無功補(bǔ)償技術(shù)在煤礦井下電網(wǎng)中的應(yīng)用研究

李曉杰

（晉煤集團(tuán)陽(yáng)城晉圣固隆煤業(yè)有限公司，山西 晉城 048100）

隨著礦井綜合自動(dòng)化設(shè)備不斷投入，變頻設(shè)備及大容量、大功率的非線性負(fù)載使用越來越多，造成礦井電網(wǎng)負(fù)荷持續(xù)增加，電網(wǎng)諧波污染、電網(wǎng)電壓波動(dòng)加劇，嚴(yán)重時(shí)，可以導(dǎo)致井下大面積停電、設(shè)備絕緣失效、漏電等安全生產(chǎn)事故[1-2]。因此，針對(duì)上述煤礦用電問題產(chǎn)生的原因進(jìn)行分析，研究適合煤礦供電特性的無功補(bǔ)償技術(shù)，對(duì)于提高礦井電網(wǎng)供電的穩(wěn)定可靠性、避免供電事故的發(fā)生具有重要意義。

1 礦井供電問題分析及解決辦法

隨著國(guó)內(nèi)高科技設(shè)備的不斷研發(fā)，煤礦設(shè)備也逐漸向自動(dòng)化、變頻化、智能化發(fā)展。與此同時(shí)，變頻化、自動(dòng)化設(shè)備的使用也使得礦井供電工況越來越復(fù)雜[3-4]。由于煤礦井下復(fù)雜惡劣的環(huán)境、各設(shè)備之間配合技術(shù)不成熟，導(dǎo)致礦井供電系統(tǒng)的供電質(zhì)量及設(shè)備的正常運(yùn)行受到影響，經(jīng)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)出現(xiàn)的供電問題進(jìn)行分析，井下主要存在無功功率、電網(wǎng)諧波、大型設(shè)備瞬間啟動(dòng)三種問題，雖然三種影響礦井供電質(zhì)量的問題同時(shí)存在，但以無功功率問題為最主要問題。所謂無功功率問題，即諸如礦井所使用的非線性電子設(shè)備、電動(dòng)機(jī)都需要無功功率來維持運(yùn)行，大量此類設(shè)備的投入使用導(dǎo)致電網(wǎng)的無功功率增加，對(duì)供電電網(wǎng)產(chǎn)生負(fù)載電流增大、電能消耗增加、供電電壓波動(dòng)增加、用電設(shè)備無法正常啟動(dòng)運(yùn)等危害。

無功補(bǔ)償裝置的應(yīng)用在降低電網(wǎng)中電能損耗、補(bǔ)償供電線路的無功功率的同時(shí)，可以降低供電電網(wǎng)諧波，提高電纜和設(shè)備的使用年限與電網(wǎng)電能質(zhì)量，有效解決上述礦井電網(wǎng)供電中所出現(xiàn)的問題，提高電能利用效率。因此，針對(duì)上述問題，晉圣固隆煤業(yè)有限公司利用無功補(bǔ)償技術(shù)的原理，對(duì)適合礦井供電實(shí)際情況的無功發(fā)生器進(jìn)行設(shè)計(jì)，以改善礦井供電質(zhì)量。

2 無功補(bǔ)償裝置原理及設(shè)計(jì)

2.1 無功補(bǔ)償裝置原理

無功補(bǔ)償裝置由自換相橋式電路組成，通過電抗器將自換相橋式電路與電網(wǎng)并聯(lián)。該電路主要由電力電子器件IGBT構(gòu)成，通過CT控制器對(duì)電網(wǎng)中的電流進(jìn)行檢測(cè)，而后控制器驅(qū)動(dòng)自換相橋式電路吸收或發(fā)出對(duì)應(yīng)相位與幅值的無功電流，實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)的無功補(bǔ)償（圖1為無功補(bǔ)償裝置的工作原理）。通過控制自換相橋式電路電壓實(shí)現(xiàn)無功補(bǔ)償裝置吸收與發(fā)出無功電流。

圖1 無功補(bǔ)償裝置工作原理圖

2.2 無功發(fā)生器設(shè)計(jì)

無功發(fā)生器主要由上位機(jī)、散熱器、鍵盤、控制電路等結(jié)構(gòu)組合而成，主要對(duì)缺相、三相不平衡、過流、過壓、短路、單元故障、欠壓等軟硬件進(jìn)行保護(hù)。

該裝置的硬件主要有控制回路和主回路兩個(gè)部分，主回路主要由放電回路、采樣電路、逆變器、熔斷器、充電電路、濾波器等組成，圖2為主電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。裝置的控制回路采用先進(jìn)的SPWM技術(shù)，主要結(jié)構(gòu)包括電流跟蹤控制與檢測(cè)兩個(gè)部分，兩部分的功能分別是實(shí)現(xiàn)控制電路所需的無功補(bǔ)償電流與供電線路電流檢測(cè)。該裝置的運(yùn)用可以實(shí)現(xiàn)對(duì)電網(wǎng)諧波和無功的即時(shí)檢測(cè)，并對(duì)諧波和無功電流進(jìn)行補(bǔ)償，滿足補(bǔ)償功能及時(shí)、準(zhǔn)確的要求。

裝置利用光學(xué)電壓互感器對(duì)供電線路發(fā)出的大電流、高電壓信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，該互感器是利用在外加電場(chǎng)的作用下光學(xué)晶體可以產(chǎn)生效應(yīng)的原理，有效地避免了電容式互感器在煤礦井下精度低、隔離不完全等缺點(diǎn)，真正實(shí)現(xiàn)高低壓側(cè)的電氣設(shè)備隔離，且光學(xué)信號(hào)不受電磁波的影響，可以保證所采集的信號(hào)的精度與準(zhǔn)確度。

3 應(yīng)用效果分析

晉圣固隆煤業(yè)有限公司井下低壓供電線路功率因數(shù)在補(bǔ)償之前≤0.7，線路電流為1000 A，加裝無功補(bǔ)償發(fā)生器后，功率因數(shù)為0.95，線路電流為700 A，線路電流減少30%。根據(jù)電路原理，線路的損耗與負(fù)荷電流的平方成正比，根據(jù)DP =3I2R，所以補(bǔ)償后的線路損耗為補(bǔ)償前線路損耗值的49%，線路損耗降低了大約51%左右，降低線損效果明顯。且無功補(bǔ)償發(fā)生器應(yīng)用以后，電網(wǎng)諧波問題、大型設(shè)備啟動(dòng)問題大大減少，有效地提高了礦井的供電質(zhì)量，保證了礦井安全生產(chǎn)及節(jié)支降耗的目的。

圖2 無功補(bǔ)償裝置主電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

4 結(jié)論

（1）經(jīng)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)出現(xiàn)的供電問題進(jìn)行分析，井下主要存在無功功率、電網(wǎng)諧波、設(shè)備瞬間啟動(dòng)等三種供電問題，且三種影響礦井供電質(zhì)量的問題是同時(shí)存在的，只有對(duì)問題進(jìn)行同時(shí)治理，才能達(dá)到改善礦井供電環(huán)境，提高電能利用效率的目的。

（2）針對(duì)煤礦供電中出現(xiàn)的問題，設(shè)計(jì)出無功補(bǔ)償裝置，裝置主要由主回路與控制回路組成，控制回路采用先進(jìn)的SPWM技術(shù)，通過電抗器將該裝置與電網(wǎng)并聯(lián)，實(shí)現(xiàn)對(duì)電網(wǎng)諧波和無功的即時(shí)檢測(cè)，并對(duì)諧波和無功電流進(jìn)行補(bǔ)償，滿足補(bǔ)償功能及時(shí)、準(zhǔn)確的要求，有效避免井下供電安全事故的發(fā)生。