一种矿井配电网串联电容补偿装置的制作方法

本实用新型属于矿井配电网技术领域，具体涉及一种矿井配电网串联电容补偿装置。

背景技术：

矿井井下配电网均采用电缆线路，对于高产高效矿井，综采和综掘工作面设计较长，均超过了2000米以上，而对于1140v电缆考虑压降，最远供电距离约1000米，3300v电缆最远供电距离约2000米。将配电设备放置在掘进、综采工作面巷道，巷道内潮气重，空间小，又有积水、粉尘，环境恶劣，同时堵塞材料设备运输。为减轻工作量，提高工作效率，便于集中控制，提高供电可靠性，目前一些先进矿井已经相继开展了综采或综掘工作面远距离供电系统，主要采取增加供电电缆截面，配置svg并联无功补偿装置的方法，但并不能解决电压跌落的根本问题，适应性差，且投资与维护成本较高。

矿井工作面负荷均为电机负荷，综采综放工作面每台矿用隔爆移动变电站低压侧均通过馈电开关或组合开关控制电缆线路并联接入工作面刮板机、转载机、破碎机、采煤机、水泵等电机负荷，大电机采用变频或减速机启动；掘进工作面每台矿用隔爆移动变电站低压侧均通过馈电开关或组合开关控制电缆线路并联接入掘进机、局部通风机、输送机、刮板机、水泵等负荷，大电机采用变频或减速机启动。

技术实现要素：

本实用新型所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种矿井配电网串联电容补偿装置，缩短起动时间，实现工作面远距离供电，降低线路有功损耗。

本实用新型采用以下技术方案：

一种矿井配电网串联电容补偿装置，其特征在于，包括一次系统和二次系统，一次系统的每相包括四个并联支路以及电压互感器和电流互感器，四个并联支路包括电容可控补偿支路、电容器过电压保护支路、快速开关旁路支路和电压互感器放电支路，电容可控补偿支路串联连接有阻尼回路，用于承受电容器放电电流和故障电流，并通过线路额定电流；二次系统包括控制器control，控制器control与一次系统连接用于控制。

具体的，电容可控补偿支路包括补偿电容器c，补偿电容器c包括若干并联连接的电容器，第二个及以上电容器均串联连接对应的电容器组投退切换真空接触器k1。

进一步的，阻尼回路包括并联连接的阻尼回路电抗l和阻尼回路电阻r，阻尼回路与电容可控补偿支路和快速开关支路形成回路。

具体的，电容器过电压保护支路包括氧化锌限压器mov，氧化锌限压器mov的一端与电容可控补偿支路的补偿电容器c连接，另一端与阻尼回路连接。

具体的，快速开关支路包括涡流快速开关k2，涡流快速开关k2的一端与电容可控补偿支路的补偿电容器c连接，另一端与阻尼回路连接。

具体的，电压互感器放电支路包括测量兼放电电压互感器vt，测量兼放电电压互感器vt的一端与电容可控补偿支路的补偿电容器c连接，另一端与阻尼回路连接。

具体的，控制器control的一端与电源ups或超级电容电源装置连接，另一端与串联电容补偿装置的控制端连接。

进一步的，串联电容补偿装置的输入端连接矿用隔爆移动变电站t的低压侧，输出端经电机启动用馈电开关或组合开关k3后连接负荷电机d，能够在故障发生后2～3毫秒完成短路电流判别。

与现有技术相比，本实用新型至少具有以下有益效果：

本实用新型一种矿井配电网串联电容补偿装置，实现综采工作面与掘进工作面远距离供电，可以减少作业过程或搬家倒面过程中的设备搬迁，提高作业时间，设备设置在远离工作面的变电所或配电硐室，改善了设备周围环境，提高了设备使用效率，满足工作面远距离集中控制、无人或少人化高产高效工作面的要求；电容补偿量与负载电流的平方成正比，可以显著提高电缆线路末端电压，增大电机起动扭矩，缩短起动时间，实现工作面远距离供电，降低线路有功损耗，补偿线路及电机无功消耗，达到高效节能，同时系统简单可靠，维护量少，实现综采工作面与掘进工作面远距离供电，可以减少作业过程或搬家倒面过程中的设备搬迁，提高作业时间，设备设置在远离工作面的变电所或配电硐室，改善了设备周围环境，提高了设备使用效率，满足工作面远距离集中控制、无人或少人化高产高效工作面的要求。

进一步的，在工作面回采或掘进过程中，成整数段拆除或安装线路电缆，为避免负荷电机端电压过高或不足，需要根据电缆长度的变化引起的线路电抗变化，通过控制器control控制相应k1的分合操作来调整投入线路的电容数目，同时避免补偿过度而引起电动机自激现象。

进一步的，矿用隔爆移动变电站送电后，串联电容补偿装置的高压侧带电，ups或超级电容充电，充电良好后，控制器自检装置一二次系统良好,设置好保护定值,线路参数，涡流快速开关k2分闸，补偿电容器c投入运行。在负荷电机启动前自动投入运行,以改善电机启动时的启动电压和启动性能,提高电机端电压。

进一步的，在串联电容补偿装置内部发生故障时，比如个别电容器损坏，因控制器具有基波阻抗保护，可以发出告警信号或动作使涡流快速开关k2自动合闸，补偿电容器c退出，以便及时维护。

进一步的，在串联电容补偿装置外部发生故障时，控制器control检测故障信息，mov氧化锌限压回路、阻尼回路先后导通，涡流快速开关k2自动合闸，补偿电容器c退出，以免故障产生的大电流或过电压损坏装置内部各回路元器件。

进一步的，将串联电容补偿装置设置于矿用隔爆移动变电站低压侧，电容直接补偿电缆线路的电抗值，同时避免设置在移动变电站高压侧可能引起的线路投运时空载变压器铁磁谐振问题，还可以将移动变电站所属的馈电开关或高爆开关兼作为装置的上级隔离开关。

综上所述，本实用新型具有自适应强，结构简单可靠，维护量少的特点。

下面通过附图和实施例，对本实用新型的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

图1为工作面安装可控串联电容补偿装置后的供电示意图。

具体实施方式

在本实用新型的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

请参阅图1，本实用新型提供了一种矿井配电网串联电容补偿装置，可控串联电容补偿装置的一端连接矿用隔爆移动变电站t的低压侧，另一端经电机启动用馈电开关或组合开关k3后连接负荷电机d，可控串联电容补偿装置连接有控制器control，控制器control的保护功能采用故障快速识别技术，以曲线斜率为电流变化率整定值，并与电流瞬时值构成快速判据，用于在故障发生后2～3毫秒完成短路电流判别；同时具备电容器投切控制功能。

串联电容补偿装置包括一次系统和二次系统，一次系统的每相包括四个并联支路以及测量用电压互感器、电流互感器和一次接线，四个并联支路包括电容可控补偿支路、电容器过电压保护支路、快速开关旁路支路和电压互感器放电支路，电容可控补偿支路串联连接有阻尼回路，用于承受电容器放电电流和故障电流，并通过线路额定电流。

电容可控补偿支路包括补偿电容器c，补偿电容器c包括若干并联连接的电容器，第二个及以上电容器均串联连接对应的电容器组投退切换真空接触器k1，补偿电容器c用于补偿电缆线路的电抗值。

电容器过电压保护支路包括氧化锌限压器mov，氧化锌限压器mov用于在电容器流过故障电流时限制电容两端电压超过设定值,保护电容器以免因过电压而损坏，氧化锌限压器mov的动作持续时间＝控制器control保护动作时间+快速开关支路的合闸动作时间。

快速开关支路包括涡流快速开关k2，涡流快速开关k2采用快速涡流驱动技术，其机构分闸时间为3～7毫秒，合闸时间为7～15毫秒，快速开关用于在装置内部或外部故障时，将电容及氧化锌限压器快速旁路。

电压互感器放电支路包括测量兼放电电压互感器vt，电压互感器vt的一次侧电压根据线路额定电流与串联电容值的乘积确定，电压互感器vt的二次侧电压一般为100v。

阻尼回路包括阻尼回路电抗l和阻尼回路电阻r，阻尼回路电抗l并联连接阻尼回路电阻r，在装置内部或外部故障时，涡流快速开关k2合闸，补偿电容器c与涡流快速开关k2、阻尼r/l形成回路，补偿电容器c对阻尼r/l振荡放电，阻尼r/l将放电电流限制到电容器的额定值以下。

二次系统包括电源ups或超级电容电源装置、控制器control及二次系统接线，电源ups或超级电容电源装置正常运行时通过线路取能电压互感器充电,向控制器及快速开关提供操作电源，在线路故障跳闸取能电压互感器失电后，继续向控制器及快速开关提供操作电源。电容器电压测量互感器、线路电流测量互感器、快速开关、真空接触器二次侧通过二次系统接线与控制器测量与保护端子连接，向控制器提供测量信号，控制器向快速开关、真空接触器发出控制操作信号。

控制器control保护动作时间及快速开关合闸动作时间越短，氧化锌限压器mov动作持续时间越短，从设计上降低要求和减少设计尺寸，降低成本。

确定串联电容值及阻尼回路的步骤如下：

s101、计算补偿前电压降

取最大电机负荷及其电缆参数进行计算，电压跌落需补偿电压跌落值δu1＝δu-5％ue，补偿后电机处电压偏差小于-5％ue，电压偏差高于国家电压标准-7％ue，其中，xl为最大负荷电机进线电缆电抗值，u2为最大负荷电机端电压，qmax为最大负荷电机的额定无功功率，pmax为大负荷电机的额定有功功率，ue为线路额定电压；

s102、补偿电容器c电抗取xc最大值xcmax，电缆线路首末端电压降为：

(pmax*r+qmax(xcmax-xl))/u2

并不是补偿电容器c电抗值越大补偿电压越高，最小值取xl，最大值为：

其中，xl为最大负荷电机进线电缆电抗值，rl为最大负荷电机进线电缆电阻值，为最大负荷电机额定功率因数角。

s103、取补偿电容器c的电抗初始值xc1＝xl，以0.01欧为每步增加值，将xc＝xc1+0.01代入下式进行计算，具体为：

δuc＝(pmax*r+qmax*(xc-xl))/(1-5％)ue

直至δuc＜δu1且xc＜xl+pmax/qmax*r，此时所得到的xc为所需最佳补偿电容电抗值；参数计算时，均以单相等值电路参数参与计算；

s104、最佳补偿电容器c的电抗值校验为：

xc＜1/2(xl1+xt+xl2+xdmax)

其中，xl1为矿用隔爆移动变电站进线电缆电抗值，xt为矿用隔爆移动变电站短路电抗值，xl2为最大负荷电机进线电缆电抗值，xdmax为最大负荷电机短路电抗值；

s105、补偿电容器c的额定电流为：

其中，p1,p2,…,pn为工作面矿用隔爆移动变电站所带多台电机有功功率，为最大负荷电机额定功率因数角；

s106、串联的阻尼回路为振荡放电过程，电抗器承担数倍于流过电阻的电流。

令经过电抗器的放电电流为：经过电阻的电流为：

其中，r为阻尼回路电阻阻值，c为每相电容值，l为阻尼回路电感值，u0为电容放电前的初始值，t为放电时间。

一种矿井配电网自动串联补偿装置的控制方法，包括以下步骤：

s201、在综采综放工作面回采过程中，工作面逐步缩短，电缆需要及时整数段拆除，电缆拆除后，供电距离缩短，为避免电机末端电压过高及因补偿参数匹配不良引起电机自激，须及时调整补偿电容值，逐级增加每相电容投入数量，同时保证电容额定载流量符合线路负荷要求。

在掘进工作面作业过程中，工作面不断延伸，电缆需要及时整数段接入，供电距离延长，为避免电机末端电压过低及因补偿参数匹配不良引起电机自激，须及时调整补偿电容值，逐级减少每相电容投入数量，同时保证电容额定载流量符合线路负荷要求。

s202、在电缆长度按整数段拆除或安装时，在控制器界面输入电缆变更后的长度和电缆参数，控制器根据补偿度计算出每相需要退出或投入的电容，向真空接触器或电子开关发送指令，若需要退出电容器时，操作与该电容器串联的真空接触器分闸，若需要投入电容器时，操作与该电容器串联的真空接触器合闸。

补偿度λ为xc与xl的比值，xl值与电缆长度成正比；当电缆长度确定后，计算出xl值；根据λ值取1～4，计算出需要接入系统的电容值c为：

其中，角速度ω＝2πf；因电容组采用并联连接且所并联电容的单只电容值相等，可以求得需要接入系统的电容器数目m＝c1/c，c1为单只电容值。

s203、矿用隔爆移动变电站送电后，串联电容补偿装置高压侧带电，ups或超级电容充电，充电良好后，装置自检正常，快速开关分闸，补偿电容投入。

s204、在串联电容补偿装置内部发生故障时，控制器control检测故障信息，涡流快速开关k2自动合闸，补偿电容器c退出；

s205、在串联电容补偿装置负荷侧发生故障时，控制器control检测故障信息，mov氧化锌限压回路、阻尼回路先后导通，涡流快速开关k2自动合闸，补偿电容器c退出。

避免变压器电磁谐振的处理方式：串联电容补偿装置设置于矿用隔爆移动变电站低压侧，从而避免在变压器空载投运时产生变压器电磁谐振。

串联电容补偿装置的电抗与矿用隔爆移动变压器至电机侧的电缆之比定义为补偿度，一般补偿度为1～4，补偿度的选择可以由软件对补偿装置接入配电系统仿真确定，以改善机端电压、启动时间最短、不产生电机自激为最优，从而避免发生电机启动或运行过程中产生异步电机自激问题。

补偿电容器c与阻尼回路串联形成补偿主回路，在电机启动时流过电机或电机群启动电流，正常运行时流过负载电流，其等效阻抗为：

适当选择r与l的值，在电机启动时，增加线路电阻值，能够抑制电机自激和缩小电机自激区。

为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中的描述和所示的本实用新型实施例的组件可以通过各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本实用新型的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本实用新型的范围，而是仅仅表示本实用新型的选定实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

本实用新型在工作面矿用隔爆型移动变电站的低压侧接入相应电压等级的可控串联电容补偿装置。串联电容补偿装置采用三相一体结构的隔爆装置，串联电容补偿装置包括一次与二次系统，一次系统每相包括四个并联支路：电容可控补偿支路、电容器过电压保护支路、阻尼放电支路、快速开关旁路支路、电压互感器放电支路及测量用电压互感器、电流互感器、一次接线等，二次系统包括电源ups或超级电容电源装置、控制器及二次系统接线。

可控串联电容补偿装置电压等级分为10kv、6kv、3300v、1140v、660v五个电压等级，用于井下高压远距离供电。

因串联电容补偿装置与矿用隔爆型移动变电站对应使用，可以通过矿用隔爆型移动变电站高压侧或低压侧高爆开关或真空馈电开关的分合操作实现投入或进入检修状态。

因井下供电均为电缆线路，线路电阻显著大于线路感抗，为补偿电阻引起的压降，所以采用过补偿方式。

为降低电容补偿量，可以采用可控串联电容补偿装置与调整矿用隔爆移动变压器分接头相结合的方法，为降低串联补偿装置补偿度，一般将变压器高压侧分接头调最高档位。

串联电容补偿装置可以与一台电机配套使用，也可以同时配套多台电机。多台电机启动时，优先启动功率较小的电机。

以上内容仅为说明本实用新型的技术思想，不能以此限定本实用新型的保护范围，凡是按照本实用新型提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本实用新型权利要求书的保护范围之内。