矿用静止无功发生器(SVG)在煤矿井下应用研究

郭志强

1 引言

煤矿井下供电是煤矿生产中的重要组成部分，供电质量是影响以及制约煤炭企业产能的重要指标之一。近年来随着井下各种设备的自动化程度升高，设备的非线性负荷大量接入井下电网系统，以及开采过程中供电距离的增加，各用电设备自身的无功功率损耗的存在，输电系统缺乏及时的无功调节，使得煤矿井下电网功率因数偏低，井下电网供电质量受到严重影响，导致供电系统的稳定性降低、电压偏低、电压波动及闪变、甚至电网崩溃。因此，解决井下采煤机、皮带运转机等负载造成的井下供电系统功率因数低、谐波THD高等问题成为了煤炭企业主要研究的目标之一。

2 矿用隔爆兼本质安全型静止无功发生器（SVG）的原理及功能特点

2.1 防爆SVG原理简介

矿用隔爆兼本质安全型静止无功发生器，其技术原理同地面SVG基本一致，只是其是按照煤矿井下环境设备用要求，专门研制的用于井下的防爆SVG，以下简称为防爆SVG（Static Var Generator）。防爆SVG 的基本原理是：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，其中逆变桥由可关断的半导体器件IGBT组成。

图1 SVG实现无功补偿原理

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，整个装置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1为SVG实现无功补偿的原理。将电网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。

2.2 防爆SVG主要功能及特点

在煤矿井下动态无功补偿与谐波治理方面,防爆SVG 得到越来越广泛的应用，其具有以下主要功能和特点：

（1）防爆SVG 可以补偿无功电流，在无功补偿后功率因数可达0.95 以上，使被补偿线路电流下降30%以上，大幅减小线路损耗，提高移动变压器负载能力，节能效果明显。

（2）防爆SVG 通过补偿无功电流，有效降低被补偿网络的无功突变，减小网络电压波动，抑制闪变，使供电电压更加平稳。

（3）防爆SVG 具有滤波功能（APF），在提升功率因数同时还能有效抑制线路的5、7、11、13次谐波。

（4）电压补偿功能：在额定补偿能力范围内，补偿后终端电压可达到电压设定值。

3 燕子山矿盘区供电存在的问题

3.1 燕子山矿盘区供电概况

燕子山矿302盘区4#层布置2个盘区变电所，三趟入井电缆供生产电源，型号为：MYJV22-3×240mm2。入井电缆编号及负荷分别是：2325 线路5 290 kW ；2337线路6 550 kW；2338线路7 561 kW。并且三趟线路都采用升压供电。其中2337、2325供电线路负荷综采工作面8214、8212 较大，承担燕子山矿主要生产任务，但由于供电距离长达6 500 m，线路损耗严重，井下生产负荷重载时，4#层2#变电所电压波动范围从5 300 V～6 200 V，系统存在900 V 的压降；传送至远端工作面时，电压降至4.8 kV 左右，导致设备无法正常运行，严重制约日常生产计划的完成。

3.2 由供电质量较低引发的电气事故

电压降严重，经计算4#层8214 工作面电压降为26.78%，8212 工作面电压压降为27.87%，4#层最远工作面电压降为28.39%；造成设备启动困难。功率因数经升压站测试最低达到0.41，平均为0.6；井下谐波严重无法解决，经常性引起用电设备（旋转电机、电容器、变压器）发热，使绝缘老化降低了设备使用寿命，并且引起一些保护设备误动作。

4 矿用隔爆兼本质安全型静止无功发生器（SVG）应用

4.1 防爆SVG综合治理电能效果明显

同煤集团燕子山矿于2017 年4 月24 日和2017 年7月31日在4#层2#变电所内陆续安装投入使用了两台型号为WJL-2500/6000的隔爆兼本质安全型链式静止无功发生器(以下简称防爆链式SVG)。在安装使用后，4#层2#变电所的6 000 V母线电网的电能质量综合治理效果非常明显，主要体现在以下几方面：功率因数大大提高；网侧电流明显减小，节能降耗效果显著；稳定了电网母线电压，提高末端电压，使各负载设备正常启动，稳定运行。

4.2 SVG投运后现场工况实测数据

表1 2337线路SVG补偿前后的数据对比

从上表数据来看，在负载启动瞬间和负载运行中两种情况下，防爆SVG 投入运行后4#层2#变电所的母线电压全线抬升分别约700 V左右和300 V左右，使用SVG 进行补偿后，其功率因数一直稳定在0.99 以上。补偿功率因数效果明显。

4.3 运行数据

因进线电压波动，为便于对比，分别选取手工抄录时空载电压5 700 V 左右和空载电压5 900 V 时，负荷运行所对应的相关数据。

(1)空载电压5800V左右时，重载运行数据：

网侧电压A网侧电压B网侧电压C补偿电流A补偿电流B补偿电流C 5681 5640 5658 5680 5642 5656 5699 5659 5677 123 126 121 123 126 122 124 126 122网侧电流A网侧电流B网侧电流C有功功率/kW无功功率/kVar功率因数115 106 111 115 106 111 115 108 113 1044 1019 1070-30.73-43.77-45.33 1 1 1

(2)空载电压6150V左右时，重载运行数据：

?

重载时（负荷800 kW～1600 kW 时）：供电电压在5 650 V～5 920 V左右；比空载时压降约150 V～200 V；线路电流80 V～160 A；平均功率因数近似1。

(3)重载起动时运行数据：

此时为电网电压波动最剧烈的时候，但时间较短，度过此暂态时段，运行工况同上文重载时运行数据。

分析：

重载起动时（负荷1 250 kW～2 600 kW时）：供电电压根据空载电压的不同在5250 V～5 700 V（与空载电压5800 V～6150 V 相对应；比无补偿时电压抬升约500 V；线路电流300 A～600 A；下降幅度约35%；平均功率因数从0.35左右，抬升至0.7左右。

图2 燕子山矿防爆SVG现场安装效果图

4.4 防爆SVG安装产生的经济效益

在计算时，节约的按最小单位0.1 kW 计算，而设备损耗按最大值0.8%计算，则系统中每投入1 kVar的无功功率，其节能系数约为：

防爆SVG设备具有数据自动采集记录功能，可记录设备累计运行时间，累计发出的无功量，导出该数据如下：

累计发出无功量/kVarh 12503998 7724759.5序号1 2设备安装位置2337线路2325线路累计运行时间/s 37500806 37859244

电费按燕子山矿现行电价0.63 元每千瓦时计算，则由上述数据可计算出：

2337 线路防爆SVG 累计节能：12503998×0.092×0.63=74.47万元

实际设备节约电费要大于计算值。

5 总结

在燕子山矿4#层2#变电所投运井下防爆SVG无功补偿设备后，提高了变电所内的功率因数；减少线路损耗，稳定了负载末端电压，负载启动顺利；提高了变电站6KV 母线出线支路电缆输电传输能力;年节能降耗效益可观，经计算每台每年可节约电费80余万元。有效提高了4#层2#变电所的供电质量，减少了电气事故的发生，有效延长了采面用电设备使用寿命。