煤矿6 kV防爆型链式SVG装置的工程应用

段兴尧

（山西新景矿煤业有限责任公司， 山西 阳泉 045000）

引言

目前我国煤炭库存过大、煤炭需求量低迷，这就要求煤矿企业进一步降低生产成本来摆脱目前所处的行业困境。因此，充分考虑将先进的静止无功发生器技术推广应用到煤矿井下供电系统，对井下存在的电能质量问题进行治理。矿用隔爆高压链式静止无功发生器的研究与应用能够响应国家节能环保政策，最大限度地发挥供电系统的供电能力、节约电能，消除谐波、保证设备正常启动和工作，减少电气故障率、提高设备使用年限，对煤矿安全、绿色、高效生产有着较高的现实意义，势必成为煤矿井下安全供电的可靠技术装备。

1 工程案例分析

某煤矿供电电压等级为35 kV，井下供电网络选取双回路电源送电模式，经矿井1号和2号35 kV主变电站变成6 kV供电电源下井后去往井下中央变电所，供电线路长10 km，两台主变容量分别为12 500 kVA和800 kVA，两段母线分别单独供电，并通过联络开关互为热备。该煤矿井下6 kV区域负荷中心是综采面电气设备工作的关键，区域变电所供电电源引至上一级变电所，分不同支路为下一级采区变电所供电，最后经移变担负各自采区的采、掘、开等任务，供电系统图如图1所示。

2 供电线系统存在的问题

综采面工作负荷设备经常集中重载启动，启动反反复复，并且长时间满负荷运行，使得供电线路末端电压较低，电压畸变现象突出，线路功率因数较低，经常发生电气设备不能正常启动等现象，严重影响了生产效率和生产质量。

3 6 kV矿用隔爆SVG装置结构

6 kV供电系统作为煤矿主要供电线路，供电线路覆盖井下所有的设备负荷，部分负荷存在重载启动，启动频繁，长时间满载运行等问题，使得6 kV供电系统存在严重的电能质量问题，所以必须对6 kV供电线路装设无功补偿装置[1]。

图1 煤矿井下6 kV区域负荷中心供电系统图

根据井下电气设备运行环境要求及本文提出的控制方法，最终设计研制出矿用防爆型链式SVG，额定电压6 kV，额定容量-2 500（感性）～2 500 kVar（容性），其外观结构如图2所示。SVG装置由电抗器箱和补偿箱两个箱体组成，方便井下运输和维护保养。装置大体分为四个部分，即：连接电抗器部分、启动部分、功率单元部分及控制器部分，同时还有二次控制保护部分、水冷散热部分以及光电隔离部分。

图2 6 kV矿用SVG装置实物图

1）连接电抗器部分。连接电抗器安装在电抗器箱内，对装置起到谐波治理作用的同时控制SVG的补偿电流大小。装置逆变部分采用电压源型逆变电路，通过PWM程序控制产生近似正弦波的多电平阶梯波，经过电抗器后生成补偿电流。

2）功率单元部分。功率单元部分主要为H桥功率模块，结构如图3-1所示，其开关器件采用进口英飞凌公司的IGBT，质量可靠，运行速度快，当系统发生故障时，可在1 ms时间内将故障模块旁路掉，每个H桥功率模块含有两个IGBT开关器件，IGBT模块如图3-2所示。

图3 功率模块结构图

3）控制器部分。装置控制部分框图如图4所示，控制部分以PLC做主站，触摸屏和主控板为分站，PLC与主控制器、PLC与触摸屏、主控制器与远程监控之间采用串行通信方式，实现系统分层控制[2]。

图4 控制器构成框图

4 SVG装置的应用

4.1 设计目标

根据煤矿井下6 kV区域负荷中心供电系统实际情况，本文对井下6 kV供电网络进行电能质量治理的设计目标为：

1）根据现场实际情况，通过计算分析，设计方案目标在井下区域负荷中心设计安装一套6 kV矿用隔爆SVG装置，进行供电系统的电能质量治理。补偿装置现场安装示意图如图5所示。

2）将6 kV母线上电网总功率因数稳定在某一设定值，长期不过补。

3）将母线电压稳定在6 kV±6 kV×1%，从而保证母线上所有的负荷设备能够正常启动运行。

4）在装置投运后，不与系统发生谐振，并具有一定的谐波治理能力。

4.2 补偿容量的分析确定

按照系统负载率70%计算，补偿前系统功率因数为cosφ1=0.88，补偿后系统功率因数目标为cosφ2=0.99，系统所需要无功功率计算如下：

图5 装置现场安装示意图

现场共有三个用电设备，功率分别为3 600 kW、1 500 kW、2 100 kW，系统负荷总功率P=7 200 kW。

通过以上计算，若考虑负载过载运行时所需的最大无功功率，并将系统功率因数稳定在0.99以上，最终确定煤矿井下6 kV供电线路需要补偿的无功功率容量约为2 001 kVar，本文设计开发的6 kV矿用隔爆SVG额定容量为2.5 MVar，所以该装置能够满足煤矿井下无功补偿及谐波治理需要，还留有一定余量。

4.3 运行测试结果与分析

为了检验装置对供电系统补偿的效果，装置投入运行后，在6 kV总进线处进行数据测量（取初始状态的三个电压值，跟随测定其在供电中的电压变化状态）。测试时间选择某天井下采煤工作时间，装置投入运行后记录时间为上午 09：50：49—10：04：09，取样时间间隔为50 s，装置未投入运行后记录时间为上午 10：04：54—10：19：54（此时线路负荷工作正常，只是装置未投运）；测量仪器选择福禄克公司生产的电能质量分析仪，型号为FLUKE1760，测量结果及数据分析如下。

由图6可以看出，装置未投入运行前，6 kV母线电压波动较大，电压波动范围在5 800～6 080 V，势必给线路末端电压造成一定影响；装置投入运行后，系统母线电压波形较稳定，没有太大波动，母线电压值稳定在6 000 V左右，上下波动率小于1%，线路供电电压质量较好，线路末端电压较高，保证了大型供电设备的正常启动和运行。

图6 投入前后系统母线电压趋势图

5 结论

引入矿用防爆型静止无功发生器，对供电线路进行无功补偿，额定容量为2.5 MVar，煤矿井下供电线路需要补偿的无功功率容量约为2 001 kVar，满足了煤矿井下无功补偿及谐波治理需要，并在实践中保证了设备的正常启动和运行，为矿井电能的质量治理提供了思路。