金莉鑫

（山西焦煤西山煤電（集團(tuán)）有限責(zé)任公司東曲煤礦，山西 太原 030200）

隨著煤礦井下掘進(jìn)工作面采掘設(shè)備重型化、智能化、成套化技術(shù)的不斷發(fā)展，掘進(jìn)工作面設(shè)備裝機(jī)功率不斷提高，供電距離不斷增加，導(dǎo)致設(shè)備端電壓壓降增大，設(shè)備啟動(dòng)困難，故障頻發(fā)，已經(jīng)不能滿足智能化掘進(jìn)工作面生產(chǎn)需求，成為制約煤礦掘進(jìn)工作面安全、高效生產(chǎn)的重要因素[1-2]。在分析煤礦井下掘進(jìn)工作面供電現(xiàn)狀的前提下，提出三種基于無(wú)功補(bǔ)償技術(shù)的掘進(jìn)工作面長(zhǎng)距離供電方案，以其中一種長(zhǎng)距離供電方案完成應(yīng)用分析，達(dá)到延長(zhǎng)掘進(jìn)工作面供電距離的目的。

1 掘進(jìn)工作面供電現(xiàn)狀分析

東曲煤礦掘進(jìn)一隊(duì)工作面位于主井1870 m 點(diǎn)處，距底彎道避險(xiǎn)硐室82 m。該掘進(jìn)工作面的主要用電設(shè)備包括EBZ260 掘進(jìn)機(jī)、十臂錨桿鉆車、皮帶輸送機(jī)、自移機(jī)尾等成套掘進(jìn)裝備，裝機(jī)功率約960 kW，掘進(jìn)機(jī)供電電源為1140 V，其余設(shè)備供電電源為660 V。采區(qū)配電硐室位于1918 m 處，距工作面80 m，由兩臺(tái)630 kVA 變壓器和饋電組向掘進(jìn)工作面供電。該掘進(jìn)工作面實(shí)際運(yùn)行時(shí)發(fā)現(xiàn)，傳輸至掘進(jìn)機(jī)端電壓由1250 V 下降至1089 V，瞬時(shí)可下降至760 V，穩(wěn)態(tài)工作后端電壓為1043 V。因此，為滿足用電設(shè)備末端電壓，傳統(tǒng)解決方案為頻繁移動(dòng)井下移動(dòng)變電站，縮短移動(dòng)變電站與用電設(shè)備之間距離，達(dá)到提高用電設(shè)備末端電壓的目的[3-5]。

2 掘進(jìn)工作面長(zhǎng)距離供電方案分析

2.1 集中補(bǔ)償方案

掘進(jìn)工作面長(zhǎng)距離供電集中補(bǔ)償方案拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1，自井上35 kV 變電所至井下10 kV 中央變電所，中央變電所至采區(qū)變電所，采區(qū)變電所再至掘進(jìn)工作面，10 kV 供電電纜長(zhǎng)度最長(zhǎng)可達(dá)10 km，末端多個(gè)掘進(jìn)工作面的大功率設(shè)備啟動(dòng)及正常工作時(shí)系統(tǒng)中存在大量的無(wú)功功率，嚴(yán)重影響掘進(jìn)工作面用電設(shè)備的供電質(zhì)量。僅僅通過(guò)終端補(bǔ)償及終端設(shè)備變頻啟動(dòng)的方式不能有效解決10 kV 高壓輸電線路上的電能質(zhì)量問題，需要采用集中補(bǔ)償方案提升對(duì)整個(gè)長(zhǎng)距離供電系統(tǒng)的電能質(zhì)量[6-7]。10 kV 大容量無(wú)功補(bǔ)償裝置，配置在井下10 kV 高壓供電線路中，可以對(duì)多個(gè)掘進(jìn)工作面的所有負(fù)荷進(jìn)行集中補(bǔ)償，配合終端補(bǔ)償及終端設(shè)備變頻解決方案，可以從系統(tǒng)層面提高掘進(jìn)工作面電能質(zhì)量功率因數(shù)、濾除電網(wǎng)諧波，提升供電線路傳輸及供電能力，達(dá)到長(zhǎng)距離高效節(jié)能供電的目的。

圖1 掘進(jìn)工作面長(zhǎng)距離供電集中補(bǔ)償方案

掘進(jìn)工作面長(zhǎng)距離供電集中補(bǔ)償方案能夠穩(wěn)定高壓輸電電纜供電電壓，改善掘進(jìn)工作面長(zhǎng)距離供電系統(tǒng)電能質(zhì)量；可以補(bǔ)償供電線路中的無(wú)功電流，降低供電線路電流，降低無(wú)功損耗；可以提高供電系統(tǒng)功率因數(shù)，配置容量足夠前提下可由0.5 以下提升至0.99；可以濾除供電系統(tǒng)中存在的諧波，降低各用電設(shè)備故障率，提高設(shè)備運(yùn)行可靠性，大幅降低人力成本和物力成本。

2.2 終端綜合補(bǔ)償方案

煤礦井下掘進(jìn)工作面的大型負(fù)荷設(shè)備與配套的供電電源之間的長(zhǎng)距離供電、大型負(fù)荷的沖擊，使得供電電纜末端負(fù)載側(cè)的電源電壓偏低，電網(wǎng)諧波含量大。針對(duì)無(wú)功電流在電纜上所引起的電壓降問題可以采取終端無(wú)功補(bǔ)償?shù)姆桨附鉀Q，在補(bǔ)償無(wú)功電流的基礎(chǔ)上，動(dòng)態(tài)、實(shí)時(shí)調(diào)控末端設(shè)備的供電電源電壓，補(bǔ)償因有功電流在電纜上產(chǎn)生的電壓降，從而保證末端設(shè)備的工作電源電壓需求[8-10]。掘進(jìn)工作面長(zhǎng)距離供電終端綜合補(bǔ)償方案拓?fù)淙鐖D2。

圖2 掘進(jìn)工作面長(zhǎng)距離供電終端綜合補(bǔ)償方案

掘進(jìn)工作面長(zhǎng)距離供電終端綜合補(bǔ)償方案能夠?qū)崟r(shí)跟蹤負(fù)荷變化，動(dòng)態(tài)連續(xù)平滑補(bǔ)償無(wú)功功率，提高供電系統(tǒng)設(shè)備容量的利用率；能夠動(dòng)態(tài)、實(shí)時(shí)地調(diào)控電源末端設(shè)備的供電電源電壓，補(bǔ)償因有功電流在電纜上產(chǎn)生的電壓降；能夠?qū)⒕蜻M(jìn)工作面用電設(shè)備啟動(dòng)時(shí)電壓補(bǔ)償至額定電網(wǎng)電壓的97%，滿載運(yùn)行時(shí)電網(wǎng)電壓值可補(bǔ)償至額定電網(wǎng)電壓的99%，解決長(zhǎng)距離供電時(shí)末端電源電壓低的問題；延長(zhǎng)移動(dòng)變壓器與后級(jí)負(fù)荷設(shè)備的供電距離，避免因末端電源電壓低而頻繁移動(dòng)變壓器設(shè)備，減輕煤礦井下掘進(jìn)、綜采作業(yè)面的工作強(qiáng)度，提高工作效率；保護(hù)功能齊全，具有過(guò)壓、欠壓、過(guò)流、單元過(guò)熱、不均壓等保護(hù)，便于確定故障點(diǎn)，維護(hù)方便。

2.3 終端單獨(dú)補(bǔ)償方案

煤礦井下大型負(fù)荷設(shè)備與移動(dòng)變電站之間的供電距離較長(zhǎng)，設(shè)備啟動(dòng)瞬間產(chǎn)生較大無(wú)功沖擊，造成末端電壓跌落嚴(yán)重，設(shè)備啟動(dòng)困難。采取終端單獨(dú)無(wú)功補(bǔ)償裝置對(duì)掘進(jìn)工作面用電設(shè)備單獨(dú)補(bǔ)償方式解決，將低壓防爆SVG 配置在掘進(jìn)工作面，并接于負(fù)荷設(shè)備側(cè)，可以快速跟設(shè)備啟動(dòng)瞬間產(chǎn)生的沖擊電流，調(diào)節(jié)交流側(cè)輸出電壓的幅值和相位，發(fā)出無(wú)功進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償，用于提高末端網(wǎng)壓，穩(wěn)定設(shè)備運(yùn)行，節(jié)能降耗。掘進(jìn)工作面長(zhǎng)距離供電終端單獨(dú)補(bǔ)償方案拓?fù)淙鐖D3。

圖3 掘進(jìn)工作面長(zhǎng)距離供電終端單獨(dú)補(bǔ)償方案

掘進(jìn)工作面長(zhǎng)距離供電終端單獨(dú)方案能夠?qū)崟r(shí)跟蹤負(fù)荷變化，動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度快，響應(yīng)時(shí)間≤20 ms，動(dòng)態(tài)連續(xù)平滑補(bǔ)償無(wú)功功率；設(shè)備內(nèi)部與電纜并聯(lián)，不影響負(fù)荷正常工作；投切時(shí)無(wú)暫態(tài)沖擊，無(wú)合閘涌流，無(wú)需放電即可再投；在額定電流的前提下，輸出電流諧波（THD）≤3%；具有過(guò)壓、欠壓、過(guò)流、單元過(guò)熱、不均壓等保護(hù)，便于確定故障點(diǎn)，易維護(hù)，運(yùn)行可靠性高；支持長(zhǎng)距離供電，延長(zhǎng)供電距離，減少移動(dòng)變電站移動(dòng)頻次，節(jié)約人力成本。

3 應(yīng)用分析

為驗(yàn)證掘進(jìn)工作面長(zhǎng)距離供電方案的正確性和適用性，基于終端單獨(dú)補(bǔ)償方案，在山西焦煤西山煤電（集團(tuán)）有限責(zé)任公司東曲煤礦掘進(jìn)工作面進(jìn)行工業(yè)試驗(yàn)，補(bǔ)償終端對(duì)象為EBZ260 型掘進(jìn)機(jī)。該工作面最長(zhǎng)掘進(jìn)距離為2.2 km，供電電纜型號(hào)為MYP-0.66/1.14kV 2×（3×95+1×20），根據(jù)電纜壓降模型計(jì)算，采用終端單獨(dú)補(bǔ)償方案即可滿足2.2 km 長(zhǎng)距離供電需求。

實(shí)際應(yīng)用時(shí)，補(bǔ)償設(shè)備為1140 V 防爆低壓SVG，輸入信號(hào)為三相、50 Hz、1140 V 電壓，輸出額定電壓信號(hào)為最大輸出電壓同輸入電源電壓相同、輸出額定電流為100%額定電流連續(xù)、輸出頻率為0～120 Hz 且可設(shè)定。防爆低壓SVG 試運(yùn)行3個(gè)月后，根據(jù)試運(yùn)行統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)：1）能穩(wěn)定電壓，補(bǔ)償后無(wú)功功率減少，系統(tǒng)中電壓、電流相對(duì)變化幅度較小，能起到穩(wěn)定電網(wǎng)電壓的作用；2）能有效降低井下高壓配電線路的線路電壓損耗，解決末端負(fù)荷設(shè)備啟動(dòng)困難、電機(jī)受損的問題；3）可補(bǔ)償掘進(jìn)機(jī)負(fù)載無(wú)功，將功率因數(shù)由0.47 提升至0.92，可有效治理3、5、7 次等低次諧波，提高供電系統(tǒng)的利用率；4）能提高電網(wǎng)的功率因數(shù)，達(dá)到節(jié)能降耗的目的；5）能有效延長(zhǎng)煤礦井下掘進(jìn)工作面的作業(yè)距離，延長(zhǎng)供電距離，減輕勞動(dòng)強(qiáng)度，提高掘進(jìn)效率。

掘進(jìn)工作面配置低壓防爆SVG 無(wú)功補(bǔ)償裝置，通過(guò)提升功率因數(shù)、減小負(fù)荷電流、提高負(fù)載有效利用率等因素可實(shí)現(xiàn)節(jié)能供電，在提高電能質(zhì)量的同時(shí)大幅節(jié)省電費(fèi)支出。根據(jù)無(wú)功經(jīng)濟(jì)當(dāng)量計(jì)算，每1 kvar 年節(jié)電量可表示為式（1）：

式中：P為年節(jié)電量，kW·h；Qc為有效無(wú)功補(bǔ)償容量，kvar；Cb1為無(wú)功經(jīng)濟(jì)當(dāng)量，取值為0.1～0.15，物理意義為每補(bǔ)償1 kvar 無(wú)功時(shí)有功損耗降低的千瓦數(shù)值；Tn為設(shè)備年運(yùn)行時(shí)間，以掘進(jìn)機(jī)為例，按照年運(yùn)行300 d，按每天16 h 計(jì)算，該值可取為4800 h。

根據(jù)式（1）可知，P=1×0.1×4800=480。按照設(shè)備每年工作4800 h，按電價(jià)0.58 元計(jì)算，每1 kvar 年節(jié)電費(fèi)用為480×0.58=278.4 元。按照1 個(gè)掘進(jìn)工作面1 臺(tái)1140 V、500 kvar 低壓防爆SVG 為例，每年節(jié)省電費(fèi)約為13.92 萬(wàn)元。

4 結(jié)語(yǔ)

為達(dá)到煤礦井下掘進(jìn)工作面長(zhǎng)距離供電的目的，分析了在不同供電部位進(jìn)行供電電能質(zhì)量補(bǔ)償?shù)娜N方案，可對(duì)煤礦井下掘進(jìn)工作面供電電網(wǎng)中的無(wú)功、諧波進(jìn)行補(bǔ)償，有效解決設(shè)備端電壓壓降、供電距離短、故障率高的問題。將低壓防爆SVG應(yīng)用于掘進(jìn)工作面EBZ260掘進(jìn)機(jī)并完成工業(yè)試驗(yàn)，驗(yàn)證了文中提出的終端單獨(dú)補(bǔ)償方案的正確性和有效性，具有參考和應(yīng)用價(jià)值。