靜態無功發生器對提高井下供電質量的應用研究

李玉寧

（山西晉神能源有限公司，山西 忻州 036500）

引言

伴隨著我國民經濟對煤炭的需求增大，煤炭資源隨著資源的大量開采而逐步減少。由此，為保證礦井產量，大量煤礦企業已經開始從侏羅紀煤系向石炭紀煤系逐步過渡，但是，由于開采石炭紀煤系對井下機電設備，以及巷道開拓方式要求比較高，煤礦企業不斷投入高功率生產設備設施，直接影響到供電負荷的不斷加重，生產供電質量也就受到不少負面影響，因此，利用理論計算的手段，探討應用靜態無功發生器對井下機電設備起動壓降是否能夠起到明顯的作用效果。對保證礦井井下供電性能，提高供電線路的末端壓降具有重要意義。

1 影響設備啟動困難的原因及造成的影響

由于煤礦產量的增加，致使掘進工作面距離逐步加長，從而導致井下供電線路的變長、煤礦井下電壓降低；大起動電流的設備起動時會瞬間產生較大電流，使線路電壓降增大；由于用電高峰期用電設備較多；供電網絡電能質量較差，電壓波動較劇烈；上述問題均可導致使用電設備的供電電壓超出了規定波動范圍，致使用電設備起動困難，其產生的影響體現在一下三個方面：

1）導致煤礦的產量下降。

2）需要提高變壓器供電側電壓但此方法只能針對固定的工況，而煤礦井下的工況及整體的供電環境是多變的，并無固定的工況；且變壓器供電側電壓提高過大會導致出現過電壓的情況。

3）如采用移動變壓器的方法來解決用電設備起動困難的問題則存在人員工作量的不斷增加等問題。

2 靜態無功發生器對提高電壓質量具有可行性分析

東灘煤礦3304工作面所用設備及功率如下表1所示，對東灘煤礦3304工作面供電情況進行電能質量分析。

表1 工作面設備參數表

在理想情況下，3304工作面需要系數：

式中：PD為最大一臺電動機的額定功率，kW；∑PN為工作面電氣設備容量總和（不包含備用設備）。

在此，為均衡考慮，3304工作面功率因數按0.6考慮。

東灘煤礦2號變電所下轄設備重載時：有功功率為＝5 770×0.6＝3 462kW；可推出視在功率為3 462／0.6＝5 770kVA；無功功率4 616kVar；線路電流555A。

2號變電所下最重負荷的開關（帶前、后刮板機的）所帶負荷總量3 400kW，則該工作面：有功功率為＝3 440×0.6＝2 040kW；可推出視在功率為2 040／0.6＝3 400kVA；無功功率2 720kVar；該開關電流327A；

線路阻抗：R＝ρL／S，其中ρ＝0.018 9Ω·mm2／m（20 ℃），銅。3×240mm2的 （4 760＋1 600）m線路阻抗約0.5Ω；3×95mm2的2 400 m線路阻抗約0.48Ω；

線路壓降（無補償時）：線路壓降555×0.5＋327×0.48＝277.5＋157＝434.5V；無功沖擊壓降（線路末端短路容量按28.9MVA考慮）

則無功沖擊壓降為（4.616／28.9）×6＝0.958 kV

由此可知：壓降最重的前后溜子移動變壓器前端電壓應為6 300－434.5－958＝4 907.5V

通過《東灘煤礦井下電能質量數據分析》，有針對性的在工作面刮板輸送機前段加裝加裝礦用隔爆兼本質安全型鏈式靜止無功發生器 WJL－2500／6；在綜采工作面移動變壓器 KBSGY－2 500 KVA的一次側再加裝一臺 WJL－2 500／6；進行功率因數、電壓、諧波多種補償同時進行的綜合治理方案。設備進行如此增加后，補償設備總容量為5 000kVar，大于前面估算的無功功率4 616 kVar；因此可滿足將3304工作面電網功率因數提升至0.95以上，則預估補償效果為：

則2號變電所下轄設備重載時：有功功率為＝5 770×0.6＝3 462kW；可推出視在功率為3 462／0.95＝3 644kVA；無功功率近似0；線路電流351A。

2號變電所下最重負荷的開關（帶前、后刮板機的）所帶負荷總量3 400kW，則該工作面：有功功率為＝3 440×0.6＝2 040kW；可推出視在功率為2 040／0.95＝2 147kVA；無功功率近似0；該開關電流207A；

線路阻抗：R＝ρL／S，其中ρ＝0.0189Ω·mm2／m（20 ℃），銅。3×240mm2的4 760＋1 600m線路阻抗約0.5Ω；3×95mm2的2 400m線路阻抗約0.48Ω；

線路壓降（補償時）：線路壓降351×0.5＋207×0.48＝175.5＋99＝274.5V；

無功沖擊壓降（線路末端短路容量按28.9MVA考慮），因補償容量足夠，則無功沖擊近似為0。

此時，壓降最重的前后溜子移動變壓器前端電壓應6 300－274.5＝6 025.5V

因此通過理論的計算與分析，認為靜態無功發生器對提高電壓質量是可行的。

3 靜態無功發生器在礦井的實際應用

東灘煤礦深入井下了解靜態無功發生器的使用情況，了解到靜態無功發生器安裝于該礦三采區2號變電所內，為三采區3304綜放工作面提供無功補償。入井電纜電源取自地面35kV變電站，該站出口電壓為6 100V到6 200V左右，從變電站到三采區一變電所線路長度為9 170m，從三采區2號變電所到3 304工作面線路長度為1 400m，因此供電線路共計10.57km。從變電站供三趟電源至三采區2號變電所，分別進入1號、13號、14號高壓總開關，其中1號總開關代3304面兩部皮帶機、采煤機（1 480kW）、轉載機（700kW）、破碎機（250kW）等；13號總開關代3304面泵站、前溜尾及后溜頭，14號總開關代3304面泵前溜頭及后溜尾，共計總負荷為7 520kW。而防爆SVG是對1號高開所代回路進行無功補償，1號回路總負荷在4 060kW左右。在該礦變電所內我們跟蹤設備現場數據了解到，夜班生產班的時候線路末端壓降非常大，通過測試將靜止無功發生器分別兩次投入運行并采集數據，觀察電壓表示數和功率因數表示數，具體數據如下表2：通過現場數據分析：采用靜止無功發生器后，系統功率因數提高至0.95以上（與原功率因數高低有關），使變壓器及供電線路中電流下降30%，降低了無功損耗，達到節能降耗的目的，靜態無功發生器對提高電壓質量是可行的。

表2 靜態無功發生器投入前后電壓表示數和功率因數

4 結語

井下感性負荷大量產生無功功率，必然導致供電系統電網電壓波動。無功功率大，電網電壓波動幅度大，無功量變化頻率快，電網電壓波動頻率隨之加快。安裝使用靜止無功發生器后，將大部分無功功率就近補償，勢必導致供電網無功功率顯著減少，減小了電網電壓及井下變壓器二次電壓波動范圍，能夠將電壓控制在一定的數值范圍內，對提高井下電壓質量有非常顯著的作用。