掘进工作面长距离供电方案分析与应用

金莉鑫

（山西焦煤西山煤电（集团）有限责任公司东曲煤矿，山西 太原 030200）

随着煤矿井下掘进工作面采掘设备重型化、智能化、成套化技术的不断发展，掘进工作面设备装机功率不断提高，供电距离不断增加，导致设备端电压压降增大，设备启动困难，故障频发，已经不能满足智能化掘进工作面生产需求，成为制约煤矿掘进工作面安全、高效生产的重要因素[1-2]。在分析煤矿井下掘进工作面供电现状的前提下，提出三种基于无功补偿技术的掘进工作面长距离供电方案，以其中一种长距离供电方案完成应用分析，达到延长掘进工作面供电距离的目的。

1 掘进工作面供电现状分析

东曲煤矿掘进一队工作面位于主井1870 m 点处，距底弯道避险硐室82 m。该掘进工作面的主要用电设备包括EBZ260 掘进机、十臂锚杆钻车、皮带输送机、自移机尾等成套掘进装备，装机功率约960 kW，掘进机供电电源为1140 V，其余设备供电电源为660 V。采区配电硐室位于1918 m 处，距工作面80 m，由两台630 kVA 变压器和馈电组向掘进工作面供电。该掘进工作面实际运行时发现，传输至掘进机端电压由1250 V 下降至1089 V，瞬时可下降至760 V，稳态工作后端电压为1043 V。因此，为满足用电设备末端电压，传统解决方案为频繁移动井下移动变电站，缩短移动变电站与用电设备之间距离，达到提高用电设备末端电压的目的[3-5]。

2 掘进工作面长距离供电方案分析

2.1 集中补偿方案

掘进工作面长距离供电集中补偿方案拓扑结构如图1，自井上35 kV 变电所至井下10 kV 中央变电所，中央变电所至采区变电所，采区变电所再至掘进工作面，10 kV 供电电缆长度最长可达10 km，末端多个掘进工作面的大功率设备启动及正常工作时系统中存在大量的无功功率，严重影响掘进工作面用电设备的供电质量。仅仅通过终端补偿及终端设备变频启动的方式不能有效解决10 kV 高压输电线路上的电能质量问题，需要采用集中补偿方案提升对整个长距离供电系统的电能质量[6-7]。10 kV 大容量无功补偿装置，配置在井下10 kV 高压供电线路中，可以对多个掘进工作面的所有负荷进行集中补偿，配合终端补偿及终端设备变频解决方案，可以从系统层面提高掘进工作面电能质量功率因数、滤除电网谐波，提升供电线路传输及供电能力，达到长距离高效节能供电的目的。

图1 掘进工作面长距离供电集中补偿方案

掘进工作面长距离供电集中补偿方案能够稳定高压输电电缆供电电压，改善掘进工作面长距离供电系统电能质量；可以补偿供电线路中的无功电流，降低供电线路电流，降低无功损耗；可以提高供电系统功率因数，配置容量足够前提下可由0.5 以下提升至0.99；可以滤除供电系统中存在的谐波，降低各用电设备故障率，提高设备运行可靠性，大幅降低人力成本和物力成本。

2.2 终端综合补偿方案

煤矿井下掘进工作面的大型负荷设备与配套的供电电源之间的长距离供电、大型负荷的冲击，使得供电电缆末端负载侧的电源电压偏低，电网谐波含量大。针对无功电流在电缆上所引起的电压降问题可以采取终端无功补偿的方案解决，在补偿无功电流的基础上，动态、实时调控末端设备的供电电源电压，补偿因有功电流在电缆上产生的电压降，从而保证末端设备的工作电源电压需求[8-10]。掘进工作面长距离供电终端综合补偿方案拓扑如图2。

图2 掘进工作面长距离供电终端综合补偿方案

掘进工作面长距离供电终端综合补偿方案能够实时跟踪负荷变化，动态连续平滑补偿无功功率，提高供电系统设备容量的利用率；能够动态、实时地调控电源末端设备的供电电源电压，补偿因有功电流在电缆上产生的电压降；能够将掘进工作面用电设备启动时电压补偿至额定电网电压的97%，满载运行时电网电压值可补偿至额定电网电压的99%，解决长距离供电时末端电源电压低的问题；延长移动变压器与后级负荷设备的供电距离，避免因末端电源电压低而频繁移动变压器设备，减轻煤矿井下掘进、综采作业面的工作强度，提高工作效率；保护功能齐全，具有过压、欠压、过流、单元过热、不均压等保护，便于确定故障点，维护方便。

2.3 终端单独补偿方案

煤矿井下大型负荷设备与移动变电站之间的供电距离较长，设备启动瞬间产生较大无功冲击，造成末端电压跌落严重，设备启动困难。采取终端单独无功补偿装置对掘进工作面用电设备单独补偿方式解决，将低压防爆SVG 配置在掘进工作面，并接于负荷设备侧，可以快速跟设备启动瞬间产生的冲击电流，调节交流侧输出电压的幅值和相位，发出无功进行无功补偿，用于提高末端网压，稳定设备运行，节能降耗。掘进工作面长距离供电终端单独补偿方案拓扑如图3。

图3 掘进工作面长距离供电终端单独补偿方案

掘进工作面长距离供电终端单独方案能够实时跟踪负荷变化，动态响应速度快，响应时间≤20 ms，动态连续平滑补偿无功功率；设备内部与电缆并联，不影响负荷正常工作；投切时无暂态冲击，无合闸涌流，无需放电即可再投；在额定电流的前提下，输出电流谐波（THD）≤3%；具有过压、欠压、过流、单元过热、不均压等保护，便于确定故障点，易维护，运行可靠性高；支持长距离供电，延长供电距离，减少移动变电站移动频次，节约人力成本。

3 应用分析

为验证掘进工作面长距离供电方案的正确性和适用性，基于终端单独补偿方案，在山西焦煤西山煤电（集团）有限责任公司东曲煤矿掘进工作面进行工业试验，补偿终端对象为EBZ260 型掘进机。该工作面最长掘进距离为2.2 km，供电电缆型号为MYP-0.66/1.14kV 2×（3×95+1×20），根据电缆压降模型计算，采用终端单独补偿方案即可满足2.2 km 长距离供电需求。

实际应用时，补偿设备为1140 V 防爆低压SVG，输入信号为三相、50 Hz、1140 V 电压，输出额定电压信号为最大输出电压同输入电源电压相同、输出额定电流为100%额定电流连续、输出频率为0～120 Hz 且可设定。防爆低压SVG 试运行3个月后，根据试运行统计数据发现：1）能稳定电压，补偿后无功功率减少，系统中电压、电流相对变化幅度较小，能起到稳定电网电压的作用；2）能有效降低井下高压配电线路的线路电压损耗，解决末端负荷设备启动困难、电机受损的问题；3）可补偿掘进机负载无功，将功率因数由0.47 提升至0.92，可有效治理3、5、7 次等低次谐波，提高供电系统的利用率；4）能提高电网的功率因数，达到节能降耗的目的；5）能有效延长煤矿井下掘进工作面的作业距离，延长供电距离，减轻劳动强度，提高掘进效率。

掘进工作面配置低压防爆SVG 无功补偿装置，通过提升功率因数、减小负荷电流、提高负载有效利用率等因素可实现节能供电，在提高电能质量的同时大幅节省电费支出。根据无功经济当量计算，每1 kvar 年节电量可表示为式（1）：

式中：P为年节电量，kW·h；Qc为有效无功补偿容量，kvar；Cb1为无功经济当量，取值为0.1～0.15，物理意义为每补偿1 kvar 无功时有功损耗降低的千瓦数值；Tn为设备年运行时间，以掘进机为例，按照年运行300 d，按每天16 h 计算，该值可取为4800 h。

根据式（1）可知，P=1×0.1×4800=480。按照设备每年工作4800 h，按电价0.58 元计算，每1 kvar 年节电费用为480×0.58=278.4 元。按照1 个掘进工作面1 台1140 V、500 kvar 低压防爆SVG 为例，每年节省电费约为13.92 万元。

4 结语

为达到煤矿井下掘进工作面长距离供电的目的，分析了在不同供电部位进行供电电能质量补偿的三种方案，可对煤矿井下掘进工作面供电电网中的无功、谐波进行补偿，有效解决设备端电压压降、供电距离短、故障率高的问题。将低压防爆SVG应用于掘进工作面EBZ260掘进机并完成工业试验，验证了文中提出的终端单独补偿方案的正确性和有效性，具有参考和应用价值。