長距離掘進工作面大功率設備啟動無功補償技術

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，煤質優良。隨著機械化的進步，采煤機械化生產對生產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，對煤礦產量有嚴重影響。針對上述問題經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，提高井下供電系統的穩定性與安全性，降低電能損耗，保證生產、穩定產量，提高經濟效益[1]。

1 原工作面供電系統存在的主要問題

1) 功率因數低(電能利用率低)。工作面供電母線自然功率因數普遍為0.7左右，遠低于經濟優化運行功率因數0.95，在自然功率因數情況下，大量的感性設備只能從配電網線路上吸收無功，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) 不產生系統串、并聯諧振，系統運行更可靠。

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電壓同步的三相交流電壓，再通過電抗器并聯接入電網，適當地調節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出滿足要求的無功電流，使其處于容性、感性或零負荷狀態，利用無功補償裝置實現動態無功補償的目的,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生器(SVG)的研發

通過對井下22301掘進工作面供電電能質量的分析，依據22301掘進工作面供配電系統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生器(即防爆SVG)。通過總體方案論證、理論分析和數值計算、隔爆結構設計、軟件設計研發、樣機研制、性能測試及系統調試等，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功率因數，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，采用星形接法通過電抗器連入供電系統。控制器采集系統電壓及系統、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、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) 散熱系統設計。對功率器件的發熱量進行計算、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。由于產品將在掘進工作面安裝使用，產品體積設計盡量減小。主要技術經濟指標:

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

(2) 響應時間：動態響應時間小于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《電能質量公用電網諧波》的要求。

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

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：集中波動范圍由補償前的0.5～0.8提高到了0.9以上。

2) 系統電壓：補償點系統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，系統電流為331 A，補償電流為228 A，系統線電壓為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，系統電流下降了495 A-331 A=164 A， 系統電壓提高了1 062 V-869 V=193 V。

圖2 SVG井下安裝示意圖

5 經濟效益

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

2) 節省電纜投資費用。 按目前調研的電纜價格,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，通過計算可節省電纜投資98 000元。

3) 項目實施后保障了掘進生產的順利進行， 提高了供電變壓器的容量利用率，避免了可能出現的變壓器帶載能力不足的情況，節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，提高了供電系統的安全可靠性。

6 結論

通過在西山煤電屯蘭煤礦北三盤區右翼某掘進工作面增加靜止無功發生器(SVG)后，可增加變壓器的有功功率，改善供電系統電能質量，提升功率因數和末端電壓，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，既節能降耗又減少煤礦企業的電費支出，從總體上獲得了明顯的經濟效益。