10kV鏈式靜止無功發(fā)生器在煤礦井下應(yīng)用研究

鄭煥友

（山東能源龍礦集團，山東 龍口 265700）

1 煤礦電能質(zhì)量問題

根據(jù)礦井安全生產(chǎn)的需要，煤礦裝備向重型化、智能化方面不斷發(fā)展，裝備能力的提高，生產(chǎn)的穩(wěn)定性和連續(xù)性得到較好的保證，設(shè)備的故障率得到大幅降低。但隨之帶來正常運行時有功功率相對較低，負荷率較低，功率因數(shù)偏低，電能損耗較為嚴重，造成煤礦用電設(shè)備無法可靠工作，主要影響因素有功率因數(shù)、電壓偏差、電壓波動與閃變、諧波、三相不平衡、瞬時或暫時過電壓、電壓暫降、暫升及供電連續(xù)性等。功率因數(shù)偏低會使供電設(shè)備運行效率降低，用電設(shè)備的利用率降低，煤礦企業(yè)生產(chǎn)成本增加。系統(tǒng)電壓損失增大，容易造成電壓波動或閃變，使供電系統(tǒng)運行質(zhì)量嚴重下降，用電設(shè)備運行效率受到嚴重影響，電能輸送過程損耗增加，造成電能質(zhì)量下降，運行成本增高，安全運行可靠系數(shù)降低，所以，通過比較分析，煤礦電能質(zhì)量歸根結(jié)底來說絕大部分是由無功功率和諧波引起的系列性問題，如何進行針對性的無功補償，對促進供電系統(tǒng)安全、穩(wěn)定運行，提高單位經(jīng)濟效益具有重要意義。

2 無功補償技術(shù)

2.1 無功功率

所謂無功功率就是電動機等設(shè)備為建立交變磁場和感應(yīng)磁通而需要的電功率。無功功率在系統(tǒng)中對外不做功，但它并不是“無用”的電功率，相反，無功功率在設(shè)備運行工作時起到非常重要的作用，如果供電網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中無功功率過高，用電設(shè)備就無法正常工作。

2.2 無功補償技術(shù)發(fā)展

無功補償技術(shù)又稱為“無功功率補償”，它能夠改進和提高各單位供電系統(tǒng)及設(shè)備的功率因數(shù)，有效降低供電耗程度，穩(wěn)定電網(wǎng)電壓，提高電能利用效率，是當前提高電能質(zhì)量的一項關(guān)鍵性技術(shù)。

現(xiàn)有的補償技術(shù)發(fā)展走勢為：

（1）調(diào)壓式電容器動態(tài)無功補償裝置。該裝置是利用電容器輸出容量與電容器運行電壓的平方成正比的原理，通過調(diào)節(jié)電容器兩端的工作電壓，調(diào)節(jié)電容器發(fā)出的無功總量，實現(xiàn)動態(tài)無功補償。該裝置響應(yīng)速度慢，不具備濾波、抑制電壓波動、治理三相不平衡等功能，且現(xiàn)場負荷小時易出現(xiàn)過補，行業(yè)內(nèi)基本不再使用。

（2）晶閘管分級投切電容器（TSC）。該裝置由若干組并聯(lián)的晶閘管閥組控制，進行快速投切，設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單，損耗小，但是響應(yīng)速度慢和不具備濾波功能，適合諧波較小和負荷比較穩(wěn)定的現(xiàn)場使用。

（3）TCR+FC型動態(tài)無功補償裝置。該設(shè)備采用高壓晶閘管閥組以及空心式相控電抗器，以及FC濾波器組，通過調(diào)節(jié)晶閘管的觸發(fā)角來改變TCR的無功輸出。該種裝置在有軌鐵路、金屬冶煉、電力系統(tǒng)等行業(yè)應(yīng)用比較普遍，但是由于設(shè)備系統(tǒng)限制，總體體積較大，不適宜在煤礦井下使用。

（4）靜止無功發(fā)生器SVG（Static Var Generator）技術(shù)。靜止無功發(fā)生器SVG是將電壓源型逆變器經(jīng)過電抗器并聯(lián)在電網(wǎng)上，通過調(diào)節(jié)逆變橋中IGBT器件的開關(guān)，可以控制直流逆變到交流的電壓的幅值和相位，通過檢測系統(tǒng)中所需的無功，可以快速發(fā)出大小相等、相位相反的無功，實現(xiàn)無功的就地平衡，保持系統(tǒng)實時高功率因數(shù)運行。

隨著行業(yè)技術(shù)的應(yīng)用發(fā)展，SVG的技術(shù)先進性比較突出，特點如下：① 響應(yīng)時間更快。SVG響應(yīng)時間：≤5ms，傳統(tǒng)補償裝置響應(yīng)時間10～100ms；② 抑制電壓閃變能力更強。SVG對電壓閃變的抑制可以達到5∶1，甚至更高；③ 運行范圍受供電網(wǎng)絡(luò)電壓影響較小。當運行電壓降低時，能夠保持穩(wěn)定的無功電流，而電容器類補償裝置供電網(wǎng)絡(luò)電壓與無功電流成正比，這是電容器類補償裝置技術(shù)實施應(yīng)用的不同。此外，SVG的補償范圍是-100%～100%，即SVG即可發(fā)出感性無功，亦可發(fā)出容性無功，這是SVG裝置無可比擬的技術(shù)優(yōu)勢；④ 實現(xiàn)多種補償功能。既可以單獨補償負載不平衡、設(shè)備無功、系統(tǒng)諧波等，又同時補償負載不平衡、設(shè)備無功、系統(tǒng)諧波等；⑤ 諧波含量極低。采用了PWM及多電平載波移相技術(shù)的SVG，不僅自身產(chǎn)生的諧波含量極低，還能夠?qū)ο到y(tǒng)內(nèi)產(chǎn)生的諧波進行補償，實現(xiàn)功能多樣化；⑥ 設(shè)備損耗極低。SVG設(shè)備本身的拓撲結(jié)構(gòu)特點，與煤礦供電系統(tǒng)高壓變頻裝置的結(jié)構(gòu)類型相似，所以設(shè)備損耗相近。靜止無功發(fā)生器由多個逆變器串聯(lián)組成，總的損耗一般不超過設(shè)備總?cè)萘康?.8%，再加上控制系統(tǒng)，散熱系統(tǒng)等，靜止無功發(fā)生器設(shè)備總損耗大約在設(shè)備容量的1%左右；⑦ 設(shè)備運行穩(wěn)定。行業(yè)內(nèi)有關(guān)單位使用基本達到零故障率。

3 現(xiàn)場應(yīng)用探討

龍鄆煤業(yè)一采區(qū)下部變電所位于龍鄆煤業(yè)井下一采區(qū)，采用雙回路供電，進線電源電壓10kV，所內(nèi)總負荷約6960kW，主要擔負采煤工作面、主運輸皮帶機、采區(qū)泵房等設(shè)備供電。目前主要存在設(shè)備無功功率大、功率因數(shù)低（負載運行時電網(wǎng)功率因數(shù)在0.6～0.75之間）、末端電壓低（負載運行時網(wǎng)側(cè)電壓最低在9900V左右）、波動大、線路損耗嚴重、諧波干擾嚴重、對通訊系統(tǒng)干擾等問題。

經(jīng)過綜合研究，動態(tài)無功補償技術(shù)應(yīng)用比較成熟和穩(wěn)定，特別是礦用隔爆型無功補償裝置已經(jīng)在煤炭行業(yè)多個單位現(xiàn)場應(yīng)用，效果良好。龍鄆煤業(yè)在一采區(qū)變電所安裝投入了一臺WJL-5000/10型礦用隔爆兼本安型鏈式靜止無功發(fā)生器。如圖1所示。

圖1 WJL-5000/10型礦用隔爆兼本安型鏈式靜止無功發(fā)生器構(gòu)架圖

該設(shè)備主要由主控制系統(tǒng)、水冷功率單元變流器、水冷電抗器、隔離及充電回路、水冷系統(tǒng)、顯示系統(tǒng)及防爆殼體等幾部分組成。

該設(shè)備采用自換相的電力半導(dǎo)體橋式變流器來進行動態(tài)無功補償，采用APF（有源濾波器）技術(shù)，具有較好的動態(tài)性能，采用水冷功率單元級聯(lián)方式，輸出電壓電平數(shù)高達17電平，正弦度較高，采用了先進的水冷電抗器，其單位容量較大，產(chǎn)品外形尺寸（長×寬×高，mm）4404×1220×1626，重量10500kg，較傳統(tǒng)補償裝置具有體積更小、散熱效果明顯、單位容量大的特點。

3.1 設(shè)備技術(shù)數(shù)據(jù)

設(shè)備自投運后，運行穩(wěn)定，各項技術(shù)指標較投運前效果明顯，具體如下所述。

3.1.1 未開啟防爆SVG，設(shè)備運行時無補償狀態(tài)

（1）輕載時（負荷400～1000kW），供電電壓在10130V～10330V，比空載時壓降約250V；線路電流40～75A；平均功率因數(shù)0.63～0.72；

（2）中載時（負荷1000～2000kW），供電電壓在9946V～10210V，比空載時壓降約350～400V；線路電流81～148A；平均功率因數(shù)0.64～0.83；

（3）重載時（負荷2000～2500kW），供電電壓在9930V～10069V，比空載時壓降約450～480V；線路電流173～184A；平均功率因數(shù)0.73～0.75；

3.1.2 開啟防爆SVG，設(shè)備運行時，有補償狀態(tài)

（1）輕載時（負荷400～1000kW），供電電壓在10189V～10360V，比無補償時電壓抬升約50V；線路電流25～53A，下降幅度約30%；功率因數(shù)0.986～0.989；

（2）中載時（負荷1000～2000kW），供電電壓在10020V～10440V，比無補償時電壓抬升約230V；線路電流68A～105A，下降幅度約31.6%；功率因數(shù)0.98左右；

（3）重載時（負荷2000～2500kW），供電電壓在10090V～10226V，比無補償時電壓抬升約160V；線路電流118～138A，下降幅度約27%；功率因數(shù)0.98左右。

3.2 效益分析

鏈式防爆靜止無功發(fā)生器（SVG）投入使用后，重載時10kV電網(wǎng)電流減少了約50A，補償無功約2100kVar；電網(wǎng)功率因數(shù)由平均0.7左右提高到0.98。根據(jù)每投入1kVar的無功可以節(jié)省約0.1kW的有功功率來計算（按電費0.65元/kW·h計算）：

每年直接節(jié)電效益：2100kVar×0.1×24×30×12=1814400kW·h。

設(shè)備自身損耗量：2100kVar×0.007×24×30×12=127008kW·h（自身損耗約為其容量的0.7%）。

設(shè)備一年冷卻用水量及費用：75L/min×60×24×30×12×1t/m3＝ 38880t。以每噸水3元計算，一年的用水費用為：3×38880=11.66萬。

結(jié)論：自使用WJL-5000/10型礦用隔爆兼本安型鏈式靜止無功發(fā)生器后，一年直接節(jié)約費用為：（1814400kW·h - 127008kW·h）×0.65-11.66 萬=98.02萬元(因現(xiàn)有負荷比預(yù)估小，設(shè)備補償能力僅僅發(fā)揮了約40%）。

4 結(jié)束語

實踐證明，通過在龍鄆煤業(yè)一采區(qū)下部變電所安裝礦用隔爆兼本安型鏈式靜止無功發(fā)生器，系統(tǒng)線路功率因數(shù)穩(wěn)定保持在0.98，線路電流較投運前下降約30%，線路端電壓抬升2%，較好地解決了該地點大功率設(shè)備啟動時壓降較大、啟動困難、對電網(wǎng)沖擊大的問題。經(jīng)濟效益和社會效益比較明顯，每年能夠節(jié)約電費近百萬元，節(jié)能效果較好，特別是能夠增強供電系統(tǒng)穩(wěn)定性及設(shè)備的抗干擾性，是煤礦等企業(yè)安全生產(chǎn)和節(jié)能降耗的關(guān)鍵設(shè)備，對促進企業(yè)節(jié)能減排、提高經(jīng)濟效益具有至關(guān)重要的作用。