煤礦6 kV防爆型鏈式SVG裝置的工程應用

段興堯

（山西新景礦煤業有限責任公司， 山西 陽泉 045000）

引言

目前我國煤炭庫存過大、煤炭需求量低迷，這就要求煤礦企業進一步降低生產成本來擺脫目前所處的行業困境。因此，充分考慮將先進的靜止無功發生器技術推廣應用到煤礦井下供電系統，對井下存在的電能質量問題進行治理。礦用隔爆高壓鏈式靜止無功發生器的研究與應用能夠響應國家節能環保政策，最大限度地發揮供電系統的供電能力、節約電能，消除諧波、保證設備正常啟動和工作，減少電氣故障率、提高設備使用年限，對煤礦安全、綠色、高效生產有著較高的現實意義，勢必成為煤礦井下安全供電的可靠技術裝備。

1 工程案例分析

某煤礦供電電壓等級為35 kV，井下供電網絡選取雙回路電源送電模式，經礦井1號和2號35 kV主變電站變成6 kV供電電源下井后去往井下中央變電所，供電線路長10 km，兩臺主變容量分別為12 500 kVA和800 kVA，兩段母線分別單獨供電，并通過聯絡開關互為熱備。該煤礦井下6 kV區域負荷中心是綜采面電氣設備工作的關鍵，區域變電所供電電源引至上一級變電所，分不同支路為下一級采區變電所供電，最后經移變擔負各自采區的采、掘、開等任務，供電系統圖如圖1所示。

2 供電線系統存在的問題

綜采面工作負荷設備經常集中重載啟動，啟動反反復復，并且長時間滿負荷運行，使得供電線路末端電壓較低，電壓畸變現象突出，線路功率因數較低，經常發生電氣設備不能正常啟動等現象，嚴重影響了生產效率和生產質量。

3 6 kV礦用隔爆SVG裝置結構

6 kV供電系統作為煤礦主要供電線路，供電線路覆蓋井下所有的設備負荷，部分負荷存在重載啟動，啟動頻繁，長時間滿載運行等問題，使得6 kV供電系統存在嚴重的電能質量問題，所以必須對6 kV供電線路裝設無功補償裝置[1]。

圖1 煤礦井下6 kV區域負荷中心供電系統圖

根據井下電氣設備運行環境要求及本文提出的控制方法，最終設計研制出礦用防爆型鏈式SVG，額定電壓6 kV，額定容量-2 500（感性）～2 500 kVar（容性），其外觀結構如圖2所示。SVG裝置由電抗器箱和補償箱兩個箱體組成，方便井下運輸和維護保養。裝置大體分為四個部分，即：連接電抗器部分、啟動部分、功率單元部分及控制器部分，同時還有二次控制保護部分、水冷散熱部分以及光電隔離部分。

圖2 6 kV礦用SVG裝置實物圖

1）連接電抗器部分。連接電抗器安裝在電抗器箱內，對裝置起到諧波治理作用的同時控制SVG的補償電流大小。裝置逆變部分采用電壓源型逆變電路，通過PWM程序控制產生近似正弦波的多電平階梯波，經過電抗器后生成補償電流。

2）功率單元部分。功率單元部分主要為H橋功率模塊，結構如圖3-1所示，其開關器件采用進口英飛凌公司的IGBT，質量可靠，運行速度快，當系統發生故障時，可在1 ms時間內將故障模塊旁路掉，每個H橋功率模塊含有兩個IGBT開關器件，IGBT模塊如圖3-2所示。

圖3 功率模塊結構圖

3）控制器部分。裝置控制部分框圖如圖4所示，控制部分以PLC做主站，觸摸屏和主控板為分站，PLC與主控制器、PLC與觸摸屏、主控制器與遠程監控之間采用串行通信方式，實現系統分層控制[2]。

圖4 控制器構成框圖

4 SVG裝置的應用

4.1 設計目標

根據煤礦井下6 kV區域負荷中心供電系統實際情況，本文對井下6 kV供電網絡進行電能質量治理的設計目標為：

1）根據現場實際情況，通過計算分析，設計方案目標在井下區域負荷中心設計安裝一套6 kV礦用隔爆SVG裝置，進行供電系統的電能質量治理。補償裝置現場安裝示意圖如圖5所示。

2）將6 kV母線上電網總功率因數穩定在某一設定值，長期不過補。

3）將母線電壓穩定在6 kV±6 kV×1%，從而保證母線上所有的負荷設備能夠正常啟動運行。

4）在裝置投運后，不與系統發生諧振，并具有一定的諧波治理能力。

4.2 補償容量的分析確定

按照系統負載率70%計算，補償前系統功率因數為cosφ1=0.88，補償后系統功率因數目標為cosφ2=0.99，系統所需要無功功率計算如下：

圖5 裝置現場安裝示意圖

現場共有三個用電設備，功率分別為3 600 kW、1 500 kW、2 100 kW，系統負荷總功率P=7 200 kW。

通過以上計算，若考慮負載過載運行時所需的最大無功功率，并將系統功率因數穩定在0.99以上，最終確定煤礦井下6 kV供電線路需要補償的無功功率容量約為2 001 kVar，本文設計開發的6 kV礦用隔爆SVG額定容量為2.5 MVar，所以該裝置能夠滿足煤礦井下無功補償及諧波治理需要，還留有一定余量。

4.3 運行測試結果與分析

為了檢驗裝置對供電系統補償的效果，裝置投入運行后，在6 kV總進線處進行數據測量（取初始狀態的三個電壓值，跟隨測定其在供電中的電壓變化狀態）。測試時間選擇某天井下采煤工作時間，裝置投入運行后記錄時間為上午 09：50：49—10：04：09，取樣時間間隔為50 s，裝置未投入運行后記錄時間為上午 10：04：54—10：19：54（此時線路負荷工作正常，只是裝置未投運）；測量儀器選擇福祿克公司生產的電能質量分析儀，型號為FLUKE1760，測量結果及數據分析如下。

由圖6可以看出，裝置未投入運行前，6 kV母線電壓波動較大，電壓波動范圍在5 800～6 080 V，勢必給線路末端電壓造成一定影響；裝置投入運行后，系統母線電壓波形較穩定，沒有太大波動，母線電壓值穩定在6 000 V左右，上下波動率小于1%，線路供電電壓質量較好，線路末端電壓較高，保證了大型供電設備的正常啟動和運行。

圖6 投入前后系統母線電壓趨勢圖

5 結論

引入礦用防爆型靜止無功發生器，對供電線路進行無功補償，額定容量為2.5 MVar，煤礦井下供電線路需要補償的無功功率容量約為2 001 kVar，滿足了煤礦井下無功補償及諧波治理需要，并在實踐中保證了設備的正常啟動和運行，為礦井電能的質量治理提供了思路。