10kV链式静止无功发生器在煤矿井下应用研究

郑焕友

【摘 要】本文从研究煤矿井下动态无功补偿技术入手,对龙郓煤业一采区变电所供电系统存在的电网功率因数较低、电能损耗较大等问题进行了探讨分析,通过安装矿用隔爆兼本质安全型链式静止无功发生器进行了煤矿供电电能质量治理,实施效果明显.

【期刊名称】《山东煤炭科技》 【年(卷),期】2019(000)005 【总页数】3页(P121-123)

【关键词】煤矿供电;链式静止无功发生器;电能治理 【作 者】郑焕友

【作者单位】山东能源龙矿集团,山东龙口265700 【正文语种】中 文

【中图分类】TD611;TM761+.12

1 煤矿电能质量问题

根据矿井安全生产的需要，煤矿装备向重型化、智能化方面不断发展，装备能力的提高，生产的稳定性和连续性得到较好的保证，设备的故障率得到大幅降低。但随之带来正常运行时有功功率相对较低，负荷率较低，功率因数偏低，电能损耗较为严重，造成煤矿用电设备无法可靠工作，主要影响因素有功率因数、电压偏差、电

压波动与闪变、谐波、三相不平衡、瞬时或暂时过电压、电压暂降、暂升及供电连续性等。功率因数偏低会使供电设备运行效率降低，用电设备的利用率降低，煤矿企业生产成本增加。系统电压损失增大，容易造成电压波动或闪变，使供电系统运行质量严重下降，用电设备运行效率受到严重影响，电能输送过程损耗增加，造成电能质量下降，运行成本增高，安全运行可靠系数降低，所以，通过比较分析，煤矿电能质量归根结底来说绝大部分是由无功功率和谐波引起的系列性问题，如何进行针对性的无功补偿，对促进供电系统安全、稳定运行，提高单位经济效益具有重要意义。 2 无功补偿技术 2.1 无功功率

所谓无功功率就是电动机等设备为建立交变磁场和感应磁通而需要的电功率。无功功率在系统中对外不做功，但它并不是“无用”的电功率，相反，无功功率在设备运行工作时起到非常重要的作用，如果供电网络环境中无功功率过高，用电设备就无法正常工作。 2.2 无功补偿技术发展

无功补偿技术又称为“无功功率补偿”，它能够改进和提高各单位供电系统及设备的功率因数，有效降低供电耗程度，稳定电网电压，提高电能利用效率，是当前提高电能质量的一项关键性技术。 现有的补偿技术发展走势为：

（1）调压式电容器动态无功补偿装置。该装置是利用电容器输出容量与电容器运行电压的平方成正比的原理，通过调节电容器两端的工作电压，调节电容器发出的无功总量，实现动态无功补偿。该装置响应速度慢，不具备滤波、抑制电压波动、治理三相不平衡等功能，且现场负荷小时易出现过补，行业内基本不再使用。 （2）晶闸管分级投切电容器（TSC）。该装置由若干组并联的晶闸管阀组控制，

进行快速投切，设备结构简单，损耗小，但是响应速度慢和不具备滤波功能，适合谐波较小和负荷比较稳定的现场使用。

（3）TCR+FC型动态无功补偿装置。该设备采用高压晶闸管阀组以及空心式相控电抗器，以及FC滤波器组，通过调节晶闸管的触发角来改变TCR的无功输出。该种装置在有轨铁路、金属冶炼、电力系统等行业应用比较普遍，但是由于设备系统限制，总体体积较大，不适宜在煤矿井下使用。

（4）静止无功发生器SVG（Static Var Generator）技术。静止无功发生器SVG是将电压源型逆变器经过电抗器并联在电网上，通过调节逆变桥中IGBT器件的开关，可以控制直流逆变到交流的电压的幅值和相位，通过检测系统中所需的无功，可以快速发出大小相等、相位相反的无功，实现无功的就地平衡，保持系统实时高功率因数运行。

随着行业技术的应用发展，SVG的技术先进性比较突出，特点如下：① 响应时间更快。SVG响应时间：≤5ms，传统补偿装置响应时间10～100ms；② 抑制电压闪变能力更强。SVG对电压闪变的抑制可以达到5∶1，甚至更高；③ 运行范围受供电网络电压影响较小。当运行电压降低时，能够保持稳定的无功电流，而电容器类补偿装置供电网络电压与无功电流成正比，这是电容器类补偿装置技术实施应用的不同。此外，SVG的补偿范围是-100%～100%，即SVG即可发出感性无功，亦可发出容性无功，这是SVG装置无可比拟的技术优势；④ 实现多种补偿功能。既可以单独补偿负载不平衡、设备无功、系统谐波等，又同时补偿负载不平衡、设备无功、系统谐波等；⑤ 谐波含量极低。采用了PWM及多电平载波移相技术的SVG，不仅自身产生的谐波含量极低，还能够对系统内产生的谐波进行补偿，实现功能多样化；⑥ 设备损耗极低。SVG设备本身的拓扑结构特点，与煤矿供电系统高压变频装置的结构类型相似，所以设备损耗相近。静止无功发生器由多个逆变器串联组成，总的损耗一般不超过设备总容量的0.8%，再加上控制系统，散热系统

等，静止无功发生器设备总损耗大约在设备容量的1%左右；⑦ 设备运行稳定。行业内有关单位使用基本达到零故障率。 3 现场应用探讨

龙郓煤业一采区下部变电所位于龙郓煤业井下一采区，采用双回路供电，进线电源电压10kV，所内总负荷约6960kW，主要担负采煤工作面、主运输皮带机、采区泵房等设备供电。目前主要存在设备无功功率大、功率因数低（负载运行时电网功率因数在0.6～0.75之间）、末端电压低（负载运行时网侧电压最低在9900V左右）、波动大、线路损耗严重、谐波干扰严重、对通讯系统干扰等问题。 经过综合研究，动态无功补偿技术应用比较成熟和稳定，特别是矿用隔爆型无功补偿装置已经在煤炭行业多个单位现场应用，效果良好。龙郓煤业在一采区变电所安装投入了一台WJL-5000/10型矿用隔爆兼本安型链式静止无功发生器。如图1所示。

图1 WJL-5000/10型矿用隔爆兼本安型链式静止无功发生器构架图

该设备主要由主控制系统、水冷功率单元变流器、水冷电抗器、隔离及充电回路、水冷系统、显示系统及防爆壳体等几部分组成。

该设备采用自换相的电力半导体桥式变流器来进行动态无功补偿，采用APF（有源滤波器）技术，具有较好的动态性能，采用水冷功率单元级联方式，输出电压电平数高达17电平，正弦度较高，采用了先进的水冷电抗器，其单位容量较大，产品外形尺寸（长×宽×高，mm）4404×1220×1626，重量10500kg，较传统补偿装置具有体积更小、散热效果明显、单位容量大的特点。 3.1 设备技术数据

设备自投运后，运行稳定，各项技术指标较投运前效果明显，具体如下所述。 3.1.1 未开启防爆SVG，设备运行时无补偿状态

（1）轻载时（负荷400～1000kW），供电电压在10130V～10330V，比空载时

压降约250V；线路电流40～75A；平均功率因数0.63～0.72；

（2）中载时（负荷1000～2000kW），供电电压在9946V～10210V，比空载时压降约350～400V；线路电流81～148A；平均功率因数0.64～0.83；

（3）重载时（负荷2000～2500kW），供电电压在9930V～10069V，比空载时压降约450～480V；线路电流173～184A；平均功率因数0.73～0.75； 3.1.2 开启防爆SVG，设备运行时，有补偿状态

（1）轻载时（负荷400～1000kW），供电电压在10189V～10360V，比无补偿时电压抬升约50V；线路电流25～53A，下降幅度约30%；功率因数0.986～0.989；

（2）中载时（负荷1000～2000kW），供电电压在10020V～10440V，比无补偿时电压抬升约230V；线路电流68A～105A，下降幅度约31.6%；功率因数0.98左右；

（3）重载时（负荷2000～2500kW），供电电压在10090V～10226V，比无补偿时电压抬升约160V；线路电流118～138A，下降幅度约27%；功率因数0.98左右。 3.2 效益分析

链式防爆静止无功发生器（SVG）投入使用后，重载时10kV电网电流减少了约50A，补偿无功约2100kVar；电网功率因数由平均0.7左右提高到0.98。根据每投入1kVar的无功可以节省约0.1kW的有功功率来计算（按电费0.65元/kW·h计算）：

每年直接节电效益：2100kVar×0.1×24×30×12=1814400kW·h。

设备自身损耗量：2100kVar×0.007×24×30×12=127008kW·h（自身损耗约为其容量的0.7%）。

设备一年冷却用水量及费用：75L/min×60×24×30×12×1t/m³＝ 38880t。以每

吨水3元计算，一年的用水费用为：3×38880=11.66万。

结论：自使用WJL-5000/10型矿用隔爆兼本安型链式静止无功发生器后，一年直接节约费用为：（1814400kW·h - 127008kW·h）×0.65-11.66 万=98.02万元(因现有负荷比预估小，设备补偿能力仅仅发挥了约40%）。 4 结束语

实践证明，通过在龙郓煤业一采区下部变电所安装矿用隔爆兼本安型链式静止无功发生器，系统线路功率因数稳定保持在0.98，线路电流较投运前下降约30%，线路端电压抬升2%，较好地解决了该地点大功率设备启动时压降较大、启动困难、对电网冲击大的问题。经济效益和社会效益比较明显，每年能够节约电费近百万元，节能效果较好，特别是能够增强供电系统稳定性及设备的抗干扰性，是煤矿等企业安全生产和节能降耗的关键设备，对促进企业节能减排、提高经济效益具有至关重要的作用。