煤矿井下供电系统中无功补偿技术的应用

煤矿井下供电系统中无功补偿技术的应用

邵冉

淮南矿业集团“三供一业”供气维修改造工程建设项目部

摘要：供电系统是矿井生产作业的动力来源，确保其运行的有效性对矿井的长久可持续发展意义重大。无功功率是影响供电系统性能发挥的主要因素之一，有效消除这一因素至关重要。结合具体工程实际，在分析矿井现有供电系统存在问题的基础上，对井下供电系统无功补偿方案设计开展分析，并对其应用效果做出探究，希望能够为其他矿井相似工程的开展提供借鉴和参考。

关键词：煤矿；供电系统；无功补偿；方案设计；

引言

伴随矿井生产工艺自动化水平的不断提升，自动化设备在井下生产中的使用量不断增加，相应的变频开关及非线性负载的应用越发普遍，这在大幅提升矿井生产作业效率的同时也使得矿井供电系统负荷显著增加，电网谐波污染和电压波动现象明显，电缆、各用电装置的绝缘性及整个供电系统的稳定性受到显著影响，极易发生大面积的井下停电事故，严重时还会导致漏电安全事故发生，对生产高效运行和安全开展构成一定威胁。有鉴于此，针对井下供电系统使用中用电问题的诱因开展分析，探究具有良好适用性的无功补偿工艺，对于提升井下供电网络运行稳定性、确保用电安全意义重大。

1工程概述

A矿井下中央变电所设计电压为35kV，内部设计选用双回路电源进线模式，两条电源线可互为备用电源。在井下实际回采中，先借助型号为S11-25000的变压装置将变电所35kV电压下调至10kV后通过专用电缆及架空线将电能传输至井下各用电区域。图1所示即为供电系统结构示意图。

图1供电系统结构示意图

2现有供电系统问题分析

2.1功率因数低电能浪费严重

根据井下实测可知，A矿井下原供电系统功率因数介于0.6～0.7，特别是在长距离供电线路中，有大量的无功电流，引起了较为严重的电能浪费现象。

2.2变压器带载能力偏低

变压器带载能力计算公式为：

式(1)中，Pw为变压装置带载能力，kV•A；Py为变压装置容量，kV•A；βM为变压装置负荷率，取值0.8；cosφ为功率因数。

依照A矿井下供电实际状况，其供电系统功率因数取值0.7，则根据式(1)计算可知A矿井下变压装置带载能力为Pw=1400kV•A。不过A矿井下回采作业的采煤机额定功率为1560kW，这表明供电系统作业时其变压装置带载能力可能无法满足机电设备运行需求，从而导致设备无法正常运行。这种现象的长期存在往往会使得机电设备绝缘性能和工作效率大幅下降。

2.3末端电压偏低设备启动存在故障

A矿供电系统实际使用中存在较多无功电流，使得系统运行中存在较大的压降。这种情况下，一旦遇到用电高峰阶段，极易引起大功率机电设备启动难的问题，而且随着A矿供电系统的多年使用，其线路末端电压降低现象越发明显，对正常生产的影响也越发明显。

2.4威胁供电安全

A矿供电系统中各电源操控按键与机电设备间有着明显的无功电流交互冲突，而这种现象的长期存在会在一定程度加速设备老化，特别是容易引起电缆、电机等的绝缘性能降低，诱发漏电或短路事故。根据不完全统计，A矿仅2017年便出现电缆接头过热问题十余次，共计更换各类接头60余个。此外，由于电路末端电压偏低，设备运行的启动电流较高，系统运行中整定保护功能的发挥难度较大，不利于保证矿井的生产安全。

3井下供电系统无功补偿方案设计

3.1静止无功发生装置（SVG）补偿原理分析

静止无功发生装置补偿作业原理为：借助电抗器或通过将电抗器和桥式逆变装置与电网并联，实现对静止无功发生装置逆变电路输出位置及相位值的调整，以此保证静止无功发生装置对外输出的无功电能满足无功补偿需要。

目前，矿井中应用最为普遍的SVG包括两种类型，分别为电压型和电流型，这主要是依据直流侧储能件的不同划分的，两者的作业原理完全相同。不过在设备成本和作业效率方面，电压型SVG具有更明显的优势。因此，本次A矿无功补偿方案设计中选择使用电压型SVG。

3.2无功补偿装置配置分析

结合A矿井下综采作业补偿容量分析结果，基于对设备运行负荷容量变化和运行稳定性的考虑，决定采用如表1所示的无功补偿配置方案。

表1综采面无功补偿配置方案

3.3现场作业方案分析

为最大限度地提升无功补偿的实际效果，本次设计遵循就地补偿原则，将无功补偿装置全部布设于综采面移动变电站中，在顺槽列车上增设3节车厢，将所增加的3套无功补偿装置安设于其中。图2所示即为无功补偿装置安装示意图。

图2无功补偿装置安装示意图

完成无功装置安装后，还需要使用并联结构将井下高压配电开关与变压装置电路整合，如此一来，可以确保无功补偿设备出现故障或进行检修作业时，不会对综采作业的有效、高质量开展造成影响。

4应用效果分析

根据有关规定，煤矿供电系统中每投入1kvar无功功率，则系统可节约有功功率0.02～0.04kW，二级供电网可节约有功功率0.06～0.1kW，三级供电网可节约有功功率0.1～0.15kW。基于此，将A矿SVG无功补偿容量视为1800kvar，则在满载的情况下运行1a（运行350d，每天20h），取其单位无功当量，节约有功功率0.1kW，则应用无功补偿工艺后，A矿每年可节约有功功率1.26×104kW，按照0.5元/(kW•h)计算，则全年可节约用电成本超6.0×105元。有鉴于此，在井下供电系统中应用无功补偿技术有着十分显著的经济效益。

5结语

伴随中国煤炭行业的蓬勃发展，煤炭生产工艺机械化也获得了长足进步，煤矿井下生产中各类大功率装置的使用越发频繁，这使得供电系统运行中的无功功率大幅增加，从而造成了不同程度的电能浪费现象，提升了井下作业成本。

针对此，引入无功补偿技术，在保证供电系统运行稳定性的同时降低无功功率，节约用电成本，对矿井综合效益的提升有着积极意义。

参考文献：

[1]刘宇静.滤波无功补偿技术在煤矿高压供电系统的应用[J].自动化应用，2018(11)：103-104.

[2]孙彬强.阶梯式高压无功补偿装置在矿井供电系统中的应用[J].内蒙古煤炭经济，2018(21)：54-55.

[3]申水旺.无功补偿节能技术在王庄煤矿综采面的应用[J].能源技术与管理，2018，43(5)：173-174.

[4]南卫国.某煤矿供电系统SVG无功补偿技术的应用[J].现代矿业，2018，34(9)：159-160.

[5]赵春凤.煤矿供电系统的节能降耗技术分析[J].机电工程技术，2018，47(8)：189-191.

[6]李欣蓉.SVG无功补偿在选煤厂供电系统中的应用[J].中小企业管理与科技(下旬刊)，2018(8)：176-177.