煤礦供電設(shè)備供電穩(wěn)定性優(yōu)化設(shè)計

杜老虎

（山西汾西正文煤業(yè)有限責(zé)任公司， 山西 呂梁 032300）

引言

為了降低企業(yè)的用電成本、提高電網(wǎng)系統(tǒng)中電能的利用率和使用效果，人們開始在供電設(shè)備中采用無功補償裝置[1]，目前世界上最常用的煤礦電網(wǎng)無功補償裝置是機械投切式無功補償裝置，但是因其本身的技術(shù)限制，也存在著過電壓和過電流問題，已經(jīng)逐漸不能滿足煤礦井下機械設(shè)備對穩(wěn)定電能的需求，因此提出了一種基于相控投切技術(shù)的全新供電設(shè)備供電方式。

1 煤礦供電設(shè)備無功補償?shù)脑?/h2>

在煤礦供電設(shè)備中同時存在著確保系統(tǒng)中用電設(shè)備正常工作所需功率的有功功率和用于在用電設(shè)備中建立并維持磁場的無功功率，這些無功功率在用電設(shè)備的電網(wǎng)、電容及電感中運行，增加了電壓損失以及電流功率損耗[2]，嚴重地影響了煤礦供電設(shè)備的供電穩(wěn)定性和電能的質(zhì)量。

在通常情況下用電的各種設(shè)備不僅需要從電網(wǎng)中獲得維持其正常運行的有功功率，同時還需要從電源處取得無功功率，此時若系統(tǒng)中的無功功率無法滿足井下用電設(shè)備的正常需求，這些設(shè)備便無法正常的建立工作電磁場，造成其無法維持在額定情況下的工作，這時用電設(shè)備的電壓就會出現(xiàn)下降，從而影響設(shè)備的正常工作。

因此為保證煤礦井下所有用電設(shè)備的正常運行，需要設(shè)置無功補償裝置。假設(shè)P為系統(tǒng)消耗的無功功率，Qc為無功補償容量，Q為電感負荷消耗的無功功率，系統(tǒng)的視在功率為S。由供電設(shè)備的功率損失公式（1）可知，在煤礦供電設(shè)備中增加無功補償裝置后，供電設(shè)備的工作時的功率損耗有所降低，設(shè)備在運行中從電網(wǎng)中獲取的無功功率也有所減少，因此極大地提高了系統(tǒng)的供電效率。

由式（2）可知在煤礦供電設(shè)備中增加無功補償裝置后，提高了煤礦供電設(shè)備供電電能的質(zhì)量，降低了供電設(shè)備中的電壓的損耗。

2 相控投切技術(shù)的原理

相控投切技術(shù)是一種控制設(shè)備開關(guān)在供電設(shè)備中的電壓和電流信號處于最佳相角時自動打開或者關(guān)閉的技術(shù)[3]，相控開關(guān)工作的基本原理如圖1所示，其整個控制過程中當(dāng)系統(tǒng)在A點處收到控制系統(tǒng)發(fā)出的閉合信號后經(jīng)過1個周期或者幾個周期，在B處完成閉合的動作，其在工作過程中的延時時間Td1可通過公式（3）得：

式中：f為供電設(shè)備的工作頻率；TZ1為控制系統(tǒng)中閉合命令和系統(tǒng)閉合參考點之間的時間間隔；Tcls為控制開關(guān)完成閉合所需的時間；Tcl為控制系統(tǒng)的處理時間。

圖1 相控開關(guān)工作基本原理圖

3 供電設(shè)備相控投切無功功率補償結(jié)構(gòu)設(shè)計

由于煤礦井下同時存在著多種多樣的用電設(shè)備，因此煤礦供電設(shè)備中同時存在著大量的非線性的沖擊載荷[4]，這就造成了供電設(shè)備在運行中會存在非常不穩(wěn)定的電壓波動，為了有效改變這種狀況，綜合以上分析，本文提出了采用具有永磁結(jié)構(gòu)的高壓開關(guān)在控制信號的過零點處投切的電容器組結(jié)構(gòu)，其不僅整體結(jié)構(gòu)簡單而且可靠性高、使用維護費用低，對供電設(shè)備的無功功率補償可靠性高，效果顯著，其整體結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。

該設(shè)備主要針對目前煤礦供電設(shè)備常用的6 000 V供電設(shè)備，其通過不同的檢測單元來檢測供電設(shè)備內(nèi)的無功功率及系統(tǒng)需要補償?shù)拿肯嗟臒o功功率，將其通過總線系統(tǒng)傳遞到控制中心，實現(xiàn)動態(tài)監(jiān)控，系統(tǒng)主要包括DSP/CPLD中心控制模塊、驅(qū)動模塊、檢驗控制模塊、信息傳輸模塊及執(zhí)行模塊。

1）DSP/CPLD中心控制模塊。主控模塊作為供電設(shè)備的核心，主要擔(dān)負著接收并分析各子模塊傳輸?shù)男畔?shù)據(jù)，根據(jù)系統(tǒng)運行情況發(fā)出控制指令，確保電網(wǎng)系統(tǒng)的安全、穩(wěn)定運行，為各用電設(shè)備提供高質(zhì)量的電能。

2）驅(qū)動模塊。在DSP/CPLD中心控制模塊發(fā)出投切控制的指令之后，需要由驅(qū)動模塊來控制開關(guān)系統(tǒng)進行開閘或者合閘操作，因此其可靠性直接影響開關(guān)系統(tǒng)的執(zhí)行情況。

3）檢驗控制模塊。檢驗控制模塊在整個控制系統(tǒng)中起著至關(guān)重要的作用，其直接決定著無功補償系統(tǒng)的補償效果，主要作用是連續(xù)不斷的對供電設(shè)備中所需要的無功功率進行檢測，并對供電設(shè)備中的信號過零點進行檢測，將檢測結(jié)果反饋給中心控制模塊。

4）信息傳輸模塊。信息傳輸系統(tǒng)起著將各檢測單元監(jiān)測到的數(shù)據(jù)信號傳遞給中心控制模塊的作用，為了保證信息傳遞的準確性和及時性，要求信息傳輸模塊不僅要具有大容量的數(shù)據(jù)傳輸能力而且要具有極強的抗電磁干擾能力、適應(yīng)惡劣環(huán)境的能力，推薦采用CAN總線模塊。

5）執(zhí)行模塊。執(zhí)行模塊作為系統(tǒng)的控制指令執(zhí)行機構(gòu)，主要由熔斷器、真空控制開關(guān)、隔離開關(guān)組成，其中熔斷器和隔離開關(guān)主要起到系統(tǒng)保護的作用，在實際工作中需要特別對真空開關(guān)的工作環(huán)境的濕度進行控制，以保證投切控制的精確性。

圖2 相控投切無功功率補償結(jié)構(gòu)

4 結(jié)論

1）通過采用永磁結(jié)構(gòu)高壓開關(guān)對供電設(shè)備的零點投切處的電容結(jié)構(gòu)進行控制，顯著提升了系統(tǒng)無功功率補償?shù)目煽啃浴?/p>

2）該新型無功補償設(shè)備整體結(jié)構(gòu)緊湊，采用模塊化設(shè)計，便于進行擴展，抗電磁干擾能力強，完全滿足煤礦惡劣工作環(huán)境下工作可靠性的需求。