煤矿供电设备供电稳定性优化设计

杜老虎

（山西汾西正文煤业有限责任公司， 山西 吕梁 032300）

引言

为了降低企业的用电成本、提高电网系统中电能的利用率和使用效果，人们开始在供电设备中采用无功补偿装置[1]，目前世界上最常用的煤矿电网无功补偿装置是机械投切式无功补偿装置，但是因其本身的技术限制，也存在着过电压和过电流问题，已经逐渐不能满足煤矿井下机械设备对稳定电能的需求，因此提出了一种基于相控投切技术的全新供电设备供电方式。

1 煤矿供电设备无功补偿的原理

在煤矿供电设备中同时存在着确保系统中用电设备正常工作所需功率的有功功率和用于在用电设备中建立并维持磁场的无功功率，这些无功功率在用电设备的电网、电容及电感中运行，增加了电压损失以及电流功率损耗[2]，严重地影响了煤矿供电设备的供电稳定性和电能的质量。

在通常情况下用电的各种设备不仅需要从电网中获得维持其正常运行的有功功率，同时还需要从电源处取得无功功率，此时若系统中的无功功率无法满足井下用电设备的正常需求，这些设备便无法正常的建立工作电磁场，造成其无法维持在额定情况下的工作，这时用电设备的电压就会出现下降，从而影响设备的正常工作。

因此为保证煤矿井下所有用电设备的正常运行，需要设置无功补偿装置。假设P为系统消耗的无功功率，Qc为无功补偿容量，Q为电感负荷消耗的无功功率，系统的视在功率为S。由供电设备的功率损失公式（1）可知，在煤矿供电设备中增加无功补偿装置后，供电设备的工作时的功率损耗有所降低，设备在运行中从电网中获取的无功功率也有所减少，因此极大地提高了系统的供电效率。

由式（2）可知在煤矿供电设备中增加无功补偿装置后，提高了煤矿供电设备供电电能的质量，降低了供电设备中的电压的损耗。

2 相控投切技术的原理

相控投切技术是一种控制设备开关在供电设备中的电压和电流信号处于最佳相角时自动打开或者关闭的技术[3]，相控开关工作的基本原理如图1所示，其整个控制过程中当系统在A点处收到控制系统发出的闭合信号后经过1个周期或者几个周期，在B处完成闭合的动作，其在工作过程中的延时时间Td1可通过公式（3）得：

式中：f为供电设备的工作频率；TZ1为控制系统中闭合命令和系统闭合参考点之间的时间间隔；Tcls为控制开关完成闭合所需的时间；Tcl为控制系统的处理时间。

图1 相控开关工作基本原理图

3 供电设备相控投切无功功率补偿结构设计

由于煤矿井下同时存在着多种多样的用电设备，因此煤矿供电设备中同时存在着大量的非线性的冲击载荷[4]，这就造成了供电设备在运行中会存在非常不稳定的电压波动，为了有效改变这种状况，综合以上分析，本文提出了采用具有永磁结构的高压开关在控制信号的过零点处投切的电容器组结构，其不仅整体结构简单而且可靠性高、使用维护费用低，对供电设备的无功功率补偿可靠性高，效果显著，其整体结构示意图如图2所示。

该设备主要针对目前煤矿供电设备常用的6 000 V供电设备，其通过不同的检测单元来检测供电设备内的无功功率及系统需要补偿的每相的无功功率，将其通过总线系统传递到控制中心，实现动态监控，系统主要包括DSP/CPLD中心控制模块、驱动模块、检验控制模块、信息传输模块及执行模块。

1）DSP/CPLD中心控制模块。主控模块作为供电设备的核心，主要担负着接收并分析各子模块传输的信息数据，根据系统运行情况发出控制指令，确保电网系统的安全、稳定运行，为各用电设备提供高质量的电能。

2）驱动模块。在DSP/CPLD中心控制模块发出投切控制的指令之后，需要由驱动模块来控制开关系统进行开闸或者合闸操作，因此其可靠性直接影响开关系统的执行情况。

3）检验控制模块。检验控制模块在整个控制系统中起着至关重要的作用，其直接决定着无功补偿系统的补偿效果，主要作用是连续不断的对供电设备中所需要的无功功率进行检测，并对供电设备中的信号过零点进行检测，将检测结果反馈给中心控制模块。

4）信息传输模块。信息传输系统起着将各检测单元监测到的数据信号传递给中心控制模块的作用，为了保证信息传递的准确性和及时性，要求信息传输模块不仅要具有大容量的数据传输能力而且要具有极强的抗电磁干扰能力、适应恶劣环境的能力，推荐采用CAN总线模块。

5）执行模块。执行模块作为系统的控制指令执行机构，主要由熔断器、真空控制开关、隔离开关组成，其中熔断器和隔离开关主要起到系统保护的作用，在实际工作中需要特别对真空开关的工作环境的湿度进行控制，以保证投切控制的精确性。

图2 相控投切无功功率补偿结构

4 结论

1）通过采用永磁结构高压开关对供电设备的零点投切处的电容结构进行控制，显著提升了系统无功功率补偿的可靠性。

2）该新型无功补偿设备整体结构紧凑，采用模块化设计，便于进行扩展，抗电磁干扰能力强，完全满足煤矿恶劣工作环境下工作可靠性的需求。