礦井供電系統就地無功補償方案研究

張先春,楊尊勝

（山東里能魯西礦業有限公司,山東 濟寧 272053）

1 當前系統現狀

魯西煤礦井下供電為6kV電壓等級，現場生產設備也均為1140V、660V電壓等級。其中影響電能質量的主要因素及表現如下。

1.1 電壓波動

由于煤礦井下生產條件具有不確定性，煤礦通常采用大型設備提高生產的適應性和可靠性，這些設備單機功率大，啟動頻繁，產生電壓波動，對煤礦的配電系統或供電末端的電壓質量造成影響。一采區二號變電所，輔助采區變電所包含采煤機、刮板機、帶式輸送機和綜掘機等大功率負荷設備，設備啟動時大量無功沖擊造成工作面電壓劇烈波動，導致設備無法正常啟動，進而影響正常生產。

1.2 諧波含量

供電線路未配備變頻裝置的采煤機、轉載機、破碎機、乳化液和噴霧泵等非線性負荷，線路諧波含量高，功率因數低，線路損耗大。

2 項目實施的必要性

2.1 調研分析

經調研，低壓無功補償配點裝置具有以下優點。

（1）低壓無功補償裝置位于移變低壓側，實現零距離補償，安裝方便，補償效果好。

（2）采用地面電網終端普遍推廣使用的成熟動態補償技術，產品技術成熟可靠，補償效果好。

（3）獨有的高精度電能計量考核功能，即可實時統計負載電量，還可以統計出投入使用無功補償節省的電費支出，產品的節能效果一目了然。

（4）產品采用全模塊化設計，結構簡單，維護方便。

（5）采用7吋彩屏顯示，補償數據、電參數據一目了然，顯示內容豐富直觀，所有數據全部可并入供電自動化實現上傳地面。

2.2 實施效果

2.2.1提高功率因數和供電設備的供電能力

由P=S*COSΦ可看出，當設備的視在功率一定時，功率因數的提高,相應的P也隨之增大，供電設備的有功出力也就提高了。

2.2.2降低電網中的功率損耗和電能損耗

由公式I=P/(√3*U*COSΦ)可知，當有功功率為定值時，負荷電流和功率因數為反比，安裝無功補償后，功率因數提高，可使線路中的電流減小，從而使功率損耗降低，從而達到節約電能的效果。

2.2.3改善電壓質量、降低電壓損失

在線路中電壓損失△U的計算公式如下：

△U=(PR+QX)÷Ue

其中：△U——線路中的電壓損失，kV。

R——線路總電阻，Ω。

P——有功功率，kW。

Q——無功功率，Mvar。

Ue——額定電壓，kV。

XL——線路感抗，Ω。

由上式可以看出，無功功率Q減少后，線路中的電壓損失就會相應的減少。

2.2.4降低線損，節約電費支出，降低生產成本

在電力供電系統中，要通過導線和變壓器等輸、配電設備送到終端設備，由于變壓器和導線都具有電阻和電抗，因此電流在電網流動時，將會產生有功和無功的電能損耗。

電能損耗的大小與流過導線的電流的平方成正比。在同一導線截面內，電流越大，功率損耗越大，并轉化為熱能散發到空氣中，造成浪費。

2.2.5抑制諧波、凈化電網，改善電網供電質量

隨著防爆變頻器以及各類電力電子設備在井下的廣泛應用，電網中往往存在5次、7次以上等不同頻率的諧波干擾。諧波的存在不僅影響到供電設備的正常運行（如饋電開關保護器經常因為干擾出現故障），同時也會影響到井下其他通訊、控制系統的可靠運行。

無功補償裝置各支路安裝電抗器與補償電容器相串聯，其作用有兩點：一是限制涌流，二是抑制諧波達到使裝置內電器件安全運行和凈化電網的目的。

3 就地補償方案

根據煤礦井下供電系統圖，供電系統末端負載電壓等級多為660V、1140V，因此可以在負載端增設低壓無功補償裝置，就地對負載進行補償。

因供電系統末端負載較多，現針對其中一路進行說明，因末端負載容量的實際數據不清楚，只能通過供電系統圖中的移變容量進行理論估算。

3.1 補償容量計算

確定無功補償容量的原則如下：滿足正常運行時補償需求，兼顧設備啟動時等快速補償無功沖擊，支撐電壓。

根據煤礦井下實際供電系統圖，依據實際的現場數據分析，采煤機回路主要負荷是采煤機、轉載機、刮板機和破碎機，因負載的實際功率不知，現通過所帶組合開關容量進行理論估算。組合開關容量為1600 kVA，根據經驗，負載率按0.52，則總視在功率為832kVA。估算設備正常運行時功率因數平均值為0.65。

補償前視在功率：S1=1600kVA*0.52=832kVA。

有功功率：P=S1*φ1=832kVA*0.65=540.8kW。

補償前無功量：Q12=S12-P2得Q1=632.3kVar。

補償后視在功率：S2=P/φ2=540.8kW/0.95=569.3kVA。

需補償無功由：Q22=S22-P2得Q2=177.8kVar。

最終可得無功需求量：ΔQ=Q1-Q2=454kVar左右。

根據經驗值估算，設備啟動瞬間無功需求可達到500～600kVar，WJ1-560/1140無功補償裝置具有短時過載能力，可達到670kVar，完全滿足設備啟動時的無功需求。

3.2 補償方案內容

3.2.1 結構特征

（1）保護箱的總體結構由隔爆外殼與芯體組成。上方為保護箱部分及無功補償電源部分，下方為無功補償部分。

（2）隔爆外殼為方型非快開門結構，可分為接線腔、主腔、電纜引入裝置等。

（3）芯體由隔離開關、無功補償控制器、補償控制回路、熔斷器、補償回路、電流互感器、PLC可編程控制器等組成。

3.2.2工作原理

通過電流互感器和電壓互感器對主回路進行信號采樣，送入無功功率補償控制器WBKC并給出控制信號，以無功補償控制器為核心的投切裝置，通過循環方式控制補償控制回路的通斷，控制對應的補償回路的投入和退出，對供電系統的無功功率進行自動補償。同時也可以根據需要進行手動的投入與切除操作。在隔離裝置合閘前應確保每一路的轉換開關都處于切除位置。

3.2.3絕緣檢測

絕緣檢測是進行絕緣檢測，負荷側絕緣電阻在40kΩ(1140V)、22kΩ（660V）動作值以下時，能可靠地實現漏電保護并顯示“漏電故障，數據采集器中J2繼電器斷開，如絕緣電阻值達到（1140V）40KΩ以上，數據采集器中J2繼電器閉合，3號線與+24V線采集到信號送至高壓開關，高壓斷路器可以合閘。如主回路絕緣電阻低于閉鎖動作值時，J2自動能斷開，高壓配電裝置中斷路器不能合閘，對移變高壓側實施漏電閉鎖。

3.2.4漏電保護

漏電檢測的附加直流電源經三相電抗器SK～濾波電路板～數據采集端子組成漏電檢測回路，如單相對地絕緣電阻≤22KΩ（1140V）、絕緣電阻≤11KΩ（660V）時，低壓保護箱中的J2接點保護斷開，高壓側斷路器跳閘，動作值誤差在±20%，并在顯示屏中顯示電阻值。

3.2.5過載、短路保護

主回路電流檢測經電流互感器TA，將信號送給數據采集器，進行電流值的比較。當電流值達到所設定的電流值時，實現反時限動作跳閘。

3.2.6過壓、失壓保護

（1）保護箱在額定控制電源電壓的75%～110%范圍內能可靠工作。

（2）保護箱應在失壓狀態下，能自動將電容器切除；恢復通電后能防止電容器自行投入。

4 補償數據現場實測

對井下輔助采區3下116采煤工作面泵站及三機配套進行了現場實際測量，測量數據如下。

4.1 三機配套移變實測數據（見表1）

表1

4.2 乳化液泵站實測數據（見表2）

表2

5 取得的效益

5.1 安全效益

（1）低壓保護箱隔爆性能好、技術先進、保護性能穩定可靠、結構緊湊、易于操作、維護和檢修等優點。保護箱由隔爆外殼、芯體和PLC主控機等組成。

（2）低壓保護箱采用西門子PLC進行控制與保護，能快速實現過電流、短路、過壓、失壓、漏電、漏電閉鎖等保護。

（3）低壓保護箱具有實時顯示工作參數和工作狀態的功能。復位電路及漏電閉鎖檢測電路，其電流為毫安級，防爆安全性能更好。

5.2 經濟效益

（1）低壓保護箱具有對感性負載的無功自動補償功能，能夠自動檢測負載的功率因數，并能將負載的功率因數自動補償到0.95以上，降低變壓器和線路損耗，節約電能。

（2）低壓保護箱具有高精度電參數計量功能。配備專用高精度電參數計量模塊，采集精度0.2級，模塊計量精度0.5級。

（3）低壓保護箱設置了各種模擬試驗按鈕，保護主控機可進行自檢和功能顯示，可方便地檢測各部件的完好性，設置簡單，操作、維修方便。

（4）低壓補償回路和保護回路采用模塊化設計，更換方便、便于維修。

（5）穩定電網電壓，解決大功率負荷啟動造成的電壓跌落，減少故障時間，提高生產效率。

（6）提升電能質量，消除諧波，延長用電設備壽命，節省大量設備維護費用。