煤礦電能質(zhì)量治理對安全調(diào)度影響的研究

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)量進行檢驗檢測，并有針對性地進行系統(tǒng)升級改造，從而達到節(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)量實時處在優(yōu)良狀態(tài)，需定期對電能質(zhì)量進行測試與分析，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)組合實現(xiàn)無功補償并對諧波產(chǎn)生抑制；有源治理技術(shù)是指通過使用同步補償器SVG、有源濾波器等設(shè)備，對電子元件進行精準(zhǔn)操控，控制輸出電壓從而達到改善整個系統(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)電容器無功補償

并聯(lián)電容器由于具有成本廉價、穩(wěn)定性強、保養(yǎng)簡單、故障率低、易安裝等優(yōu)點，被認(rèn)為是使用最簡單、應(yīng)用最廣泛的無功補償方式。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，進而提高負(fù)荷的功率因數(shù)。

2.2 靜止動態(tài)無功補償裝置

最常見的靜止無功補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)實現(xiàn)電抗器電流的控制，進行系統(tǒng)的動態(tài)無功補償。雖然具有初期投資大、設(shè)備占用空間大的缺點，但因其可以快速進行動態(tài)補償并且功耗較小，比較適合煤礦變電所進行大容量的集中補償。

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)定運行，需要對該系統(tǒng)進行諧波測試。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型便攜式分析儀進行實驗，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)的要求進行記錄，在對諧波的測量中，取各相實測值中的單項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車系統(tǒng)引起的。由于電氣化牽引機車系統(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)計報表

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償法進行優(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，從而達到調(diào)節(jié)無功的目的。最后，同時采用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)的問題進行治理。

根據(jù)所設(shè)計的綜合補償方案，利用MATLAB/Simulink 仿真平臺對優(yōu)化方案實施前后的電壓電流波形進行計算預(yù)測。默認(rèn)模擬中電路的運行工況及各個元件均為理想狀態(tài)，仿真中所需參數(shù)按沁裕煤礦實際參數(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，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內(nèi)增加補償，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。