摘要：随着矿井综合自动化设备不断投入,变频开关及大容量、大功率的非线性负载使用越来越普遍,自动化设备在提高煤矿生产效率的同时,也造成矿井电网负荷增加,电网谐波污染、电网电压波动加剧,电缆和用电设备的绝缘性与供电系统的稳定性和安全性降低的局面,极易导致井下大面积停电、设备绝缘失效、漏电等安全生产事故。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性和可靠性,避免供电事故具有重要意义。
关键词：无功补偿技术；矿井供电系统；应用
1矿井供电问题分析及解决办法
随着我国高科技装备的不断发展，煤矿装备正逐步向自动化、变频、智能化方向发展。同时，变频调速和自动化设备的使用也使矿井供电条件越来越复杂。由于井下环境复杂、恶劣，各种设备之间的配合技术不成熟，影响了矿井供电系统的供电质量和设备的正常运行。通过对现场供电问题的分析，井下矿井主要存在无功功率、电网谐波和大型设备瞬时启动三大问题。虽然影响矿井供电质量的三个问题同时存在，但主要问题是无功功率。所谓的无功功率问题，如矿山使用的非线性电子设备和电动机，需要无功功率来维持运行。大量投入使用导致电网无功功率增加，导致负荷电流、功耗、供电电压波动增大，电力设备不能正常启动运行。
无功补偿装置的应用，既能降低供电线路的功率损耗，又能补偿供电线路的无功功率，同时能降低供电网络的谐波，提高电缆设备的使用寿命和电网的电能质量，有效地解决了上述问题。矿井电网供电，提高用电效率。因此，针对上述问题，金盛古龙煤业有限公司采用无功补偿技术的原理，设计了适合煤矿供电实际情况的无功发电机，以提高煤矿供电质量。
2电网供电问题原因分析
随着我国高技术装备的不断研发，煤矿装备逐步向自动化、变频、智能化方向发展。随着高新技术装备的不断增多，矿山供电效率不断提高。同时，变频调速和自动化设备的使用也使矿井供电条件越来越复杂。由于煤矿环境复杂，设备之间的配合不成熟，严重影响了煤矿供电系统的供电质量和设备的正常运行，给煤矿造成了巨大的经济损失。经过现场供电问题分析，地下供电主要存在以下问题：
2.1无功功率问题
矿山中使用的非线性电子设备和电动机需要无功功率来维持其运行。大量此类设备投入使用，导致电网无功功率急剧增加。这将对供电电网造成严重危害，如设备成本增加、负荷电流增大、电耗增加、供电电压波动增大、电力设备不能正常启动和运行等。
2.2电网谐波问题
煤矿供电网的主要谐波源是供电开关、电动机、整流器、变压器和照明设备。为了满足煤矿自动化生产的需要，大量大功率、大容量的非线性电子器件得到了广泛的应用，导致煤矿电网谐波问题越来越严重。供电网络中的谐波问题主要有：供电及保护设备的误动、设备损耗的增加、设备效率的降低、精密计量设备的误差、设备与电缆绝缘性能的降低、使用寿命的缩短、对其它设备的电磁干扰等。电气设备。
2.3大型设备的瞬时启动
矿井中使用的采煤机、带式输送机、综采机械等大功率设备瞬间启动时，会消耗大量电流，导致供电线路损耗增加。随着矿井的不断扩建，供电线路越来越长，供电线路电压也大大降低。当达到煤矿生产高峰期和用电高峰时，整个供电网电压波动，大功率设备难以启动，严重影响了整个供电系统的供电质量。大型设备不能启动运行，严重影响矿山正常生产，也容易造成设备或电缆过热发热问题，极易造成安全事故。
3无功补偿技术在井下供电系统中的运用
3.1无功功率平衡
3.1.1补偿容量不足时的无功功率平衡
进行系统无功功率平衡的前提是保持系统的电压水平正常, 否则系统的电压质量就得不到保证。在系统无功功率负荷的静态电压特性曲线中, 无功功率电源正常情况下所提供的无功功率为QGCN, 由无功功率平衡的条件QGCN-QLD-QL=0决定的电压为Un, 设此电压对应于系统正常的电压水平。假如系统无功功率电源提供的无功功率仅为QGC (QGC<QGCN) , 此时虽然系统中的无功功率也能平衡, 但是平衡条件所决定的电压水平U显然低于Un。虽然可以采取一些措施, 例如改变某台变压器的变比来提高局部地区的电压水平, 但是整个系统的无功功率仍然不足, 系统的电压质量得不到全面改善。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆这种平衡是系统无功功率不足时达到的平衡, 是由于系统的电压水平下降、无功功率负荷本身具有的电压调节效应使得全系统的无功功率需求有所下降而达到的平衡。
3.1.2系统无功功率电源充足时的无功功率平衡
在系统电压为额定电压的正常情况下, 如果系统无功功率电源Q同电压U的关系为曲线1、负荷的无功电压特性为曲线2, 两者的交点a确定负荷节点的电压Ua。当负荷增加时, 负荷的无功电压特性则变为曲线2′, 如果系统的无功功率电源没有相应增加, 电源的无功特性仍然是曲线1, 这时曲线1和曲线2′的交点a′代表新的无功功率平衡点, 并由此决定负荷点电压为Ua′, 显然Ua′<Ua, 说明负荷增加后系统的无功功率电源已经不能满足电压Ua下的无功平衡, 只能降低电压运行, 以取得较低电压下的无功功率平衡;如果系统的无功功率电源比较充足, 补偿后的电源无功特性将上移到曲线1′的位置, 从而使曲线1′与2′的交点c所确定的负荷节点电压达到或接近原来的数值Ua。由此可见, 如果系统的无功功率电源比较充足, 系统就能够具有比较高的运行电压水平;反之, 系统的无功功率电源不足, 则反映为系统运行电压水平偏低。因此, 应该力求实现在额定电压下的系统无功功率平衡, 根据这个要求来装设必要的无功功率补偿装置。
3.2配电网无功优化补偿
电网的线损主要是线路的损耗与变压器的损耗, 配电网的降损节能即对电网中所有电力线路和变压器进行优化。无功优化的目的是通过调整无功潮流的分布降低网络有功功率的损耗, 并且保持最好的电压水平。无功优化补偿一般有变电所无功负荷的最优补偿、配电线路最优补偿以及配电变压器低压侧最优补偿, 配电变压器低压侧的最优补偿是配电网无功优化的重点之一。
配电变压器实行随器补偿, 将低压补偿电容器直接安装在配电变压器的低压侧, 与配电变压器同投同切, 用以补偿配电变压器自身的励磁无功功率损耗和感性用电设备的无功功率损耗。采用传统的无载配电变压器结合低压侧并联电容器装置, 由于配电变压器不能够自动调档, 出口端的电压一般达到110%~115%;并联电容器装置受到出口端电压的影响, 电容投运率较低, 配电网中大量的感性负荷得不到补偿, 用电高峰时压降达到30V~40V。采用有载配电变压器自动调压和合理无功自动补偿, 则能够保证配电网供电电压质量、改善功率因数, 达到无功就地平衡的目的。无功自动补偿装置进行就地补偿, 可以在实现减少线损的同时对电压质量有改善作用, 但是公用配变负荷的变化大, 带来的电压波动也大, 单纯依靠无功补偿不能够很好地解决电压的质量问题, 因此, 采取将无功和电压作为二元的控制变量, 以“九区图”作为基本控制算法进行自动跟踪补偿和自动调压相配合的措施, 可以进一步改善电能质量。
为了使电压U与无功Q达到所需要的数值, 通过改变有载配电变压器的分接开关档位和投切电容器组, 来改变配电系统的U和Q。有载配电变压器分接头档位的变化不仅对U有影响, 而且对Q也有一定的影响。同样, 电容器组投切对Q影响的同时也对U有一定的影响。
3.3配网无功补偿的效果
3.3.1提高功率因数和设备的供电能力
在电网运行中, 由于大量非线性负载的运行, 除了要消耗有功功率外, 还要消耗一定的无功功率。负荷电流在通过线路、变压器时, 将会产生电能损耗。由电能损耗公式可知, 当线路或者变压器输送的有功功率和电压不变时, 线损与功率因数的平方成反比。功率因数越低电网所需无功越多、线损也越大。因此, 在受电端安装无功补偿装置, 可以减少负荷的无功功率损耗, 提高功率因数, 提高电气设备的有功出力。
3.3.2降低电网中的功率损耗和电能损失
由公式I=P/ (3UcosΨ) 可知, 当有功功率P为定值时, 负荷电流I与cosΨ成反比;安装无功补偿装置后, 功率因数提高, 线路中的电流减小, 从而使功率损耗降低。△P=I2R, 降低电网的功率损耗, 是安装无功补偿设备的主要目的。山东省济宁市供电公司实施配网无功优化方案后, 同比降低网损率0.05%, 节电590MWh/a, 取得了明显的降损节能效益。
结论
针对煤矿供电中出现的问题,设计出无功补偿装置,装置包括主回路与控制回路两部分。无功补偿装置实现了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的功能,确保了井下供电系统得以安全稳定运行,保障了煤矿开采的安全高效运行。
参考文献：
[1]冯海兵.无功补偿技术在煤矿井下供电系统中的应用[J].能源与节能,2017(10):124-125.
[2]甘小勇,魏小明.10kV无功补偿方案的优化设计[J].四川兵工学报,2017(10):106-107.
论文作者:陈江
论文发表刊物:《电力设备》2019年第2期
论文发表时间:2019/6/4
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