煤礦配電系統(tǒng)的設(shè)計優(yōu)化措施

孫牽瑩

(西山煤電集團(tuán)有限責(zé)任公司杜兒坪礦，山西 太原 030053)

0 引 言

目前煤礦使用機(jī)械的大型化及大功率化的普及，使得礦山的用電量持續(xù)增長，用電量的增長不僅消耗了資源，同時增加了節(jié)能成本，降低了礦山的經(jīng)濟(jì)效益。所以越來越多的礦山開始重點(diǎn)關(guān)注煤礦用電量的管理及電器節(jié)能化的技術(shù)討論和改進(jìn)。此前曹亞紅[1]就對電器設(shè)備的節(jié)能進(jìn)行過一定的研究，通過對電器設(shè)備的發(fā)展進(jìn)行討論，給出了煤礦電器設(shè)備節(jié)能的一些可行性意見，為礦山電器節(jié)能做出一定的貢獻(xiàn)。李飛[2]通過對礦山電氣設(shè)備的耗電原因進(jìn)行分析，在礦山機(jī)械節(jié)能的要點(diǎn)的基礎(chǔ)上，提出了礦山設(shè)備節(jié)能的一些方法，為礦山降耗作出了一定的貢獻(xiàn)。陳婷[3]通過對礦山的大型設(shè)備配電系統(tǒng)及節(jié)能設(shè)備進(jìn)行分析，給出了合理的電氣配電方案，在一定程度上解決了礦山電耗較大的問題，提上了礦山的經(jīng)濟(jì)效益。張夢麗[4]為了降低礦山由于電耗較大的花費(fèi)，通過對礦山的電氣進(jìn)行分析，給出了電氣節(jié)能的一些措施，在保證礦山使用性能的基礎(chǔ)上降低了礦山的能耗，為礦山的進(jìn)一步發(fā)展做出了貢獻(xiàn)。

筆者針對煤礦耗電量大的問題，通過對礦山電氣設(shè)備工作性能等進(jìn)行分析，給出了合理的電氣配電系統(tǒng)，達(dá)到有效降低礦山電量消耗的目標(biāo)，為煤礦使用大功率機(jī)械化作業(yè)提供保障和基礎(chǔ)。

1 節(jié)能型配電系統(tǒng)優(yōu)化方案

供電系統(tǒng)是礦山安全生產(chǎn)的重要保障，我國現(xiàn)有的對礦山節(jié)能的措施均是靠著對節(jié)能供電系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，對電壓、變壓器等設(shè)備進(jìn)行節(jié)能設(shè)計，以此來達(dá)到降低礦山能耗的作用。

通過分析礦山電能消耗的主要原因，選用動態(tài)SVG無功補(bǔ)償器對供配電系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，與傳統(tǒng)的無功補(bǔ)償器相比，SVG具有相應(yīng)更快、控制精度更高、控制范圍更大的優(yōu)勢，同時SVG可以有效的實(shí)現(xiàn)分相調(diào)節(jié)，降低系統(tǒng)能耗。筆者基于SVG無功補(bǔ)償技術(shù)對供配電系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計。供配電系統(tǒng)示意圖如圖1所示。

供電位置、供電電壓及節(jié)能設(shè)備的選型對礦山節(jié)能降耗也有著重要的意義，以下對供電位置、供電電壓及節(jié)能設(shè)備的選型進(jìn)行分析。

(1) 供電中心設(shè)定 對供電的中心進(jìn)行合理的設(shè)置，縮短低壓供電線路的長度，減小壓降。利用負(fù)載率矩對礦山的負(fù)荷中心進(jìn)行確定。在確定負(fù)載中心位置后，對礦區(qū)的總壓降配電站、變電所及供電中心設(shè)置在接近負(fù)載中心的位置，這樣不僅提升了供電的效率，還在一定的程度減少了電纜數(shù)量，也在一定程度上降低了供電距離，降低了供電的電壓損耗。

圖1 綜采面供電系統(tǒng)示意圖

(2) 合理供電電壓選定 在完成供電中心設(shè)置后，對供電電壓進(jìn)行一定的設(shè)置，供電電壓的設(shè)置一般包括容量、電負(fù)荷性質(zhì)、供電距離及供電回路數(shù)等。提升電壓等級在一定程度上可以降低線損率。當(dāng)配電的范圍在6～10 kV時，優(yōu)選選擇10 kV高壓配電電壓，這樣可以降低供電系統(tǒng)的電纜損耗及能耗。但當(dāng)6 kV的供電設(shè)備較多且配電容量較大時，此時考慮到礦山的經(jīng)濟(jì)效益問題可以選擇6 kV高壓配電電壓。

(3) 節(jié)能變壓器選型 變壓器是礦山能源消耗的主要設(shè)備，我國的變壓器約消耗我國10%的發(fā)電量，所以提升變電器效率是礦山節(jié)能的重要一環(huán)。變電器的損耗一般包括負(fù)載損耗和空載損耗，其中空載損耗是變壓器中鐵芯渦流損耗及漏磁損耗的和。所以空載損耗與電壓電流大小等無關(guān)系，只與變壓器中鐵芯的材質(zhì)及組成結(jié)構(gòu)有關(guān)，所以對此方面的提升意義不大。目前我國礦山企業(yè)多采用S11節(jié)能變壓器，S11節(jié)能變壓器的鐵芯是由高導(dǎo)磁硅鋼片卷制而成，所以內(nèi)部的鐵芯無接縫，有效的降低了磁阻。負(fù)載損耗與負(fù)載率、功率系數(shù)、損耗等有關(guān)。當(dāng)負(fù)載率處于0.3～1時，變壓器的效率小于負(fù)載率0.5～0.6時的效率。當(dāng)負(fù)載率達(dá)到一定的定值時變壓器的效率與功率因素成正比，根據(jù)對礦山資料進(jìn)行分析，結(jié)合變壓器臺數(shù)及其容量等資料，選定變壓器的功率為0.75時最為合理。

(4) 無功補(bǔ)償器 在整個供電系統(tǒng)中，功率因素的大小會直接決定無功功率與有功功率的比值。當(dāng)功率因數(shù)較低時，此時的供電系統(tǒng)將會對發(fā)電機(jī)發(fā)出無功功率的命令以此來達(dá)到平衡功率的作用。當(dāng)發(fā)電機(jī)進(jìn)行無功功率運(yùn)行時，此時的供電效率將會大打折扣，所以提升功率因素可以彌補(bǔ)由于輸電距離遠(yuǎn)造成的功率損耗。無功功率補(bǔ)償器是一種用于提升功率因數(shù)、降低能耗的裝置，功率補(bǔ)償器不僅可以降低功率的消耗，同時功率補(bǔ)償器可以提升電壓的質(zhì)量。所以選擇山西汾西機(jī)電公司生產(chǎn)的靜止無功發(fā)生器(SVG)。SVG井下安裝位置如圖2所示。

圖2 SVG井下安裝位置示意圖

礦用SVG無功發(fā)生器可以實(shí)時對電壓的質(zhì)量進(jìn)行監(jiān)控，根據(jù)供電系統(tǒng)的無功變化調(diào)節(jié)無功輸出，且響應(yīng)時間為5 ms～20 ms。在補(bǔ)償容量足夠時，供電線路電量消耗下降30%左右。

2 節(jié)能設(shè)備選定要求

節(jié)能設(shè)備的選擇是供電系統(tǒng)優(yōu)化的關(guān)鍵。針對此次節(jié)能型配電系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性與可靠性設(shè)計的要求，節(jié)能設(shè)備必須滿足高效長壽命等優(yōu)點(diǎn)才能達(dá)到節(jié)能降耗的效果。

(1) 變頻器 具備變頻調(diào)速功能變頻器是一種可在電機(jī)運(yùn)行過程中調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速以達(dá)到符合負(fù)載變化的設(shè)備。而且變頻器還可以為系統(tǒng)提供過流、過載及過壓等問題的保護(hù)。常見的電動機(jī)啟動電流會比其額定電流高出5、6倍，且當(dāng)電動機(jī)運(yùn)行時運(yùn)行速度及負(fù)載不同等原因會對設(shè)備的壽命及其能耗產(chǎn)生一定的影響，所以在系統(tǒng)中增加變頻器是十分必要的。

電動機(jī)在耗能中占據(jù)了絕對的地位，所以減少發(fā)動機(jī)的電耗可以有效的降低礦山能耗。發(fā)動機(jī)的選型應(yīng)當(dāng)選用高效節(jié)能型發(fā)動機(jī)，根據(jù)我國對中小型三相異步電機(jī)的節(jié)能評估及能效限定值的規(guī)定可以看出，高效節(jié)能三相異步電機(jī)具有性能好、壽命長、噪音小、高效節(jié)能等優(yōu)點(diǎn)，完美符合礦山的目標(biāo)要求。

(2) 礦山照明設(shè)備 節(jié)能照明設(shè)備，照明設(shè)備是礦山正常開采的重要設(shè)備，由于礦山面積大的原因，照明設(shè)備的需求量也是十分巨大的。照明設(shè)備的選擇在一定程度上會影響礦山的能耗，節(jié)能型照設(shè)備的選擇應(yīng)當(dāng)滿足國家對相關(guān)產(chǎn)品的要求，且應(yīng)當(dāng)盡量選擇壽命長、燈光效果好、節(jié)能等照明設(shè)備。

(3) 低電阻電纜 由于供電系統(tǒng)中電纜量巨大，電纜的電阻越大，供電系統(tǒng)中因為電阻而消耗的能耗越大。為了減小電纜的能耗，選定合適的電纜對礦山節(jié)能有著重要的意義。選電纜時應(yīng)當(dāng)滿足礦山對電壓的需求的前提下優(yōu)先選擇電阻小、費(fèi)用低、質(zhì)量好的電纜[5]。

(4) 軟啟動器 軟啟動器是一種多功能的電機(jī)控制裝置，它可以實(shí)現(xiàn)對電機(jī)的軟啟動、軟停車及保護(hù)電機(jī)的功能。軟啟動器是利用三相反并聯(lián)晶閘管為調(diào)壓裝置，連接于電機(jī)與電源間。當(dāng)采用軟啟動器對系統(tǒng)進(jìn)行啟動時，晶閘管輸出電壓增大，電動機(jī)隨之啟動，當(dāng)系統(tǒng)啟動完畢后，軟啟動器被旁路替換。完美實(shí)現(xiàn)了電機(jī)的平滑啟動，避免電機(jī)在啟動時的電流差。同時軟啟動裝置可以有效的降低電機(jī)在自由停車時產(chǎn)生的設(shè)備損壞。

3 優(yōu)化節(jié)能系統(tǒng)運(yùn)行效果

通過對供配電系統(tǒng)的監(jiān)測。優(yōu)化供電系統(tǒng)的無功補(bǔ)償技術(shù)增強(qiáng)了補(bǔ)償效果，有效的提高了供電系統(tǒng)的安全性及可靠性。

在工作面正常工作狀態(tài)下選取90 min內(nèi)的145個測點(diǎn)，對功率因素作出分析。發(fā)現(xiàn)未采用SVG前平均功率因素僅為0.61，在使用SVG后功率因素提升至了0.965，補(bǔ)償效果顯著。采用SVG前后對比圖如圖3所示。

對優(yōu)化后的綜采面負(fù)載電流波動幅度進(jìn)行研究，波動情況如圖4所示。

可以看出優(yōu)化后負(fù)載電流的平均值從219 A降低至171 A，有效的降低了系統(tǒng)線路損耗，達(dá)到了節(jié)能降耗的目的。

圖3 優(yōu)化補(bǔ)償前后功率因數(shù)對比圖

圖4 優(yōu)化前后負(fù)載電流對比圖

4 結(jié) 語

為了降低礦山的耗電量，提出對礦山配電系統(tǒng)合理的設(shè)計及優(yōu)化，在合適位置建立供電中心、選用節(jié)能變壓器及SVG無功補(bǔ)償技術(shù)等方面來降低礦山的用電量。優(yōu)化后的系統(tǒng)功率因數(shù)提升至0.965，在降低礦山用電成本的同時，提升了煤礦經(jīng)濟(jì)效益，保障了大型礦山生產(chǎn)運(yùn)行的穩(wěn)定發(fā)展，為同行業(yè)配電系統(tǒng)設(shè)計優(yōu)化提供了參考。