矿井供电系统就地无功补偿方案研究

张先春,杨尊胜

（山东里能鲁西矿业有限公司,山东 济宁 272053）

1 当前系统现状

鲁西煤矿井下供电为6kV电压等级，现场生产设备也均为1140V、660V电压等级。其中影响电能质量的主要因素及表现如下。

1.1 电压波动

由于煤矿井下生产条件具有不确定性，煤矿通常采用大型设备提高生产的适应性和可靠性，这些设备单机功率大，启动频繁，产生电压波动，对煤矿的配电系统或供电末端的电压质量造成影响。一采区二号变电所，辅助采区变电所包含采煤机、刮板机、带式输送机和综掘机等大功率负荷设备，设备启动时大量无功冲击造成工作面电压剧烈波动，导致设备无法正常启动，进而影响正常生产。

1.2 谐波含量

供电线路未配备变频装置的采煤机、转载机、破碎机、乳化液和喷雾泵等非线性负荷，线路谐波含量高，功率因数低，线路损耗大。

2 项目实施的必要性

2.1 调研分析

经调研，低压无功补偿配点装置具有以下优点。

（1）低压无功补偿装置位于移变低压侧，实现零距离补偿，安装方便，补偿效果好。

（2）采用地面电网终端普遍推广使用的成熟动态补偿技术，产品技术成熟可靠，补偿效果好。

（3）独有的高精度电能计量考核功能，即可实时统计负载电量，还可以统计出投入使用无功补偿节省的电费支出，产品的节能效果一目了然。

（4）产品采用全模块化设计，结构简单，维护方便。

（5）采用7吋彩屏显示，补偿数据、电参数据一目了然，显示内容丰富直观，所有数据全部可并入供电自动化实现上传地面。

2.2 实施效果

2.2.1提高功率因数和供电设备的供电能力

由P=S*COSΦ可看出，当设备的视在功率一定时，功率因数的提高,相应的P也随之增大，供电设备的有功出力也就提高了。

2.2.2降低电网中的功率损耗和电能损耗

由公式I=P/(√3*U*COSΦ)可知，当有功功率为定值时，负荷电流和功率因数为反比，安装无功补偿后，功率因数提高，可使线路中的电流减小，从而使功率损耗降低，从而达到节约电能的效果。

2.2.3改善电压质量、降低电压损失

在线路中电压损失△U的计算公式如下：

△U=(PR+QX)÷Ue

其中：△U——线路中的电压损失，kV。

R——线路总电阻，Ω。

P——有功功率，kW。

Q——无功功率，Mvar。

Ue——额定电压，kV。

XL——线路感抗，Ω。

由上式可以看出，无功功率Q减少后，线路中的电压损失就会相应的减少。

2.2.4降低线损，节约电费支出，降低生产成本

在电力供电系统中，要通过导线和变压器等输、配电设备送到终端设备，由于变压器和导线都具有电阻和电抗，因此电流在电网流动时，将会产生有功和无功的电能损耗。

电能损耗的大小与流过导线的电流的平方成正比。在同一导线截面内，电流越大，功率损耗越大，并转化为热能散发到空气中，造成浪费。

2.2.5抑制谐波、净化电网，改善电网供电质量

随着防爆变频器以及各类电力电子设备在井下的广泛应用，电网中往往存在5次、7次以上等不同频率的谐波干扰。谐波的存在不仅影响到供电设备的正常运行（如馈电开关保护器经常因为干扰出现故障），同时也会影响到井下其他通讯、控制系统的可靠运行。

无功补偿装置各支路安装电抗器与补偿电容器相串联，其作用有两点：一是限制涌流，二是抑制谐波达到使装置内电器件安全运行和净化电网的目的。

3 就地补偿方案

根据煤矿井下供电系统图，供电系统末端负载电压等级多为660V、1140V，因此可以在负载端增设低压无功补偿装置，就地对负载进行补偿。

因供电系统末端负载较多，现针对其中一路进行说明，因末端负载容量的实际数据不清楚，只能通过供电系统图中的移变容量进行理论估算。

3.1 补偿容量计算

确定无功补偿容量的原则如下：满足正常运行时补偿需求，兼顾设备启动时等快速补偿无功冲击，支撑电压。

根据煤矿井下实际供电系统图，依据实际的现场数据分析，采煤机回路主要负荷是采煤机、转载机、刮板机和破碎机，因负载的实际功率不知，现通过所带组合开关容量进行理论估算。组合开关容量为1600 kVA，根据经验，负载率按0.52，则总视在功率为832kVA。估算设备正常运行时功率因数平均值为0.65。

补偿前视在功率：S1=1600kVA*0.52=832kVA。

有功功率：P=S1*φ1=832kVA*0.65=540.8kW。

补偿前无功量：Q1²=S1²-P²得Q1=632.3kVar。

补偿后视在功率：S2=P/φ2=540.8kW/0.95=569.3kVA。

需补偿无功由：Q2²=S2²-P²得Q2=177.8kVar。

最终可得无功需求量：ΔQ=Q1-Q2=454kVar左右。

根据经验值估算，设备启动瞬间无功需求可达到500～600kVar，WJ1-560/1140无功补偿装置具有短时过载能力，可达到670kVar，完全满足设备启动时的无功需求。

3.2 补偿方案内容

3.2.1 结构特征

（1）保护箱的总体结构由隔爆外壳与芯体组成。上方为保护箱部分及无功补偿电源部分，下方为无功补偿部分。

（2）隔爆外壳为方型非快开门结构，可分为接线腔、主腔、电缆引入装置等。

（3）芯体由隔离开关、无功补偿控制器、补偿控制回路、熔断器、补偿回路、电流互感器、PLC可编程控制器等组成。

3.2.2工作原理

通过电流互感器和电压互感器对主回路进行信号采样，送入无功功率补偿控制器WBKC并给出控制信号，以无功补偿控制器为核心的投切装置，通过循环方式控制补偿控制回路的通断，控制对应的补偿回路的投入和退出，对供电系统的无功功率进行自动补偿。同时也可以根据需要进行手动的投入与切除操作。在隔离装置合闸前应确保每一路的转换开关都处于切除位置。

3.2.3绝缘检测

绝缘检测是进行绝缘检测，负荷侧绝缘电阻在40kΩ(1140V)、22kΩ（660V）动作值以下时，能可靠地实现漏电保护并显示“漏电故障，数据采集器中J2继电器断开，如绝缘电阻值达到（1140V）40KΩ以上，数据采集器中J2继电器闭合，3号线与+24V线采集到信号送至高压开关，高压断路器可以合闸。如主回路绝缘电阻低于闭锁动作值时，J2自动能断开，高压配电装置中断路器不能合闸，对移变高压侧实施漏电闭锁。

3.2.4漏电保护

漏电检测的附加直流电源经三相电抗器SK～滤波电路板～数据采集端子组成漏电检测回路，如单相对地绝缘电阻≤22KΩ（1140V）、绝缘电阻≤11KΩ（660V）时，低压保护箱中的J2接点保护断开，高压侧断路器跳闸，动作值误差在±20%，并在显示屏中显示电阻值。

3.2.5过载、短路保护

主回路电流检测经电流互感器TA，将信号送给数据采集器，进行电流值的比较。当电流值达到所设定的电流值时，实现反时限动作跳闸。

3.2.6过压、失压保护

（1）保护箱在额定控制电源电压的75%～110%范围内能可靠工作。

（2）保护箱应在失压状态下，能自动将电容器切除；恢复通电后能防止电容器自行投入。

4 补偿数据现场实测

对井下辅助采区3下116采煤工作面泵站及三机配套进行了现场实际测量，测量数据如下。

4.1 三机配套移变实测数据（见表1）

表1

4.2 乳化液泵站实测数据（见表2）

表2

5 取得的效益

5.1 安全效益

（1）低压保护箱隔爆性能好、技术先进、保护性能稳定可靠、结构紧凑、易于操作、维护和检修等优点。保护箱由隔爆外壳、芯体和PLC主控机等组成。

（2）低压保护箱采用西门子PLC进行控制与保护，能快速实现过电流、短路、过压、失压、漏电、漏电闭锁等保护。

（3）低压保护箱具有实时显示工作参数和工作状态的功能。复位电路及漏电闭锁检测电路，其电流为毫安级，防爆安全性能更好。

5.2 经济效益

（1）低压保护箱具有对感性负载的无功自动补偿功能，能够自动检测负载的功率因数，并能将负载的功率因数自动补偿到0.95以上，降低变压器和线路损耗，节约电能。

（2）低压保护箱具有高精度电参数计量功能。配备专用高精度电参数计量模块，采集精度0.2级，模块计量精度0.5级。

（3）低压保护箱设置了各种模拟试验按钮，保护主控机可进行自检和功能显示，可方便地检测各部件的完好性，设置简单，操作、维修方便。

（4）低压补偿回路和保护回路采用模块化设计，更换方便、便于维修。

（5）稳定电网电压，解决大功率负荷启动造成的电压跌落，减少故障时间，提高生产效率。

（6）提升电能质量，消除谐波，延长用电设备寿命，节省大量设备维护费用。