產(chǎn)品與解決方案/PRODUCT AND SOLUTIONS
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解決方案
安全可靠 能效提升丨新風(fēng)光防爆SVG在煤礦井下供電系統(tǒng)中的應(yīng)用與分析
一 引言
2007年7月，國(guó)家發(fā)展和改革委員會(huì)、國(guó)家環(huán)境保護(hù)總局在《煤礦工業(yè)節(jié)能減排工作意見(jiàn)的通知》中明確提出，煤礦井下應(yīng)采用動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償與就地?zé)o功補(bǔ)償策略，確保補(bǔ)償后供電線路平均功率因數(shù)大于0.9。但我國(guó)目前現(xiàn)有的在產(chǎn)煤礦以及在建礦山的井下供電系統(tǒng)中的工作面的總裝機(jī)容量會(huì)隨采區(qū)生產(chǎn)的提高或者設(shè)備的更新?lián)Q代而大幅增長(zhǎng)，此外，在礦山開(kāi)采設(shè)計(jì)階段，供電線路過(guò)長(zhǎng)，同時(shí)大量高負(fù)荷開(kāi)采、運(yùn)輸設(shè)備的集中使用導(dǎo)致了無(wú)功功率在用電系統(tǒng)中的比例。在目前大多數(shù)不經(jīng)設(shè)備補(bǔ)償?shù)木鹿ぷ髅婀╇娤到y(tǒng)的平均功率因數(shù)通常不超過(guò)0.7，而在電機(jī)設(shè)備頻繁啟動(dòng)的狀態(tài)下，功率因數(shù)甚至可能降至0.4以下。
無(wú)功功率在井下供電系統(tǒng)的含量過(guò)高，不僅嚴(yán)重影響煤礦井下的電能質(zhì)量，還為井下采煤及掘進(jìn)工作面的供電線路設(shè)計(jì)帶來(lái)了挑戰(zhàn)。本文通過(guò)詳細(xì)分析防爆SVG在煤礦井下不同工況下的應(yīng)用方案及效果，探討了該技術(shù)如何解決煤礦生產(chǎn)中長(zhǎng)期存在的無(wú)功功率問(wèn)題，并討論配置防爆SVG裝置在提升煤礦井下供電系統(tǒng)性能中的重要性和實(shí)用價(jià)值。
二 煤礦井下供電系統(tǒng)現(xiàn)狀分析
2.1 井下電能質(zhì)量問(wèn)題
隨著我國(guó)礦山開(kāi)采技術(shù)的持續(xù)進(jìn)步，井下采用大功率重型礦用設(shè)備已成常態(tài)，這一變化有效降低了大規(guī)模煤炭資源開(kāi)采的難度。隨著采煤和掘進(jìn)設(shè)備與供電設(shè)備間的距離逐步延伸，以及變頻設(shè)備使用比例的增加，煤礦生產(chǎn)企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益顯著提升。然而，這些發(fā)展也伴隨著井下供電系統(tǒng)電能質(zhì)量的多種問(wèn)題，具體表現(xiàn)為功率因數(shù)偏低、線路末端電壓下降、電壓突降、供電穩(wěn)定性差、電壓波動(dòng)以及電壓閃變等現(xiàn)象。
影響供電系統(tǒng)的無(wú)功功率往往由大功率設(shè)備分布集中的綜采工作面用電系統(tǒng)中發(fā)出，同時(shí)礦山開(kāi)采過(guò)程中負(fù)荷設(shè)備工作時(shí)間重疊，且多在工業(yè)用電的高峰期集中運(yùn)行，導(dǎo)致晝夜間負(fù)荷差異顯著。為了節(jié)能降耗，一般 6: 00 ～ 11: 30通常安排為設(shè)備的檢修時(shí)段，此時(shí)負(fù)荷相對(duì)較低，一般僅達(dá)到正常工作負(fù)荷的20%。11: 30～15: 00 及 16: 00～24: 00 則為負(fù)荷高峰時(shí)段，期間生產(chǎn)設(shè)備全面投入使用。此外，礦井中800kW及以上大容量電機(jī)的間歇性的工作特性，更一步擴(kuò)大峰谷負(fù)荷占用率的不均衡與波動(dòng)
隨著變頻器、絞車、風(fēng)鉆、電機(jī)車等各類電子設(shè)備在煤礦的廣泛應(yīng)用，這些設(shè)備常常具備非線性沖擊性和不平衡的特性。它們?cè)谶\(yùn)行過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量的高次諧波，從而引起設(shè)備輸入端電流和電壓波形的畸變，進(jìn)而影響設(shè)備啟動(dòng)困難。此外，高次諧波的存在不僅使得大型設(shè)備啟動(dòng)困難，增加了啟動(dòng)過(guò)程中設(shè)備的損耗，還可能導(dǎo)致設(shè)備頻繁燒毀或跳閘。這些問(wèn)題不僅增加了電氣設(shè)備的運(yùn)行成本，使設(shè)備過(guò)熱、效率下降、安全性降低，還威脅到上級(jí)繼電保護(hù)設(shè)備的可靠性，可能引發(fā)各類保護(hù)系統(tǒng)誤動(dòng)或拒動(dòng)。除此之外諧波在一定程度上存在著引起系統(tǒng)局部諧振的可能，由此對(duì)電氣設(shè)備正常運(yùn)行產(chǎn)生干擾。這種干擾不僅降低了礦用設(shè)備的絕緣性能，增加了電氣安全事故的風(fēng)險(xiǎn)，也嚴(yán)重影響了煤礦的安全運(yùn)營(yíng)和生產(chǎn)效率。
2.2 無(wú)功功率對(duì)井下長(zhǎng)距離供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)的影響
煤礦礦山電力系統(tǒng)的設(shè)計(jì)受限于開(kāi)采地區(qū)地質(zhì)特點(diǎn)、煤炭開(kāi)采經(jīng)濟(jì)效益等因素的制約，所以電力供應(yīng)系統(tǒng)的布置相對(duì)復(fù)雜。一般情況下，煤礦供電系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2，井上35(10)kV變電所經(jīng)中央變電所，向采區(qū)變電所供電，再由采區(qū)變電所通過(guò)移動(dòng)變電站變壓至3.3kV/1.14kV供給采、掘工作面的臨時(shí)配電點(diǎn)。在這套供電系統(tǒng)中，井下至末端的采區(qū)變電所最長(zhǎng)的10(6)kV電纜長(zhǎng)度達(dá)10km，且包含多個(gè)分支。最遠(yuǎn)的末端工作面配電點(diǎn)距離采區(qū)變電所可達(dá)5km，其末端電壓下降超過(guò)額定電壓的7%。
圖2 煤礦礦山電力系統(tǒng)設(shè)計(jì)概覽圖
圖3 工作面供電示意圖
三 防爆SVG基本原理
3.1 防爆SVG主回路拓?fù)?/strong>
防爆SVG 是通過(guò)利用大功率電力電子器件（IGBT）的高頻開(kāi)關(guān)來(lái)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)無(wú)功功率的變換，受限于目前行業(yè)內(nèi)電力電子器件的容量上限，同時(shí)為了滿足礦山井下供電線路對(duì)高電壓大電流的無(wú)功補(bǔ)償裝置的需求，可通過(guò)對(duì)SVG功率單元進(jìn)行串聯(lián)（多電平）或并聯(lián)（多重化）的方式來(lái)擴(kuò)展其容量。
防爆SVG是基于鏈?zhǔn)紿橋多電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的SVG裝置，其中每一相都由多個(gè)獨(dú)立的H橋模塊串聯(lián)組成，從而實(shí)現(xiàn)多電平的控制。H橋模塊內(nèi)的電力電子器件和電容承受相同的負(fù)荷，當(dāng)輸出電平數(shù)相同時(shí)，鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)多電平電路相較于其他設(shè)計(jì)，所需的電力電子器件更少，且在器件開(kāi)關(guān)頻率相同的條件下，能夠產(chǎn)生更低的諧波，從而提高了系統(tǒng)的整體效能和可靠性。
防爆SVG的拓?fù)鋬?yōu)勢(shì)在于，所有模塊結(jié)構(gòu)完全相同，意味著更高程度的模塊化設(shè)計(jì)與工業(yè)化組裝，另外單元模塊節(jié)省了鉗位二極管或平衡電容的使用，從而便于進(jìn)行模塊的多重組合、調(diào)試和安裝。此外，該設(shè)計(jì)有效地解決了直流側(cè)電壓不穩(wěn)定問(wèn)題。在應(yīng)對(duì)高電壓和大容量的應(yīng)用場(chǎng)景中，基于鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)的多電平電路顯示出了相較于傳統(tǒng)多電平電路的顯著優(yōu)勢(shì)。
圖4 H橋級(jí)聯(lián)SVG拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)
3.2 無(wú)功補(bǔ)償裝置(SVG)無(wú)功補(bǔ)償原理
防爆SVG實(shí)現(xiàn)無(wú)功補(bǔ)償原理為：采用鏈?zhǔn)紿橋多電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，通過(guò)功率器件IGBT的高頻通斷將直流側(cè)電壓轉(zhuǎn)換成與交流側(cè)電網(wǎng)同頻率的輸出電壓。
以基波頻率狀態(tài)下可將防爆型靜止無(wú)功發(fā)生器（SVG）等效為一個(gè)輸出電壓幅值和相位均可調(diào)控的同頻交流電壓源設(shè)備，如圖5所示等效模型中，電網(wǎng)電壓和SVG輸出的交流電壓分別用相量Us和UI表示，連接電抗X上的電壓UL即為Us和UI的相量差，連接電抗的電流是由其電壓控制即為防爆SVG從電網(wǎng)吸收的的電流I。
因此，通過(guò)改變防爆SVG交流側(cè)輸出電壓UI的幅值及其相對(duì)于系統(tǒng)電壓Us的相位，就能夠調(diào)節(jié)連接電抗上的電壓，進(jìn)而精確控制SVG從電網(wǎng)吸收電流的相位和幅值，最終實(shí)現(xiàn)控制SVG吸收無(wú)功功率的性質(zhì)和大小。
圖5 SVG等效電路圖
在圖4所示的等效電路中電抗器視為純電感，如果忽略其損耗及變流器的損耗，假設(shè)其不消耗有功功率。在此模型的前提下，需使UI于Us同相，通過(guò)改變UI的幅值大小可控制SVG從電網(wǎng)吸收的電流I為超前或是滯后90°，且能控制該電流的大小。如圖6所示，當(dāng)UI大于Us時(shí)，電流超前系統(tǒng)電壓90°，SVG從系統(tǒng)吸收容性的無(wú)功功率；當(dāng)UI小于Us時(shí)，電流滯后系統(tǒng)電壓90°，SVG從系統(tǒng)吸收感性的無(wú)功功率。
圖6 工作原理向量圖
3.3 無(wú)功補(bǔ)償裝置(SVG)諧波補(bǔ)償原理
采用直接電流控制的有源濾波型SVG的工作原理如圖7所示。從圖中可以得出式（1），即系統(tǒng)電流IS是負(fù)載電流IL和補(bǔ)償電流IC的相量和。
圖7 直接電流控制的靜止無(wú)功發(fā)生器的工作原理
假設(shè)負(fù)載電流IL中含有基波正序電流（包括基波正序無(wú)功電流ILfq+和基波正序有功電流ILfp+）、基波負(fù)序電流ILf-和諧波電流IL如式（2）所示。
要使靜止無(wú)功發(fā)生器對(duì)負(fù)載諧波進(jìn)行抑制，需要使靜止無(wú)功發(fā)生器輸出電流IC滿足式（3）
如果要使靜止無(wú)功發(fā)生器對(duì)負(fù)載諧波抑制的同時(shí)還對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行補(bǔ)償無(wú)功，需要使裝置輸出電流IC滿足式（4）。
在實(shí)際井下供電系統(tǒng)的應(yīng)用中，防爆SVG諧波檢測(cè)算法能實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確地檢測(cè)出系統(tǒng)中的諧波電流，在對(duì)井下供電系統(tǒng)進(jìn)行諧波補(bǔ)償時(shí)，能有效地吸收電網(wǎng)諧波，滿足井下供電系統(tǒng)中電網(wǎng)對(duì)諧波指標(biāo)要求。圖8為防爆SVG補(bǔ)償電網(wǎng)諧波前后對(duì)比。
圖8 防爆SVG補(bǔ)償電網(wǎng)諧波前后對(duì)比
四 新風(fēng)光解決井下供電問(wèn)題的方案
4.1 集中補(bǔ)償解決方案
10kV/6kV大容量無(wú)功補(bǔ)償裝置，適用于配置在井下高壓配電點(diǎn)中，可以對(duì)此配電點(diǎn)供電的多個(gè)用電工作面的所有負(fù)荷進(jìn)行集中補(bǔ)償，從整條供電系統(tǒng)層面有效提高用電工作面的電能質(zhì)量和功率因數(shù)，同時(shí)濾除電網(wǎng)中的諧波，從而增強(qiáng)供電線路的傳輸能力和供電效率。此外，該補(bǔ)償方案通過(guò)穩(wěn)定電壓，能顯著提升遠(yuǎn)距離供電的穩(wěn)定性和節(jié)能效果。這種技術(shù)配置不僅優(yōu)化了電力系統(tǒng)的運(yùn)行效率，還有助于降低運(yùn)維成本，實(shí)現(xiàn)高效、穩(wěn)定的電能供應(yīng)。
圖9 集中補(bǔ)償解決方案
集中補(bǔ)償解決方案可以有效補(bǔ)償高壓供電供電線路中的無(wú)功電流，通過(guò)降低線路無(wú)功電流損耗顯著降低系統(tǒng)損耗；同時(shí)提高系統(tǒng)功率因數(shù)，根據(jù)用電設(shè)備精確選型無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備可將功率因數(shù)由0.5以下提升至0.99；此外，該技術(shù)還能濾除系統(tǒng)中存在的諧波，減少由諧波引起的用電設(shè)備故障，增強(qiáng)電氣設(shè)備的運(yùn)行穩(wěn)定性。通過(guò)提高設(shè)備的可靠性，可以大幅度降低人力與物力成本，優(yōu)化設(shè)備的維護(hù)與運(yùn)營(yíng)效率。這種技術(shù)的應(yīng)用不僅改善了電能質(zhì)量，還有助于延長(zhǎng)設(shè)備壽命和提高整個(gè)供電系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性及環(huán)境友好性。
4.2 分散及就地補(bǔ)償解決方案
3.3kV/1.14kV防爆無(wú)功補(bǔ)償裝置，配置在工作面3.3kV/1.14kV供電線路中，可以針對(duì)某一生產(chǎn)工作面一個(gè)或幾個(gè)負(fù)荷進(jìn)行定向補(bǔ)償，可有效提高供電支路因數(shù)，減少線纜電能損耗、提高上級(jí)移動(dòng)變壓器利用率降低變壓器壓降。達(dá)到延長(zhǎng)采掘工作面供電的目的。
在目前煤礦開(kāi)采生產(chǎn)工藝和用電工作面供電工藝下，終端開(kāi)采負(fù)荷與上級(jí)移動(dòng)變壓器之間供電距離過(guò)長(zhǎng)，且工作面大型設(shè)備在啟動(dòng)瞬間產(chǎn)生超高的無(wú)功沖擊，造成線路終端電壓跌落嚴(yán)重，達(dá)不到設(shè)備正常工作電壓范圍。為了解決這一問(wèn)題，可以采取分布式就地?zé)o功補(bǔ)償裝置方案對(duì)開(kāi)采工作面的個(gè)別存在無(wú)功沖擊設(shè)備進(jìn)行單獨(dú)補(bǔ)償，配置方式為，將防爆 SVG 配置在采煤、掘進(jìn)工作面供電線路中部或接于負(fù)荷側(cè)，通過(guò)快速跟進(jìn)抵消設(shè)備啟動(dòng)瞬間產(chǎn)生的無(wú)功沖擊，提高線路末端網(wǎng)壓，穩(wěn)定設(shè)備運(yùn)行，節(jié)能降耗。采掘工作面長(zhǎng)距離供電終端單獨(dú)補(bǔ)償方案拓?fù)淙鐖D10。
圖10 分散及就地補(bǔ)償方案
采、掘工作面長(zhǎng)距離供電終端單獨(dú)方案的優(yōu)勢(shì)在于充分利用防爆 SVG≤20ms的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度，實(shí)現(xiàn)負(fù)荷變化的實(shí)時(shí)跟蹤，動(dòng)態(tài)且平滑補(bǔ)償無(wú)功功率。設(shè)備內(nèi)部與電纜并聯(lián)，保障了負(fù)荷的正常運(yùn)作不受影響；投切時(shí)無(wú)暫態(tài)沖擊，無(wú)合閘涌流，無(wú)需放電即可再投；在額定電流的前提下，輸出電流諧波（THD）≤3%；系統(tǒng)集成了過(guò)壓、欠壓、過(guò)流、單元過(guò)熱和不均壓等保護(hù)機(jī)制。顯著提高了運(yùn)行的可靠性。
分散及就地補(bǔ)償解決方案是礦山開(kāi)采長(zhǎng)距離電力供應(yīng)，超長(zhǎng)供電距離設(shè)計(jì)，減少移動(dòng)變電站的調(diào)動(dòng)頻率的重要設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，通過(guò)分路及就地補(bǔ)償可以節(jié)約大量人力成本，有效提升采掘作業(yè)面的能源供應(yīng)效率和安全性。
五 總結(jié)
綜上所述，在煤礦供電系統(tǒng)中，部署無(wú)功補(bǔ)償裝置對(duì)優(yōu)化井下供電系統(tǒng)具有重要意義。此舉不僅可以改善供電系統(tǒng)的電能質(zhì)量，還有助于通過(guò)補(bǔ)償無(wú)功功率減少線路電流，從而延長(zhǎng)工作面的供電距離。這種技術(shù)的應(yīng)用能夠解決現(xiàn)有井下供電系統(tǒng)面臨的多種問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗，并為我國(guó)實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰和碳中和目標(biāo)提供支持。
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