无功补偿技术在煤矿井下电网中的应用研究

2018-11-01李晓杰

山东煤炭科技 2018年10期

李晓杰

（晋煤集团阳城晋圣固隆煤业有限公司，山西晋城 048100）

随着矿井综合自动化设备不断投入，变频设备及大容量、大功率的非线性负载使用越来越多，造成矿井电网负荷持续增加，电网谐波污染、电网电压波动加剧，严重时，可以导致井下大面积停电、设备绝缘失效、漏电等安全生产事故[1-2]。因此，针对上述煤矿用电问题产生的原因进行分析，研究适合煤矿供电特性的无功补偿技术，对于提高矿井电网供电的稳定可靠性、避免供电事故的发生具有重要意义。

1 矿井供电问题分析及解决办法

随着国内高科技设备的不断研发，煤矿设备也逐渐向自动化、变频化、智能化发展。与此同时，变频化、自动化设备的使用也使得矿井供电工况越来越复杂[3-4]。由于煤矿井下复杂恶劣的环境、各设备之间配合技术不成熟，导致矿井供电系统的供电质量及设备的正常运行受到影响，经对现场出现的供电问题进行分析，井下主要存在无功功率、电网谐波、大型设备瞬间启动三种问题，虽然三种影响矿井供电质量的问题同时存在，但以无功功率问题为最主要问题。所谓无功功率问题，即诸如矿井所使用的非线性电子设备、电动机都需要无功功率来维持运行，大量此类设备的投入使用导致电网的无功功率增加，对供电电网产生负载电流增大、电能消耗增加、供电电压波动增加、用电设备无法正常启动运等危害。

无功补偿装置的应用在降低电网中电能损耗、补偿供电线路的无功功率的同时，可以降低供电电网谐波，提高电缆和设备的使用年限与电网电能质量，有效解决上述矿井电网供电中所出现的问题，提高电能利用效率。因此，针对上述问题，晋圣固隆煤业有限公司利用无功补偿技术的原理，对适合矿井供电实际情况的无功发生器进行设计，以改善矿井供电质量。

2 无功补偿装置原理及设计

2.1 无功补偿装置原理

无功补偿装置由自换相桥式电路组成，通过电抗器将自换相桥式电路与电网并联。该电路主要由电力电子器件IGBT构成，通过CT控制器对电网中的电流进行检测，而后控制器驱动自换相桥式电路吸收或发出对应相位与幅值的无功电流，实现电网的无功补偿（图1为无功补偿装置的工作原理）。通过控制自换相桥式电路电压实现无功补偿装置吸收与发出无功电流。

图1 无功补偿装置工作原理图

2.2 无功发生器设计

无功发生器主要由上位机、散热器、键盘、控制电路等结构组合而成，主要对缺相、三相不平衡、过流、过压、短路、单元故障、欠压等软硬件进行保护。

该装置的硬件主要有控制回路和主回路两个部分，主回路主要由放电回路、采样电路、逆变器、熔断器、充电电路、滤波器等组成，图2为主电路的拓扑结构。装置的控制回路采用先进的SPWM技术，主要结构包括电流跟踪控制与检测两个部分，两部分的功能分别是实现控制电路所需的无功补偿电流与供电线路电流检测。该装置的运用可以实现对电网谐波和无功的即时检测，并对谐波和无功电流进行补偿，满足补偿功能及时、准确的要求。

装置利用光学电压互感器对供电线路发出的大电流、高电压信号进行转换，该互感器是利用在外加电场的作用下光学晶体可以产生效应的原理，有效地避免了电容式互感器在煤矿井下精度低、隔离不完全等缺点，真正实现高低压侧的电气设备隔离，且光学信号不受电磁波的影响，可以保证所采集的信号的精度与准确度。

3 应用效果分析

晋圣固隆煤业有限公司井下低压供电线路功率因数在补偿之前≤0.7，线路电流为1000 A，加装无功补偿发生器后，功率因数为0.95，线路电流为700 A，线路电流减少30%。根据电路原理，线路的损耗与负荷电流的平方成正比，根据DP =3I2R，所以补偿后的线路损耗为补偿前线路损耗值的49%，线路损耗降低了大约51%左右，降低线损效果明显。且无功补偿发生器应用以后，电网谐波问题、大型设备启动问题大大减少，有效地提高了矿井的供电质量，保证了矿井安全生产及节支降耗的目的。