煤礦供電設備供電穩定性優化設計

杜老虎

（山西汾西正文煤業有限責任公司， 山西 呂梁 032300）

引言

為了降低企業的用電成本、提高電網系統中電能的利用率和使用效果，人們開始在供電設備中采用無功補償裝置[1]，目前世界上最常用的煤礦電網無功補償裝置是機械投切式無功補償裝置，但是因其本身的技術限制，也存在著過電壓和過電流問題，已經逐漸不能滿足煤礦井下機械設備對穩定電能的需求，因此提出了一種基于相控投切技術的全新供電設備供電方式。

1 煤礦供電設備無功補償的原理

在煤礦供電設備中同時存在著確保系統中用電設備正常工作所需功率的有功功率和用于在用電設備中建立并維持磁場的無功功率，這些無功功率在用電設備的電網、電容及電感中運行，增加了電壓損失以及電流功率損耗[2]，嚴重地影響了煤礦供電設備的供電穩定性和電能的質量。

在通常情況下用電的各種設備不僅需要從電網中獲得維持其正常運行的有功功率，同時還需要從電源處取得無功功率，此時若系統中的無功功率無法滿足井下用電設備的正常需求，這些設備便無法正常的建立工作電磁場，造成其無法維持在額定情況下的工作，這時用電設備的電壓就會出現下降，從而影響設備的正常工作。

因此為保證煤礦井下所有用電設備的正常運行，需要設置無功補償裝置。假設P為系統消耗的無功功率，Qc為無功補償容量，Q為電感負荷消耗的無功功率，系統的視在功率為S。由供電設備的功率損失公式（1）可知，在煤礦供電設備中增加無功補償裝置后，供電設備的工作時的功率損耗有所降低，設備在運行中從電網中獲取的無功功率也有所減少，因此極大地提高了系統的供電效率。

由式（2）可知在煤礦供電設備中增加無功補償裝置后，提高了煤礦供電設備供電電能的質量，降低了供電設備中的電壓的損耗。

2 相控投切技術的原理

相控投切技術是一種控制設備開關在供電設備中的電壓和電流信號處于最佳相角時自動打開或者關閉的技術[3]，相控開關工作的基本原理如圖1所示，其整個控制過程中當系統在A點處收到控制系統發出的閉合信號后經過1個周期或者幾個周期，在B處完成閉合的動作，其在工作過程中的延時時間Td1可通過公式（3）得：

式中：f為供電設備的工作頻率；TZ1為控制系統中閉合命令和系統閉合參考點之間的時間間隔；Tcls為控制開關完成閉合所需的時間；Tcl為控制系統的處理時間。

圖1 相控開關工作基本原理圖

3 供電設備相控投切無功功率補償結構設計

由于煤礦井下同時存在著多種多樣的用電設備，因此煤礦供電設備中同時存在著大量的非線性的沖擊載荷[4]，這就造成了供電設備在運行中會存在非常不穩定的電壓波動，為了有效改變這種狀況，綜合以上分析，本文提出了采用具有永磁結構的高壓開關在控制信號的過零點處投切的電容器組結構，其不僅整體結構簡單而且可靠性高、使用維護費用低，對供電設備的無功功率補償可靠性高，效果顯著，其整體結構示意圖如圖2所示。

該設備主要針對目前煤礦供電設備常用的6 000 V供電設備，其通過不同的檢測單元來檢測供電設備內的無功功率及系統需要補償的每相的無功功率，將其通過總線系統傳遞到控制中心，實現動態監控，系統主要包括DSP/CPLD中心控制模塊、驅動模塊、檢驗控制模塊、信息傳輸模塊及執行模塊。

1）DSP/CPLD中心控制模塊。主控模塊作為供電設備的核心，主要擔負著接收并分析各子模塊傳輸的信息數據，根據系統運行情況發出控制指令，確保電網系統的安全、穩定運行，為各用電設備提供高質量的電能。

2）驅動模塊。在DSP/CPLD中心控制模塊發出投切控制的指令之后，需要由驅動模塊來控制開關系統進行開閘或者合閘操作，因此其可靠性直接影響開關系統的執行情況。

3）檢驗控制模塊。檢驗控制模塊在整個控制系統中起著至關重要的作用，其直接決定著無功補償系統的補償效果，主要作用是連續不斷的對供電設備中所需要的無功功率進行檢測，并對供電設備中的信號過零點進行檢測，將檢測結果反饋給中心控制模塊。

4）信息傳輸模塊。信息傳輸系統起著將各檢測單元監測到的數據信號傳遞給中心控制模塊的作用，為了保證信息傳遞的準確性和及時性，要求信息傳輸模塊不僅要具有大容量的數據傳輸能力而且要具有極強的抗電磁干擾能力、適應惡劣環境的能力，推薦采用CAN總線模塊。

5）執行模塊。執行模塊作為系統的控制指令執行機構，主要由熔斷器、真空控制開關、隔離開關組成，其中熔斷器和隔離開關主要起到系統保護的作用，在實際工作中需要特別對真空開關的工作環境的濕度進行控制，以保證投切控制的精確性。

圖2 相控投切無功功率補償結構

4 結論

1）通過采用永磁結構高壓開關對供電設備的零點投切處的電容結構進行控制，顯著提升了系統無功功率補償的可靠性。

2）該新型無功補償設備整體結構緊湊，采用模塊化設計，便于進行擴展，抗電磁干擾能力強，完全滿足煤礦惡劣工作環境下工作可靠性的需求。