煤礦配電系統的設計優化措施

孫牽瑩

(西山煤電集團有限責任公司杜兒坪礦，山西 太原 030053)

0 引 言

目前煤礦使用機械的大型化及大功率化的普及，使得礦山的用電量持續增長，用電量的增長不僅消耗了資源，同時增加了節能成本，降低了礦山的經濟效益。所以越來越多的礦山開始重點關注煤礦用電量的管理及電器節能化的技術討論和改進。此前曹亞紅[1]就對電器設備的節能進行過一定的研究，通過對電器設備的發展進行討論，給出了煤礦電器設備節能的一些可行性意見，為礦山電器節能做出一定的貢獻。李飛[2]通過對礦山電氣設備的耗電原因進行分析，在礦山機械節能的要點的基礎上，提出了礦山設備節能的一些方法，為礦山降耗作出了一定的貢獻。陳婷[3]通過對礦山的大型設備配電系統及節能設備進行分析，給出了合理的電氣配電方案，在一定程度上解決了礦山電耗較大的問題，提上了礦山的經濟效益。張夢麗[4]為了降低礦山由于電耗較大的花費，通過對礦山的電氣進行分析，給出了電氣節能的一些措施，在保證礦山使用性能的基礎上降低了礦山的能耗，為礦山的進一步發展做出了貢獻。

筆者針對煤礦耗電量大的問題，通過對礦山電氣設備工作性能等進行分析，給出了合理的電氣配電系統，達到有效降低礦山電量消耗的目標，為煤礦使用大功率機械化作業提供保障和基礎。

1 節能型配電系統優化方案

供電系統是礦山安全生產的重要保障，我國現有的對礦山節能的措施均是靠著對節能供電系統進行優化，對電壓、變壓器等設備進行節能設計，以此來達到降低礦山能耗的作用。

通過分析礦山電能消耗的主要原因，選用動態SVG無功補償器對供配電系統進行優化，與傳統的無功補償器相比，SVG具有相應更快、控制精度更高、控制范圍更大的優勢，同時SVG可以有效的實現分相調節，降低系統能耗。筆者基于SVG無功補償技術對供配電系統進行設計。供配電系統示意圖如圖1所示。

供電位置、供電電壓及節能設備的選型對礦山節能降耗也有著重要的意義，以下對供電位置、供電電壓及節能設備的選型進行分析。

(1) 供電中心設定 對供電的中心進行合理的設置，縮短低壓供電線路的長度，減小壓降。利用負載率矩對礦山的負荷中心進行確定。在確定負載中心位置后，對礦區的總壓降配電站、變電所及供電中心設置在接近負載中心的位置，這樣不僅提升了供電的效率，還在一定的程度減少了電纜數量，也在一定程度上降低了供電距離，降低了供電的電壓損耗。

圖1 綜采面供電系統示意圖

(2) 合理供電電壓選定 在完成供電中心設置后，對供電電壓進行一定的設置，供電電壓的設置一般包括容量、電負荷性質、供電距離及供電回路數等。提升電壓等級在一定程度上可以降低線損率。當配電的范圍在6～10 kV時，優選選擇10 kV高壓配電電壓，這樣可以降低供電系統的電纜損耗及能耗。但當6 kV的供電設備較多且配電容量較大時，此時考慮到礦山的經濟效益問題可以選擇6 kV高壓配電電壓。

(3) 節能變壓器選型 變壓器是礦山能源消耗的主要設備，我國的變壓器約消耗我國10%的發電量，所以提升變電器效率是礦山節能的重要一環。變電器的損耗一般包括負載損耗和空載損耗，其中空載損耗是變壓器中鐵芯渦流損耗及漏磁損耗的和。所以空載損耗與電壓電流大小等無關系，只與變壓器中鐵芯的材質及組成結構有關，所以對此方面的提升意義不大。目前我國礦山企業多采用S11節能變壓器，S11節能變壓器的鐵芯是由高導磁硅鋼片卷制而成，所以內部的鐵芯無接縫，有效的降低了磁阻。負載損耗與負載率、功率系數、損耗等有關。當負載率處于0.3～1時，變壓器的效率小于負載率0.5～0.6時的效率。當負載率達到一定的定值時變壓器的效率與功率因素成正比，根據對礦山資料進行分析，結合變壓器臺數及其容量等資料，選定變壓器的功率為0.75時最為合理。

(4) 無功補償器 在整個供電系統中，功率因素的大小會直接決定無功功率與有功功率的比值。當功率因數較低時，此時的供電系統將會對發電機發出無功功率的命令以此來達到平衡功率的作用。當發電機進行無功功率運行時，此時的供電效率將會大打折扣，所以提升功率因素可以彌補由于輸電距離遠造成的功率損耗。無功功率補償器是一種用于提升功率因數、降低能耗的裝置，功率補償器不僅可以降低功率的消耗，同時功率補償器可以提升電壓的質量。所以選擇山西汾西機電公司生產的靜止無功發生器(SVG)。SVG井下安裝位置如圖2所示。

圖2 SVG井下安裝位置示意圖

礦用SVG無功發生器可以實時對電壓的質量進行監控，根據供電系統的無功變化調節無功輸出，且響應時間為5 ms～20 ms。在補償容量足夠時，供電線路電量消耗下降30%左右。

2 節能設備選定要求

節能設備的選擇是供電系統優化的關鍵。針對此次節能型配電系統經濟性與可靠性設計的要求，節能設備必須滿足高效長壽命等優點才能達到節能降耗的效果。

(1) 變頻器 具備變頻調速功能變頻器是一種可在電機運行過程中調節轉速以達到符合負載變化的設備。而且變頻器還可以為系統提供過流、過載及過壓等問題的保護。常見的電動機啟動電流會比其額定電流高出5、6倍，且當電動機運行時運行速度及負載不同等原因會對設備的壽命及其能耗產生一定的影響，所以在系統中增加變頻器是十分必要的。

電動機在耗能中占據了絕對的地位，所以減少發動機的電耗可以有效的降低礦山能耗。發動機的選型應當選用高效節能型發動機，根據我國對中小型三相異步電機的節能評估及能效限定值的規定可以看出，高效節能三相異步電機具有性能好、壽命長、噪音小、高效節能等優點，完美符合礦山的目標要求。

(2) 礦山照明設備 節能照明設備，照明設備是礦山正常開采的重要設備，由于礦山面積大的原因，照明設備的需求量也是十分巨大的。照明設備的選擇在一定程度上會影響礦山的能耗，節能型照設備的選擇應當滿足國家對相關產品的要求，且應當盡量選擇壽命長、燈光效果好、節能等照明設備。

(3) 低電阻電纜 由于供電系統中電纜量巨大，電纜的電阻越大，供電系統中因為電阻而消耗的能耗越大。為了減小電纜的能耗，選定合適的電纜對礦山節能有著重要的意義。選電纜時應當滿足礦山對電壓的需求的前提下優先選擇電阻小、費用低、質量好的電纜[5]。

(4) 軟啟動器 軟啟動器是一種多功能的電機控制裝置，它可以實現對電機的軟啟動、軟停車及保護電機的功能。軟啟動器是利用三相反并聯晶閘管為調壓裝置，連接于電機與電源間。當采用軟啟動器對系統進行啟動時，晶閘管輸出電壓增大，電動機隨之啟動，當系統啟動完畢后，軟啟動器被旁路替換。完美實現了電機的平滑啟動，避免電機在啟動時的電流差。同時軟啟動裝置可以有效的降低電機在自由停車時產生的設備損壞。

3 優化節能系統運行效果

通過對供配電系統的監測。優化供電系統的無功補償技術增強了補償效果，有效的提高了供電系統的安全性及可靠性。

在工作面正常工作狀態下選取90 min內的145個測點，對功率因素作出分析。發現未采用SVG前平均功率因素僅為0.61，在使用SVG后功率因素提升至了0.965，補償效果顯著。采用SVG前后對比圖如圖3所示。

對優化后的綜采面負載電流波動幅度進行研究，波動情況如圖4所示。

可以看出優化后負載電流的平均值從219 A降低至171 A，有效的降低了系統線路損耗，達到了節能降耗的目的。

圖3 優化補償前后功率因數對比圖

圖4 優化前后負載電流對比圖

4 結 語

為了降低礦山的耗電量，提出對礦山配電系統合理的設計及優化，在合適位置建立供電中心、選用節能變壓器及SVG無功補償技術等方面來降低礦山的用電量。優化后的系統功率因數提升至0.965，在降低礦山用電成本的同時，提升了煤礦經濟效益，保障了大型礦山生產運行的穩定發展，為同行業配電系統設計優化提供了參考。