礦用靜止無(wú)功發(fā)生器(SVG)在煤礦井下應(yīng)用研究

郭志強(qiáng)

1 引言

煤礦井下供電是煤礦生產(chǎn)中的重要組成部分，供電質(zhì)量是影響以及制約煤炭企業(yè)產(chǎn)能的重要指標(biāo)之一。近年來(lái)隨著井下各種設(shè)備的自動(dòng)化程度升高，設(shè)備的非線(xiàn)性負(fù)荷大量接入井下電網(wǎng)系統(tǒng)，以及開(kāi)采過(guò)程中供電距離的增加，各用電設(shè)備自身的無(wú)功功率損耗的存在，輸電系統(tǒng)缺乏及時(shí)的無(wú)功調(diào)節(jié)，使得煤礦井下電網(wǎng)功率因數(shù)偏低，井下電網(wǎng)供電質(zhì)量受到嚴(yán)重影響，導(dǎo)致供電系統(tǒng)的穩(wěn)定性降低、電壓偏低、電壓波動(dòng)及閃變、甚至電網(wǎng)崩潰。因此，解決井下采煤機(jī)、皮帶運(yùn)轉(zhuǎn)機(jī)等負(fù)載造成的井下供電系統(tǒng)功率因數(shù)低、諧波THD高等問(wèn)題成為了煤炭企業(yè)主要研究的目標(biāo)之一。

2 礦用隔爆兼本質(zhì)安全型靜止無(wú)功發(fā)生器（SVG）的原理及功能特點(diǎn)

2.1 防爆SVG原理簡(jiǎn)介

礦用隔爆兼本質(zhì)安全型靜止無(wú)功發(fā)生器，其技術(shù)原理同地面SVG基本一致，只是其是按照煤礦井下環(huán)境設(shè)備用要求，專(zhuān)門(mén)研制的用于井下的防爆SVG，以下簡(jiǎn)稱(chēng)為防爆SVG（Static Var Generator）。防爆SVG 的基本原理是：將電壓源型逆變器，經(jīng)過(guò)電抗器并聯(lián)在電網(wǎng)上。電壓源型逆變器包含直流電容和逆變橋兩個(gè)部分，其中逆變橋由可關(guān)斷的半導(dǎo)體器件IGBT組成。

圖1 SVG實(shí)現(xiàn)無(wú)功補(bǔ)償原理

工作中，通過(guò)調(diào)節(jié)逆變橋中IGBT 器件的開(kāi)關(guān)，可以控制直流逆變到交流的電壓的幅值和相位，因此，整個(gè)裝置相當(dāng)于一個(gè)調(diào)相電源。通過(guò)檢測(cè)系統(tǒng)中所需的無(wú)功，可以快速發(fā)出大小相等、相位相反的無(wú)功，實(shí)現(xiàn)無(wú)功的就地平衡，保持系統(tǒng)實(shí)時(shí)高功率因數(shù)運(yùn)行。圖1為SVG實(shí)現(xiàn)無(wú)功補(bǔ)償?shù)脑怼㈦娋W(wǎng)系統(tǒng)看作一個(gè)電壓源，SVG可以看作一個(gè)可控電壓源，連接電抗器或者可以等效成一個(gè)線(xiàn)形阻抗元件。

2.2 防爆SVG主要功能及特點(diǎn)

在煤礦井下動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償與諧波治理方面,防爆SVG 得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用，其具有以下主要功能和特點(diǎn)：

（1）防爆SVG 可以補(bǔ)償無(wú)功電流，在無(wú)功補(bǔ)償后功率因數(shù)可達(dá)0.95 以上，使被補(bǔ)償線(xiàn)路電流下降30%以上，大幅減小線(xiàn)路損耗，提高移動(dòng)變壓器負(fù)載能力，節(jié)能效果明顯。

（2）防爆SVG 通過(guò)補(bǔ)償無(wú)功電流，有效降低被補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)的無(wú)功突變，減小網(wǎng)絡(luò)電壓波動(dòng)，抑制閃變，使供電電壓更加平穩(wěn)。

（3）防爆SVG 具有濾波功能（APF），在提升功率因數(shù)同時(shí)還能有效抑制線(xiàn)路的5、7、11、13次諧波。

（4）電壓補(bǔ)償功能：在額定補(bǔ)償能力范圍內(nèi)，補(bǔ)償后終端電壓可達(dá)到電壓設(shè)定值。

3 燕子山礦盤(pán)區(qū)供電存在的問(wèn)題

3.1 燕子山礦盤(pán)區(qū)供電概況

燕子山礦302盤(pán)區(qū)4#層布置2個(gè)盤(pán)區(qū)變電所，三趟入井電纜供生產(chǎn)電源，型號(hào)為：MYJV22-3×240mm2。入井電纜編號(hào)及負(fù)荷分別是：2325 線(xiàn)路5 290 kW ；2337線(xiàn)路6 550 kW；2338線(xiàn)路7 561 kW。并且三趟線(xiàn)路都采用升壓供電。其中2337、2325供電線(xiàn)路負(fù)荷綜采工作面8214、8212 較大，承擔(dān)燕子山礦主要生產(chǎn)任務(wù)，但由于供電距離長(zhǎng)達(dá)6 500 m，線(xiàn)路損耗嚴(yán)重，井下生產(chǎn)負(fù)荷重載時(shí)，4#層2#變電所電壓波動(dòng)范圍從5 300 V～6 200 V，系統(tǒng)存在900 V 的壓降；傳送至遠(yuǎn)端工作面時(shí)，電壓降至4.8 kV 左右，導(dǎo)致設(shè)備無(wú)法正常運(yùn)行，嚴(yán)重制約日常生產(chǎn)計(jì)劃的完成。

3.2 由供電質(zhì)量較低引發(fā)的電氣事故

電壓降嚴(yán)重，經(jīng)計(jì)算4#層8214 工作面電壓降為26.78%，8212 工作面電壓壓降為27.87%，4#層最遠(yuǎn)工作面電壓降為28.39%；造成設(shè)備啟動(dòng)困難。功率因數(shù)經(jīng)升壓站測(cè)試最低達(dá)到0.41，平均為0.6；井下諧波嚴(yán)重?zé)o法解決，經(jīng)常性引起用電設(shè)備（旋轉(zhuǎn)電機(jī)、電容器、變壓器）發(fā)熱，使絕緣老化降低了設(shè)備使用壽命，并且引起一些保護(hù)設(shè)備誤動(dòng)作。

4 礦用隔爆兼本質(zhì)安全型靜止無(wú)功發(fā)生器（SVG）應(yīng)用

4.1 防爆SVG綜合治理電能效果明顯

同煤集團(tuán)燕子山礦于2017 年4 月24 日和2017 年7月31日在4#層2#變電所內(nèi)陸續(xù)安裝投入使用了兩臺(tái)型號(hào)為WJL-2500/6000的隔爆兼本質(zhì)安全型鏈?zhǔn)届o止無(wú)功發(fā)生器(以下簡(jiǎn)稱(chēng)防爆鏈?zhǔn)絊VG)。在安裝使用后，4#層2#變電所的6 000 V母線(xiàn)電網(wǎng)的電能質(zhì)量綜合治理效果非常明顯，主要體現(xiàn)在以下幾方面：功率因數(shù)大大提高；網(wǎng)側(cè)電流明顯減小，節(jié)能降耗效果顯著；穩(wěn)定了電網(wǎng)母線(xiàn)電壓，提高末端電壓，使各負(fù)載設(shè)備正常啟動(dòng)，穩(wěn)定運(yùn)行。

4.2 SVG投運(yùn)后現(xiàn)場(chǎng)工況實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)

表1 2337線(xiàn)路SVG補(bǔ)償前后的數(shù)據(jù)對(duì)比

從上表數(shù)據(jù)來(lái)看，在負(fù)載啟動(dòng)瞬間和負(fù)載運(yùn)行中兩種情況下，防爆SVG 投入運(yùn)行后4#層2#變電所的母線(xiàn)電壓全線(xiàn)抬升分別約700 V左右和300 V左右，使用SVG 進(jìn)行補(bǔ)償后，其功率因數(shù)一直穩(wěn)定在0.99 以上。補(bǔ)償功率因數(shù)效果明顯。

4.3 運(yùn)行數(shù)據(jù)

因進(jìn)線(xiàn)電壓波動(dòng)，為便于對(duì)比，分別選取手工抄錄時(shí)空載電壓5 700 V 左右和空載電壓5 900 V 時(shí)，負(fù)荷運(yùn)行所對(duì)應(yīng)的相關(guān)數(shù)據(jù)。

(1)空載電壓5800V左右時(shí)，重載運(yùn)行數(shù)據(jù)：

網(wǎng)側(cè)電壓A網(wǎng)側(cè)電壓B網(wǎng)側(cè)電壓C補(bǔ)償電流A補(bǔ)償電流B補(bǔ)償電流C 5681 5640 5658 5680 5642 5656 5699 5659 5677 123 126 121 123 126 122 124 126 122網(wǎng)側(cè)電流A網(wǎng)側(cè)電流B網(wǎng)側(cè)電流C有功功率/kW無(wú)功功率/kVar功率因數(shù)115 106 111 115 106 111 115 108 113 1044 1019 1070-30.73-43.77-45.33 1 1 1

(2)空載電壓6150V左右時(shí)，重載運(yùn)行數(shù)據(jù)：

?

重載時(shí)（負(fù)荷800 kW～1600 kW 時(shí)）：供電電壓在5 650 V～5 920 V左右；比空載時(shí)壓降約150 V～200 V；線(xiàn)路電流80 V～160 A；平均功率因數(shù)近似1。

(3)重載起動(dòng)時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)：

此時(shí)為電網(wǎng)電壓波動(dòng)最劇烈的時(shí)候，但時(shí)間較短，度過(guò)此暫態(tài)時(shí)段，運(yùn)行工況同上文重載時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)。

分析：

重載起動(dòng)時(shí)（負(fù)荷1 250 kW～2 600 kW時(shí)）：供電電壓根據(jù)空載電壓的不同在5250 V～5 700 V（與空載電壓5800 V～6150 V 相對(duì)應(yīng)；比無(wú)補(bǔ)償時(shí)電壓抬升約500 V；線(xiàn)路電流300 A～600 A；下降幅度約35%；平均功率因數(shù)從0.35左右，抬升至0.7左右。

圖2 燕子山礦防爆SVG現(xiàn)場(chǎng)安裝效果圖

4.4 防爆SVG安裝產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益

在計(jì)算時(shí)，節(jié)約的按最小單位0.1 kW 計(jì)算，而設(shè)備損耗按最大值0.8%計(jì)算，則系統(tǒng)中每投入1 kVar的無(wú)功功率，其節(jié)能系數(shù)約為：

防爆SVG設(shè)備具有數(shù)據(jù)自動(dòng)采集記錄功能，可記錄設(shè)備累計(jì)運(yùn)行時(shí)間，累計(jì)發(fā)出的無(wú)功量，導(dǎo)出該數(shù)據(jù)如下：

累計(jì)發(fā)出無(wú)功量/kVarh 12503998 7724759.5序號(hào)1 2設(shè)備安裝位置2337線(xiàn)路2325線(xiàn)路累計(jì)運(yùn)行時(shí)間/s 37500806 37859244

電費(fèi)按燕子山礦現(xiàn)行電價(jià)0.63 元每千瓦時(shí)計(jì)算，則由上述數(shù)據(jù)可計(jì)算出：

2337 線(xiàn)路防爆SVG 累計(jì)節(jié)能：12503998×0.092×0.63=74.47萬(wàn)元

實(shí)際設(shè)備節(jié)約電費(fèi)要大于計(jì)算值。

5 總結(jié)

在燕子山礦4#層2#變電所投運(yùn)井下防爆SVG無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備后，提高了變電所內(nèi)的功率因數(shù)；減少線(xiàn)路損耗，穩(wěn)定了負(fù)載末端電壓，負(fù)載啟動(dòng)順利；提高了變電站6KV 母線(xiàn)出線(xiàn)支路電纜輸電傳輸能力;年節(jié)能降耗效益可觀(guān)，經(jīng)計(jì)算每臺(tái)每年可節(jié)約電費(fèi)80余萬(wàn)元。有效提高了4#層2#變電所的供電質(zhì)量，減少了電氣事故的發(fā)生，有效延長(zhǎng)了采面用電設(shè)備使用壽命。