同步的三相交流電壓，再通過電抗器并聯(lián)接入電網(wǎng)，適當?shù)卣{(diào)節(jié)橋式電路交流側輸出電壓的幅值和相位，或者直接控制其交流側電流使該電路吸收或者發(fā)出滿足要求的無功電流，使其處于容性、感性或零負荷狀態(tài)，利用無功補償裝置實現(xiàn)動態(tài)無功補償?shù)哪康?原理圖如圖1所示。

圖1 SVG原理

3 礦用隔爆兼本質安全型掘進機靜止無功發(fā)生器(SVG)的研發(fā)

通過對井下22301掘進工作面供電電能質量的分析，依據(jù)22301掘進工作面供配電系統(tǒng)及大功率負荷設備配置情況，設計礦用隔爆兼本質安全型掘進機靜止無功發(fā)生器(即防爆SVG)。通過總體方案論證、理論分析和數(shù)值計算、隔爆結構設計、軟件設計研發(fā)、樣機研制、性能測試及系統(tǒng)調(diào)試等，形成防爆SVG設計方案。采取SVG無功補償措施后，從根本上解決掘進工作面生產(chǎn)時電壓降大、設備啟動困難等安全供電問題,同時提高掘進面供電系統(tǒng)功率因數(shù)，減小供電線路及變壓器電能損耗。

1) 功率模塊及控制器設計。功率模塊是SVG的核心部分，由H橋功率模塊構成三相對稱系統(tǒng)，采用星形接法通過電抗器連入供電系統(tǒng)。控制器采集系統(tǒng)電壓及系統(tǒng)、SVG電流信號，采用AD+FPGA+DSP電路對輸入輸出信號進行檢測、分析后做出處理，對各功率模塊進行SPWM波形生成、觸發(fā)、封鎖IGBT，使無功補償裝置提供相應幅值和相位的電壓輸出。

2) 散熱系統(tǒng)設計。對功率器件的發(fā)熱量進行計算、校核，進而選擇合適的散熱配置。全部功率器件(IGBT)布置在同一個熱管散熱基板上，采用熱管加風冷的散熱方式，將功率器件產(chǎn)生的熱量用熱管導出至防爆殼體外部，再用防爆風機將熱量帶到周圍空氣中。

3) 產(chǎn)品結構設計。應用SolidWorks三維建模軟件進行實體仿真，使結構布置更加合理。將功率模塊全部安裝于散熱基板上，電抗器與功率模塊之間設置擋板進行隔離，合理利用空間。由于產(chǎn)品將在掘進工作面安裝使用，產(chǎn)品體積設計盡量減小。主要技術經(jīng)濟指標:

(1) 輸出容量： -260(感性)～260 kvar(容性)，無功連續(xù)可調(diào)。

(2) 響應時間：動態(tài)響應時間小于20 ms。

(3) 諧波電壓：去除背景諧波電壓后，注入系統(tǒng)公共連接點母線的諧波電壓總畸變率、奇次諧波電壓含有率、偶次諧波電壓含有率均滿足中華人民共和國國家標準GB/T 14549—1993《電能質量公用電網(wǎng)諧波》的要求。

(4) 功率因數(shù)：采用無功補償措施后，掘進工作面系統(tǒng)功率因數(shù)平均不低于0.95，且不出現(xiàn)過補。

4 實際應用技術效果

無功補償裝置安裝在工作面運輸巷道，如圖2所示。應用效果如下：

1) 功率因數(shù)：集中波動范圍由補償前的0.5～0.8提高到了0.9以上。

2) 系統(tǒng)電壓：補償點系統(tǒng)電壓集中波動范圍由補償前的1 140 V～1 210 V提高到了1 170 V～1 240 V，末端電壓提高了2.5%左右。

3) 系統(tǒng)電流：集中波動范圍由補償前的60 A～150 A提高到了30 A～130 A，電流下降了30%左右。

4) SVG設備未投入運行時，掘進電機啟動瞬間系統(tǒng)電流與負荷電流值相等，均為471 A，負荷無功電流為367 A，系統(tǒng)線電壓為502×1.732=869 V；SVG設備投入運行后，掘進電動機啟動瞬間負荷電流為495 A，系統(tǒng)電流為331 A，補償電流為228 A，系統(tǒng)線電壓為613×1.732=1 062 V。這就是說，SVG設備投入運行前后，掘進機啟動瞬間，系統(tǒng)電流下降了495 A-331 A=164 A， 系統(tǒng)電壓提高了1 062 V-869 V=193 V。

圖2 SVG井下安裝示意圖

5 經(jīng)濟效益

1) 節(jié)省電費支出。通過計算，電費按0.5元/(kW·h)計算，年節(jié)省電費為：M=Pj×0.5=74 250元。

2) 節(jié)省電纜投資費用。 按目前調(diào)研的電纜價格,95 mm2礦用移動橡套電纜價格為205元/m；120 mm2礦用移動橡套電纜價格為240元/m；工作面供電距離為2 800 m，通過計算可節(jié)省電纜投資98 000元。

3) 項目實施后保障了掘進生產(chǎn)的順利進行， 提高了供電變壓器的容量利用率，避免了可能出現(xiàn)的變壓器帶載能力不足的情況，節(jié)省了更換變壓器的投資費用。同時， 降低了線路總電流，減慢電路老化，增加用電設備的出力和用電效率，延長電氣設備使用壽命，降低了用電設備投資和維修費用，提高了供電系統(tǒng)的安全可靠性。

6 結論

通過在西山煤電屯蘭煤礦北三盤區(qū)右翼某掘進工作面增加靜止無功發(fā)生器(SVG)后，可增加變壓器的有功功率，改善供電系統(tǒng)電能質量，提升功率因數(shù)和末端電壓，提高用電設備的使用水平和使用壽命，從而提高了設備安全運行水平，既節(jié)能降耗又減少煤礦企業(yè)的電費支出，從總體上獲得了明顯的經(jīng)濟效益。