关键词：矿井；工作面；供电；无功发生器；控制系统
Abstract: Based on the analysis of YangMei group power supply problems of fully mechanized working face, on the basis of application of a kind of compensation devices mine explosion-proof and intrinsically safe chain static reactive power generator.This equipment can according to the change of system reactive power and voltage, automatic cut into the required capacity of reactive power, improving the power factor, voltage stability, improve power supply quality and save energy.
Key words: Mine; Working face; Power supply; Var Generator; Control system
【中图分类号】TJ810.3+76 【文献标识码】B  【文章编号】1561-0330（2018）08-0000-00
 
1 引言
阳煤集团是年产煤千万吨的大型矿井，但在实际生产中当工作面装机容量随综采单产的提高而大幅增长时，由于工作面的延伸供电能力不足，造成用电高峰期大功率的综采设备启动困难，甚至不能启动。为解决这一问题，进行了诸多的尝试，如电容器补偿。当井下采煤机组启动时，人工投入电容器组，启动完毕，人工切除。但这一过程是依靠电话联系的，不仅繁琐，而且投入切除时间不好掌握，极易出现过补偿现象，使供电的安全性和可靠性受到影响。为此，研制开发出新型的矿用隔爆型高压无功功率补偿是十分必要的。
2 设计方案
阳煤集团的综采工作面，主要设备都是从国外引进的。这些设备单机容量大、供电电压高，采用微机监控，工作可靠性、系统集成度都很高。其中3.3kV的采煤设备为引进的具有国际先进水平的综采设备，与其配套的控制设备采用微机监控，电缆不但传输动力，还传输控制、监测与通信信号。其它须使用专用的电缆连接器进行连接，而且启动的辅助触点不容易取出，没有可供利用的进出线，与之配套有很大困难。
根据现场的实际情况，在3.3kV系统中电动机处采用无功功率就地补偿。 安装地点即补偿点越接近电机末端补偿效果越好。所以将该点选在采煤工作面外巷道处，在系统中的接线如图1所示。在3.3kV侧补偿实现与电动机的同步无功就地补偿。设备放在工作面外，不占用综采面空间，减少了设备的移动量，与综采进口设备无关联。

由于大功率综合机械化采煤生产的特点，使得补偿点处的供电系统负载变化速度快、范围宽。因此，该补偿能够根据系统无功功率和功率因数及电压的变化自动投切。
 
3 矿用隔爆兼本质安全型链式静止无功发生器的基本原理
矿用隔爆兼本质安全型链式静止无功发生器（以下简称防爆SVG）由控制系统、主电路、界面显示与参数设定、水冷散热系统及防爆壳体等几部分组成。拓扑结构如图2所示。

防爆SVG的基本原理[5]是，将电压源型逆变器，经过电抗器并联在电网上。电压源型逆变器包含直流电容和逆变桥两个部分，其中逆变桥由全控型可关断的半导体器件IGBT组成。
工作中，通过调节逆变桥中IGBT器件的开关，可以控制直流逆变到交流的电压的幅值和相位，因此，整个相当于一个调相电源。通过检测系统中所需的无功，可以快速发出大小相等、相位相反的无功，实现无功的就地平衡，保持系统实时高功率因数运行。
图3为SVG原理图，将系统看作一个电压源，SVG可以看作一个可控电压源，连接电抗器或者可以等效成一个线形阻抗元件。

4 阳煤集团（一矿）井下电能质量数据分析
依据阳泉一矿《阳煤一矿S8303工作面供电系统图》可得：
     3#变压器下负荷为采煤机2390kW；
供电距离为2260m，功率因数0.7。
     依据阳泉一矿《煤矿井下供电系统数据调查表》可得：需要系数KX=1。
则工作面重载时：
     有功功率为=2390×1=2390kW；
     可推出视在功率为3414kVA；
     无功功率2424kVar；
     线路电流597A；
     线路阻抗：R=ρ*L/S（Ω），其中ρ=0.0189Ω*mm²/m（20℃），铜。
线路阻抗3×240mm2的2260M线路阻抗约0.18Ω；
      线路压降597×0.18=107V；
      采煤机设备接入点短路容量：Sd=√3×3.3×2750=15.72MVA；则无功冲击造成的压降为U=2.424/15.72×3.3=509V；
      采煤机全功率运行时，设备端压降为107+509=616V；则实际工作电压为3450-616=2834V。
注：（1）3450V依据供电线路始端在原有额定电压(3300V)基础上浮5%的原则估得；
（2）其它设备运行时，供电电压下降情况下，实际工作电压继续降低；
供电距离越远使得无功功率在线缆上的损耗越明显，电压降也会显著增加。也进一步验证了用户的描述（系统压降大、部分设备起动困难）；说明了这一问题的严重性。
综上所述，供电的工作面供电情况复杂，且有严重的压降。电压波动（供电距离超过1km时电压降超过国标）等的实际参数根据以往测试的情况分析可产生的危险为：线路压降和无功冲击压降特别明显，严重影响煤矿的正常生产。
5 阳煤集团（一矿）电能质量治理可行性方案
通过《阳煤集团（一矿）井下电能质量数据分析》可有针对性的在工作溜机尾加装矿用隔爆兼本质安全型链式静止无功发生器WJL-1800/3.3；进行功率因数、电压、谐波多种补偿同时进行的综合治理方案（原理如图1所示）。
设备进行如此增加后，补偿设备总容量为1800kVar，可满足将采煤机供电端电网功率因数提升至0.97以上，则理论计算补偿效果为：
     工作面无功功率为2424-1800=624kVar；
     工作面视在功率为2470kVA；
     线路电流432A；
     线路压降432×0.18=78V；
     补偿后剩余无功冲击造成的压降约=131V；
     则线路末端网压可支撑在3241V左右（始端电压按3450V考虑）；


6 经济、社会效益分析
加装防爆SVG提升了变压器带载能力的同时根据《企业供配电系统节能监测方法》等国家规定，采用无功经济当量来衡量无功补偿的节能效益。有功功率是能量的单位，但无功功率不是，为了清楚的表达无功功率与能量的关系，通过计算和实验，找出了无功功率与有功功率之间的关系根据《煤矿电工手册（修订本）第二分册矿井供电（下）》：在系统中每投入1千乏的无功功率，在发电厂的直配电路中节约有功功率为0.02-0.03千瓦，在二级变压供电时节约有功功率为0.06-0.1千瓦，在三级变压供电时节约有功功率为0.1-0.15千瓦[1]。防爆SVG基波总补偿容量为1800kVar/3.3kV，满载运行一年，按每月有效供电30天计算，单位无功量节约有功功率取0.1千瓦，则系统年节约电能为：
Wa=1800×0.1×24×30×12=15552000千瓦时
防爆SVG自身的损耗为其工作容量的0.5%-0.8%，静止无功发生器基波总补偿容量为1800kVar，按每月有效供电30天计算，静止无功发生器自身的损耗取0.8%，则静止无功发生器年损耗电能为：
Va=1800×0.008×24×30×12=124416千瓦时
电费按0.55元/千瓦时计算，则本套静态无功补偿设备年节约电费为：
M=（Wa-Va）×0.55=78.7万元
因为在计算时，节约的按最小单位计算，而设备损耗按最大值计算，所以以上算法为最严格的算法，实际设备节约电费要大于计算值。
但具体年节能效果以现场实际情况为准上述只做理论参考。
以上述分析可得：一台WJL-1800/3.3满载运行一年可节约电费78.7万元。
7 结束语
由于节能减排是国家的既定方针，从对煤矿提出了绿色矿山的美好愿景，而矿井更是煤矿节能，安装生产的重中之重，不容忽视也不得有失。根据前面的计算，使用防爆型静止无功发生器可直接节电30%左右，产生效益在80万左右，提高用电设备端电压10%左右，通过提高用电设备的端电压，可提高综采设备的开机率，其经济效益更大。
参考文献
[1]顾永辉等. 煤矿电工手册[Z]. 北京:煤炭工业出版社, 1994, 5: 1405-1410.
[2]罗承廉,纪勇,刘遵义. 静止同步补偿器（STATCOM）的原理与实现[M]. 北京:中国电力出版社, 2005, 6: 6-11.
[3]王兆安,杨君,刘进军,王跃. 抑制谐波和无功功率补偿[M]. 北京:机械工业出版社, 2005, 10: 196-201.