曹 磊

（山西蘭花沁裕煤礦有限公司，山西 晉城 048212）

近年來，信息自動化在我國煤炭領(lǐng)域的應(yīng)用不斷加深，電子設(shè)備、智能設(shè)施得到了廣泛的使用，現(xiàn)代控制理論、精密測量技術(shù)取得了長足的進(jìn)步，但也正因如此，煤礦電網(wǎng)對電能質(zhì)量的要求也隨之提高。在電能質(zhì)量方面，主要受煤礦高功率、非線性設(shè)備的影響，致使煤礦電網(wǎng)出現(xiàn)波形畸變、電壓波動、閃變等電能質(zhì)量問題[1-2]。為了提高電能質(zhì)量、減弱供電紊亂對煤礦正常生產(chǎn)的影響，需定期對煤礦電能質(zhì)量進(jìn)行檢驗(yàn)檢測，并有針對性地進(jìn)行系統(tǒng)升級改造，從而達(dá)到節(jié)能減排、安全生產(chǎn)和提高調(diào)度應(yīng)急管理的能力[3]。

1 電能治理意義及研究現(xiàn)狀

煤礦電能質(zhì)量的優(yōu)劣對企業(yè)的安全生產(chǎn)、調(diào)度管理有著直接的影響，為了確保煤礦電網(wǎng)的電能質(zhì)量實(shí)時(shí)處在優(yōu)良狀態(tài)，需定期對電能質(zhì)量進(jìn)行測試與分析，從而制定有效的升級改善措施，因此電能質(zhì)量的治理在煤礦電網(wǎng)電力的管理工作中占據(jù)著重要的地位。

無源治理和有源治理是目前使用最多的電能質(zhì)量治理技術(shù)。其中，無源治理技術(shù)是指通過電容、電抗的系統(tǒng)組合實(shí)現(xiàn)無功補(bǔ)償并對諧波產(chǎn)生抑制；有源治理技術(shù)是指通過使用同步補(bǔ)償器SVG、有源濾波器等設(shè)備，對電子元件進(jìn)行精準(zhǔn)操控，控制輸出電壓從而達(dá)到改善整個(gè)系統(tǒng)的電能質(zhì)量的技術(shù)，該技術(shù)是我國煤礦提高電能質(zhì)量的主要方式。

2 煤礦電能質(zhì)量解決方案及對比

2.1 并聯(lián)電容器無功補(bǔ)償

并聯(lián)電容器由于具有成本廉價(jià)、穩(wěn)定性強(qiáng)、保養(yǎng)簡單、故障率低、易安裝等優(yōu)點(diǎn)，被認(rèn)為是使用最簡單、應(yīng)用最廣泛的無功補(bǔ)償方式。其工作原理是利用電容器產(chǎn)生的無功功率與電感負(fù)載的無功相互交換，從而減少負(fù)載對電網(wǎng)的無功需求，進(jìn)而提高負(fù)荷的功率因數(shù)。

2.2 靜止動態(tài)無功補(bǔ)償裝置

最常見的靜止無功補(bǔ)償器是晶閘管控制電抗器(TCR)，主要由電容器組、飽和電抗器、可控硅勵磁調(diào)節(jié)器等組成。TCR 通常和電容器并聯(lián)配合使用，通過對晶閘管的調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)電抗器電流的控制，進(jìn)行系統(tǒng)的動態(tài)無功補(bǔ)償。雖然具有初期投資大、設(shè)備占用空間大的缺點(diǎn)，但因其可以快速進(jìn)行動態(tài)補(bǔ)償并且功耗較小，比較適合煤礦變電所進(jìn)行大容量的集中補(bǔ)償。

3 煤礦生產(chǎn)調(diào)度應(yīng)急管理現(xiàn)狀

生產(chǎn)調(diào)度的應(yīng)急管理是實(shí)現(xiàn)煤礦安全管理工作中的重要一環(huán)，但隨著采煤方法和技術(shù)的更新，煤礦向高產(chǎn)、高效、高安全性的方向發(fā)展。采煤設(shè)備和生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)的智能化水平、機(jī)械化程度不斷提高，生產(chǎn)調(diào)度對電能質(zhì)量的要求也日益提升[4]。因此為有效遏制煤礦事故的發(fā)生，必須有穩(wěn)定可靠的電力系統(tǒng)做支撐。

4 煤礦電網(wǎng)電能質(zhì)量測試結(jié)果分析

4.1 礦井工作面電氣系統(tǒng)

沁裕煤礦建有一座10kV變電站，變電站雙源引自不同上級110kV 變電站母線段，礦井裝機(jī)容量1750kW。井下在2#煤水平、15#煤水平均設(shè)置變電所，為井下運(yùn)輸、排水及采掘工作面提供電源。

4.2 電能質(zhì)量測試標(biāo)準(zhǔn)及設(shè)備

為保證沁裕煤礦10kV 變電站電氣設(shè)備的安全穩(wěn)定運(yùn)行，需要對該系統(tǒng)進(jìn)行諧波測試。電能質(zhì)量測試的分析與評估工作需根據(jù)《電網(wǎng)電能質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督管理規(guī)定》、《電能質(zhì)量公用電網(wǎng)諧波》、《電能質(zhì)量三相電壓允許不平衡度》等文件測試。通過定期對電能質(zhì)量的狀況測試，可以很好地掌握公司內(nèi)部電能質(zhì)量水平，從而對其電能質(zhì)量治理狀況進(jìn)行全面的總結(jié)和評估，起到提高公司與電網(wǎng)協(xié)調(diào)運(yùn)行的水平。

沁裕煤礦的電能質(zhì)量測試將采用BCM3000型便攜式分析儀進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，該測試儀器滿足IEC及國家電能質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)相關(guān)要求，在對儀器完成校準(zhǔn)后，將在進(jìn)行測試期間全程固定安裝在沁裕煤礦10kV電氣系統(tǒng)內(nèi)部。

4.3 10kV I段系統(tǒng)測試結(jié)果

測量數(shù)據(jù)依據(jù)電能質(zhì)量國家標(biāo)準(zhǔn)的要求進(jìn)行記錄，在對諧波的測量中，取各相實(shí)測值中的單項(xiàng)最大值作為判斷諧波是否超過允許值的依據(jù)。其中A相與B相電壓總畸變趨勢圖如圖1所示。

根據(jù)圖1（a）、圖1（b）諧波電流的變化趨勢和流向顯示，下網(wǎng)諧波的出現(xiàn)幾率較大，可以理解為電網(wǎng)中電能質(zhì)量較差的電流諧波是經(jīng)上級電網(wǎng)向本礦電網(wǎng)注入，從而導(dǎo)致下網(wǎng)諧波出現(xiàn)電能質(zhì)量下降。

表1 為最大25 次諧波電壓含有率的測試數(shù)據(jù)表，可以看出沁裕煤礦電網(wǎng)電能質(zhì)量不高，具有總畸變率最大值較高、電壓和電流不平衡的問題。經(jīng)過深入分析與研究發(fā)現(xiàn)，造成該問題的主要原因是由于上級變電站所帶有的電氣化牽引機(jī)車系統(tǒng)引起的。由于電氣化牽引機(jī)車系統(tǒng)是作為單相負(fù)荷接入企業(yè)電網(wǎng)，在電流系統(tǒng)中會產(chǎn)生一定的負(fù)序分量，導(dǎo)致沁裕煤礦電網(wǎng)的電壓和電流出現(xiàn)不平衡的現(xiàn)象，并且造成總畸變率最大值的升高。

表1 電能質(zhì)量統(tǒng)計(jì)報(bào)表

4.4 電能質(zhì)量治理方案研究

根據(jù)對電能質(zhì)量測試結(jié)果的研究發(fā)現(xiàn)，影響沁裕煤礦電能質(zhì)量的主要因素是電壓、電流不平衡度和諧波指標(biāo)較高。由于這些問題是由上級變電站電能質(zhì)量較差引起，因此需要針對該方面進(jìn)行優(yōu)化。首先要求上級變電站對流入本礦的電流質(zhì)量進(jìn)行嚴(yán)格把控，提高電流質(zhì)量與穩(wěn)定性；其次需對三相不平衡電流采用綜合補(bǔ)償法進(jìn)行優(yōu)化，具體如下：選用具有分相調(diào)節(jié)能力、響應(yīng)迅速的無功補(bǔ)償裝置SVG，利用自換相橋式變流器來控制輸出到電網(wǎng)的可控電壓和電流，從而達(dá)到調(diào)節(jié)無功的目的。最后，同時(shí)采用MARS裝置（Mains-ActiveRestoringSystem，電能質(zhì)量有源恢復(fù)系統(tǒng)）在對諧波電流超標(biāo)的問題進(jìn)行治理。

根據(jù)所設(shè)計(jì)的綜合補(bǔ)償方案，利用MATLAB/Simulink 仿真平臺對優(yōu)化方案實(shí)施前后的電壓電流波形進(jìn)行計(jì)算預(yù)測。默認(rèn)模擬中電路的運(yùn)行工況及各個(gè)元件均為理想狀態(tài)，仿真中所需參數(shù)按沁裕煤礦實(shí)際參數(shù)設(shè)定：諧波最大值設(shè)定阻容感性負(fù)載參數(shù)為R=15Ω，L=0.04H；阻容性負(fù)載參數(shù)為R=15Ω，C=0.4×10-3F。

如圖2（a）所示，未投入綜合補(bǔ)償措施前，變壓器二次側(cè)（a 相）的電壓、電流會出現(xiàn)一定比例的諧波，與實(shí)測結(jié)果一致，證明該模擬系統(tǒng)具有較高的精確度；圖2（b）為綜合補(bǔ)償后，負(fù)荷側(cè)電壓、電流波形，a 相變壓器二次側(cè)三相的電壓、電流波形處于同一相位，基本上是標(biāo)準(zhǔn)的正弦波，說明該裝置對諧波起到了良好的抑制作用。另外，電壓、電流的幅值也沒有發(fā)生顯著變化。由此可知綜合補(bǔ)償法可以很好地改善沁裕煤礦所出現(xiàn)的電壓、電流諧波超標(biāo)的情況，對電能質(zhì)量的提高十分有利。

5 結(jié)束語

我國煤礦行業(yè)的自動化水平突飛猛進(jìn)，輔助智能系統(tǒng)的不斷應(yīng)用對煤礦電網(wǎng)的電能質(zhì)量提出了更高的要求，如何保障穩(wěn)定可靠的電力供應(yīng)，是保障煤炭企業(yè)安全調(diào)度的重要工作。目前在對電能質(zhì)量治理方式的選擇上，企業(yè)普遍會在變電所的公共接入點(diǎn)內(nèi)增加補(bǔ)償，而忽略對煤礦電網(wǎng)內(nèi)部尤其是井下用電設(shè)備采區(qū)治理。沁裕煤礦為此采用了綜合補(bǔ)償法，并應(yīng)用效果良好，為煤礦電能質(zhì)量的提升提供了借鑒作用，分析認(rèn)為這一技術(shù)的發(fā)展具有廣闊的發(fā)展前景。