掘進工作面長距離供電方案分析與應用

金莉鑫

（山西焦煤西山煤電（集團）有限責任公司東曲煤礦，山西 太原 030200）

隨著煤礦井下掘進工作面采掘設備重型化、智能化、成套化技術的不斷發(fā)展，掘進工作面設備裝機功率不斷提高，供電距離不斷增加，導致設備端電壓壓降增大，設備啟動困難，故障頻發(fā)，已經(jīng)不能滿足智能化掘進工作面生產(chǎn)需求，成為制約煤礦掘進工作面安全、高效生產(chǎn)的重要因素[1-2]。在分析煤礦井下掘進工作面供電現(xiàn)狀的前提下，提出三種基于無功補償技術的掘進工作面長距離供電方案，以其中一種長距離供電方案完成應用分析，達到延長掘進工作面供電距離的目的。

1 掘進工作面供電現(xiàn)狀分析

東曲煤礦掘進一隊工作面位于主井1870 m 點處，距底彎道避險硐室82 m。該掘進工作面的主要用電設備包括EBZ260 掘進機、十臂錨桿鉆車、皮帶輸送機、自移機尾等成套掘進裝備，裝機功率約960 kW，掘進機供電電源為1140 V，其余設備供電電源為660 V。采區(qū)配電硐室位于1918 m 處，距工作面80 m，由兩臺630 kVA 變壓器和饋電組向掘進工作面供電。該掘進工作面實際運行時發(fā)現(xiàn)，傳輸至掘進機端電壓由1250 V 下降至1089 V，瞬時可下降至760 V，穩(wěn)態(tài)工作后端電壓為1043 V。因此，為滿足用電設備末端電壓，傳統(tǒng)解決方案為頻繁移動井下移動變電站，縮短移動變電站與用電設備之間距離，達到提高用電設備末端電壓的目的[3-5]。

2 掘進工作面長距離供電方案分析

2.1 集中補償方案

掘進工作面長距離供電集中補償方案拓撲結構如圖1，自井上35 kV 變電所至井下10 kV 中央變電所，中央變電所至采區(qū)變電所，采區(qū)變電所再至掘進工作面，10 kV 供電電纜長度最長可達10 km，末端多個掘進工作面的大功率設備啟動及正常工作時系統(tǒng)中存在大量的無功功率，嚴重影響掘進工作面用電設備的供電質(zhì)量。僅僅通過終端補償及終端設備變頻啟動的方式不能有效解決10 kV 高壓輸電線路上的電能質(zhì)量問題，需要采用集中補償方案提升對整個長距離供電系統(tǒng)的電能質(zhì)量[6-7]。10 kV 大容量無功補償裝置，配置在井下10 kV 高壓供電線路中，可以對多個掘進工作面的所有負荷進行集中補償，配合終端補償及終端設備變頻解決方案，可以從系統(tǒng)層面提高掘進工作面電能質(zhì)量功率因數(shù)、濾除電網(wǎng)諧波，提升供電線路傳輸及供電能力，達到長距離高效節(jié)能供電的目的。

圖1 掘進工作面長距離供電集中補償方案

掘進工作面長距離供電集中補償方案能夠穩(wěn)定高壓輸電電纜供電電壓，改善掘進工作面長距離供電系統(tǒng)電能質(zhì)量；可以補償供電線路中的無功電流，降低供電線路電流，降低無功損耗；可以提高供電系統(tǒng)功率因數(shù)，配置容量足夠前提下可由0.5 以下提升至0.99；可以濾除供電系統(tǒng)中存在的諧波，降低各用電設備故障率，提高設備運行可靠性，大幅降低人力成本和物力成本。

2.2 終端綜合補償方案

煤礦井下掘進工作面的大型負荷設備與配套的供電電源之間的長距離供電、大型負荷的沖擊，使得供電電纜末端負載側的電源電壓偏低，電網(wǎng)諧波含量大。針對無功電流在電纜上所引起的電壓降問題可以采取終端無功補償?shù)姆桨附鉀Q，在補償無功電流的基礎上，動態(tài)、實時調(diào)控末端設備的供電電源電壓，補償因有功電流在電纜上產(chǎn)生的電壓降，從而保證末端設備的工作電源電壓需求[8-10]。掘進工作面長距離供電終端綜合補償方案拓撲如圖2。

圖2 掘進工作面長距離供電終端綜合補償方案

掘進工作面長距離供電終端綜合補償方案能夠?qū)崟r跟蹤負荷變化，動態(tài)連續(xù)平滑補償無功功率，提高供電系統(tǒng)設備容量的利用率；能夠動態(tài)、實時地調(diào)控電源末端設備的供電電源電壓，補償因有功電流在電纜上產(chǎn)生的電壓降；能夠?qū)⒕蜻M工作面用電設備啟動時電壓補償至額定電網(wǎng)電壓的97%，滿載運行時電網(wǎng)電壓值可補償至額定電網(wǎng)電壓的99%，解決長距離供電時末端電源電壓低的問題；延長移動變壓器與后級負荷設備的供電距離，避免因末端電源電壓低而頻繁移動變壓器設備，減輕煤礦井下掘進、綜采作業(yè)面的工作強度，提高工作效率；保護功能齊全，具有過壓、欠壓、過流、單元過熱、不均壓等保護，便于確定故障點，維護方便。

2.3 終端單獨補償方案

煤礦井下大型負荷設備與移動變電站之間的供電距離較長，設備啟動瞬間產(chǎn)生較大無功沖擊，造成末端電壓跌落嚴重，設備啟動困難。采取終端單獨無功補償裝置對掘進工作面用電設備單獨補償方式解決，將低壓防爆SVG 配置在掘進工作面，并接于負荷設備側，可以快速跟設備啟動瞬間產(chǎn)生的沖擊電流，調(diào)節(jié)交流側輸出電壓的幅值和相位，發(fā)出無功進行無功補償，用于提高末端網(wǎng)壓，穩(wěn)定設備運行，節(jié)能降耗。掘進工作面長距離供電終端單獨補償方案拓撲如圖3。

圖3 掘進工作面長距離供電終端單獨補償方案

掘進工作面長距離供電終端單獨方案能夠?qū)崟r跟蹤負荷變化，動態(tài)響應速度快，響應時間≤20 ms，動態(tài)連續(xù)平滑補償無功功率；設備內(nèi)部與電纜并聯(lián)，不影響負荷正常工作；投切時無暫態(tài)沖擊，無合閘涌流，無需放電即可再投；在額定電流的前提下，輸出電流諧波（THD）≤3%；具有過壓、欠壓、過流、單元過熱、不均壓等保護，便于確定故障點，易維護，運行可靠性高；支持長距離供電，延長供電距離，減少移動變電站移動頻次，節(jié)約人力成本。

3 應用分析

為驗證掘進工作面長距離供電方案的正確性和適用性，基于終端單獨補償方案，在山西焦煤西山煤電（集團）有限責任公司東曲煤礦掘進工作面進行工業(yè)試驗，補償終端對象為EBZ260 型掘進機。該工作面最長掘進距離為2.2 km，供電電纜型號為MYP-0.66/1.14kV 2×（3×95+1×20），根據(jù)電纜壓降模型計算，采用終端單獨補償方案即可滿足2.2 km 長距離供電需求。

實際應用時，補償設備為1140 V 防爆低壓SVG，輸入信號為三相、50 Hz、1140 V 電壓，輸出額定電壓信號為最大輸出電壓同輸入電源電壓相同、輸出額定電流為100%額定電流連續(xù)、輸出頻率為0～120 Hz 且可設定。防爆低壓SVG 試運行3個月后，根據(jù)試運行統(tǒng)計數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)：1）能穩(wěn)定電壓，補償后無功功率減少，系統(tǒng)中電壓、電流相對變化幅度較小，能起到穩(wěn)定電網(wǎng)電壓的作用；2）能有效降低井下高壓配電線路的線路電壓損耗，解決末端負荷設備啟動困難、電機受損的問題；3）可補償掘進機負載無功，將功率因數(shù)由0.47 提升至0.92，可有效治理3、5、7 次等低次諧波，提高供電系統(tǒng)的利用率；4）能提高電網(wǎng)的功率因數(shù)，達到節(jié)能降耗的目的；5）能有效延長煤礦井下掘進工作面的作業(yè)距離，延長供電距離，減輕勞動強度，提高掘進效率。

掘進工作面配置低壓防爆SVG 無功補償裝置，通過提升功率因數(shù)、減小負荷電流、提高負載有效利用率等因素可實現(xiàn)節(jié)能供電，在提高電能質(zhì)量的同時大幅節(jié)省電費支出。根據(jù)無功經(jīng)濟當量計算，每1 kvar 年節(jié)電量可表示為式（1）：

式中：P為年節(jié)電量，kW·h；Qc為有效無功補償容量，kvar；Cb1為無功經(jīng)濟當量，取值為0.1～0.15，物理意義為每補償1 kvar 無功時有功損耗降低的千瓦數(shù)值；Tn為設備年運行時間，以掘進機為例，按照年運行300 d，按每天16 h 計算，該值可取為4800 h。

根據(jù)式（1）可知，P=1×0.1×4800=480。按照設備每年工作4800 h，按電價0.58 元計算，每1 kvar 年節(jié)電費用為480×0.58=278.4 元。按照1 個掘進工作面1 臺1140 V、500 kvar 低壓防爆SVG 為例，每年節(jié)省電費約為13.92 萬元。

4 結語

為達到煤礦井下掘進工作面長距離供電的目的，分析了在不同供電部位進行供電電能質(zhì)量補償?shù)娜N方案，可對煤礦井下掘進工作面供電電網(wǎng)中的無功、諧波進行補償，有效解決設備端電壓壓降、供電距離短、故障率高的問題。將低壓防爆SVG應用于掘進工作面EBZ260掘進機并完成工業(yè)試驗，驗證了文中提出的終端單獨補償方案的正確性和有效性，具有參考和應用價值。