辛置煤礦綜采工作面供電系統無功補償技術應用

崔仁杰

(霍州煤電集團有限責任公司 辛置煤礦，山西 霍州 031400)

隨著煤礦電能負載的不斷提高，設備所需的無功功率也在不斷增加，而無功功率只能通過地面供電電源提供。目前，辛置煤礦地面生活區大多已經執行無功功率補償，但井下工作面由于供電線路傳輸距離遠，難以實現無功補償，出現了電壓壓差大、線路溫度高等，導致電能損耗增加，設備運行成本成倍增加，傳輸質量卻在成倍降低，嚴重威脅煤礦的安全運行。為了改變這一現狀，辛置煤礦開展井下工作面無功補償技術研究，以解決無功功率無法補償的問題，推動煤礦高效節能發展進程。

1 供電系統運行狀態

辛置煤礦位于臨汾市北緣霍州市以南15 km的辛置鎮，礦區西側緊鄰南同蒲鐵路及108國道，東側3 km處有大運高速公路通過，交通便利。2012年礦井核定生產能力為280萬t/年。礦井井田處于霍西煤田中部，霍州礦區東南，井田走向7.5～8.0 km，傾向6.4～8.0 km，面積59.083 4 km2，礦井目前開采2#、10#煤層。該礦的供電系統依附于電力系統，其配電模式可以簡化為雙回路電源供電。依靠來自煤礦發電站35 kV的母線段，通過LGJ-185/3.3 km的輸電線路，提供35 kV的雙回路電源，且二者互為備用，同時工作。35 kV電能經變壓器作用降低至10 kV后到達各個用電區域。煤礦供電系統圖見圖1.

圖1 煤礦供電系統工作流程圖

1)辛置煤礦地面生活區以及各變電所所用的10 kV母線采用集中性無功補償，其用電負荷相對較小，一般選擇自動補償方式來展開，效果良好。

2)在煤礦井下采煤工作面采掘生產系統中,由于大型采煤設備的負載變化大，線路電流大，補償難度高，現未采用無功補償。

2 綜采工作面供電系統存在問題

目前，辛置煤礦主要開采10#煤層，距離35 kV地面變電所距離過長，而且隨著工作面的前移，供電距離還會進行延伸。2015年起，該煤層綜采工作面在供電方面就暴露出以下問題：

1)由于距離過長無法采用無功補償，導致線路功率因數過低，造成大量的電能浪費。

2)功率因數過低導致變壓器常出現帶載能力不足現象，影響設備的正常運行。

3)線路中電壓壓降嚴重，導致末端設備的可用電壓過低，不易啟動。

4)無功電流的頻繁交換導致線路、設備等的絕緣層被破壞，短路漏電事故頻發，影響礦井的安全供電以及正常生產。

以上問題出現的根本原因在于線路中無功電流過大，功率因數過低。因此，須對井下工作面的供電線路進行無功補償。

3 綜采工作面無功補償方案設計

3.1 補償容量計算

為了設計出精準化的補償方案，首先對目標綜采工作面的補償容量進行計算，綜采工作面的配電系統圖見圖2.

圖2 綜采工作面的配電系統圖

移變的實際負荷與實際補償容量計算如下[1-2]：

p=∑Pn×Kx

Kx=0.4+0.6(PD/∑Pn)

Qc=P·(tanφ1-tanφ2)

式中：

P—移變的實際負荷，kW；

PD—配合設備中電動機的最大額定功率，kW；

∑Pn—工作面實際工作電氣設備容量的理論總和，kVA；

Qc—無功補償設備的補償容量，kVar；

Kx—配合設備實際運行的功率系數；

φ1、φ2—有功功率與無功功率的向量夾角，(°).

移變功率因數補償至1所需補償容量匯總表見表1.

表1 移變功率因數補償至1所需補償容量匯總表

3.2 工作面無功補償的方案設計

通過計算目標綜采工作面供電系統補償容量，精確得出3臺變壓器所需要補償的無功功率容量。選擇由汾西機電有限公司出品的WJL系列靜止無功發生器(SVG)作為綜采工作面的無功補償裝置[3-4]，SVG裝置不僅可以實現無功功率補償還可以抑制電網諧波的產生。對靜止無功發生器的選型除應考慮產品本身的穩定性，還需要提前考慮設備的負荷容量變化，發生器應對應的留足補償余量。3個移動變壓器對應的無功發生器的選型設計方案，見表2.

表2 無功發生器配置方案表

對比不同的補償方式，設計采用將無功發生器直接安裝在工作面移動變電站的就地補償方案。為了后期出現故障維護時，不對生產造成影響，將補償裝置通過專用的高壓配電開關與移變的二級配電電路并聯，具體安裝位置見圖3.

圖3 SVG具體位置示意圖

4 應用效益

該設計方案目前已經實驗調試成功，經過模擬運行，綜采工作面的無功功率已經趨于穩定，系統的功率因數均提高至0.98以上并趨于穩定，電壓的瞬時波動值從200 kV降低到100 kV，有了很大改善，負荷電流降低了60 A，降低了線路損耗，預計滿載運行一年，該工作面將節省電費達到80萬元，節約25%的電量。

5 結 語

通過對霍州煤電集團辛置煤礦現行供電系統的分析，結合供電實際,從綜采工作面無功功率補償方案入手，將SVG靜止無功發生器并聯入線路中，解決了工作面供電線路無功效率低的問題，同時穩定了供電電壓，降低了線路電流，節約了供電成本，延長了設備的使用壽命，提升了礦井的安全生產系數。