一种防爆无功补偿装置的制作方法

本申请涉及矿用隔爆兼本质安全型无功补偿设备领域，尤其是一种防爆无功补偿装置。

背景技术：

随着现代化矿井快速发展，井下机械化程度不断提升，大功率电机大量使用和供电线路随生产延伸，各种感性负荷与地面电网供电电源之间必然循环着大量无功功率，造成井下供电质量下降。另外电力电子设备等非线性装置在煤矿井下的大量应用，除消耗无功功率外，还产生大量谐波，存在严重的电能质量问题，已经影响到煤矿企业正常的生产。

在2006年4月国家发改委、国家能源领导小组办公室、国家统计局等五部委联合下发了《关于印发千家企业节能行动实施方案的通知》，其中把全国煤炭行业列为重点对象，2007年7月国家发改委、国家环保总局下发了《煤炭工业节能减排意见的通知》中明确指出“煤矿井下宜采用动态无功补偿和就地无功补偿，矿井平均功率因数不得低于0.9”。

然而在现在煤矿系统中，当工作面装机容量随采区生产的提高而大幅增长时，由于供电能力和线路延伸过长，大量大容量中高压电机的集中使用，造成系统中大量无功功率增加。这种情况在大功率设备集中度最高的采煤工作面供电系统中极为突出，在用电高峰期电压降低，功率因数很低，大功率采区设备起动困难。因此，进行煤矿井下用无功补偿技术研究和推广应用，对于保障生产、节能降耗具有非常重要的意义。该技术的实施和推广，不仅在本矿形成良好的社会效益和经济效益，对我国煤炭行业的节能降耗也会起到积极作用。

现有的煤矿高压供电系统也存在功率因数低、谐波含量高、电压波动大、电压三相不平衡等现实问题，结合煤矿存在着点多、面广、线长、设备功率大、负荷波动大等特点。

申请内容

本申请为解决上述技术问题之一所采用的技术方案是：一种防爆无功补偿装置，包括设置在防爆壳体内的变压器、电抗器、功率单元、主控单元、水冷换热器、水冷系统，所述变压器通过与10kv三相线路侧母线并联的高爆开关馈线端进行连接，每相电路上包括12个所述功率单元，每个功率单元通过两个igbt模块级联后再经电抗器直接接入10kv电网，系统所需的系统母线电流信号取自高爆开关里的断路器进线端，当系统停机或因故障退出运行时，以断路器作为可靠分断器件，来保障完全快速退出电网，同时不会影响后面负荷的供电，一母线电流互感器安装在10kv系统母线上，所述变压器通过接触器与所述电抗器相连，所述主控单元各个输出端口、输入端口分别通过信号线路与变压器、电抗器、功率单元、主控单元、水冷换热器、水冷系统的信号输入端口、信号输出端口相连。

所述igbt模块的额定电压为1700v。

所述防爆壳通过两隔板将其腔体分割为三部分，所述变压器、电抗器位于防爆壳左侧腔体内，所述主控单元、水风换热器、水冷系统位于防爆壳体的右侧腔体内，所述功率单元设置在防爆壳体的中间腔体内，所述功率单元放于由固定在防爆壳体内的绝缘型材拼装的绝缘框架上，绝缘框架与功率单元间有通风槽，既保证了电气性能的要求，又便于空间内通风。

所述水冷系统采用水-水型的板式换热器。

所述主控单元采用fpga芯片。

所述功率单元采用链式h桥功率单元级联结构，所述级联结构是由igbt组成的h桥电路级联构，输出的交流逆变电压相位和幅值可灵活控制，从而实现补偿无功或有源滤波的功能，所述链式h桥功率单元级联结构，由多个两电平h桥电路串联而成，达到电压叠加的目的。

功率单元的结构布置是本申请的一项重点内容，本装置共含有36个功率单元，每相12个，其中还有水路和电路需要考虑，还要考虑到井下空间有限，因为转运和安装设备都对外形尺寸有很大的要求，因此如何布置功率单元成为该设备设计研发时的一个难点和重点，最后综合考虑，结合电抗器和水冷系统的外形尺寸，采取双排布局的方式，模块与模块之间采用背靠背的布置方式，每相12个功率单元，前面6个，后面6个，背靠背布置，最大范围的节省了空间，同时中间留出主水管的空间，前后两面走水路和连接铜排，使整个装置外形更加合理，内部空间布局紧凑，水路和连接铜排走线更加方便美观，成为本装置设计的一大亮点。

在10kv系统应用时，每相链接多个两电平的功率单元；与传统的多重化变流器技术方案相比，省略了多重化连接变压器，不但减小了占地面积，降低了装置成本，而且避免了多重化逆变变压器激磁回路中剩磁和饱和非线性导致的装置过电压和过电流。在接入系统受到扰动时，链式电路可以分相进行控制以便更好地提供电压支撑作用。

不仅如此，采用链式结构还可以降低功率器件的开关频率，大大降低开关损耗。

所述电抗器采用水冷电抗器,增加散热效率。

本申请所具有的有益效果是，该装置能够快速跟随运行负荷变化而变化，提高功率因数，运行经济指标好，降低线路损耗，为煤矿安全高效供电提供了可靠的技术保障；适用于含有甲烷混合气体，具有爆炸危险的煤矿井下，对交流50hz、额定电压10kv的供电电网，能够快速连续地提供容性或感性无功功率，实现动态无功补偿，特别适用于煤矿井下大功率电机集中使用、冲击性负荷频繁起动的电网末端，保障供电系统和用电设备稳定、高效运行。提高电网的功率因数，提高供电系统的利用率；稳定电网电压；抑制谐波，净化电网，增强供电系统的安全可靠性。

在社会效益方面：

1、节能减排：在井下供电系统研制10kv高压无功补偿后，大幅度减少采区供电系统在10kv高压侧补偿电网运行中存在的无功功率，提高了系统的功率因数，减少了无功功率的损耗，节约了能源，同时又能起到抑制谐波的效果。

2、优化供电电网：改善煤矿井下供电环境，补偿负荷所需的容性无功，提高电网的功率因数，消除电压闪变和电压波动、抑制谐波污染，净化电网；对电网优化设计和设备配置将起到重要作用。

附图说明

图1为本申请的主视结构示意图。

图2为本申请的侧视结构示意图。

图3为本申请的俯视结构示意图。

图4为本申请的各个功率单元的位置布置示意图。

图5为本防爆无功补偿装置在电网系统中的安装位置示意图。

图6为系统的电压桥式电路示意图。

图7为本装置的工作原理。

图中，1、变压器；2、电抗器；3、主控单元；4、水冷换热器；5、水冷系统；6、功率单元；7、母线电流互感器；8、igbt模块；9、绝缘框架；10、通风槽:12、水冷管；13、连接铜排。

具体实施方式

为能清楚说明本方案的技术特点，下面通过具体实施方式，并结合其附图，对本申请进行详细阐述。

如图1-7中所示，一种防爆无功补偿装置，包括设置在防爆壳体内的变压器、电抗器、功率单元、主控单元、水冷换热器、水冷系统，所述变压器通过与10kv三相线路侧母线并联的高爆开关馈线端进行连接，每相电路上包括12个所述功率单元，每个功率单元通过两个igbt模块级联后再经电抗器直接接入10kv电网，系统所需的系统母线电流信号取自高爆开关里的断路器进线端，当系统停机或因故障退出运行时，以断路器作为可靠分断器件，来保障完全快速退出电网，同时不会影响后面负荷的供电，一母线电流互感器安装在10kv系统母线上，一母线电压三相互感器安装在防爆壳体内，所述变压器通过接触器与所述电抗器相连，所述主控单元各个输出端口、输入端口分别通过信号线路与变压器、电抗器、功率单元、主控单元、水冷换热器、水冷系统的信号输入端口、信号输出端口相连；芯片为市面上通用的芯片。在将其与各个部件连接时工作人员根据各芯片的引脚的功能进行自行对应连接，连接方式属于本领域技术人员的常用手段，不存在创新之处。

所述igbt模块的额定电压为1700v。

所述防爆壳通过两隔板将其腔体分割为三部分，所述变压器、电抗器位于防爆壳左侧腔体内，所述主控单元、水风换热器、水冷系统位于防爆壳体的右侧腔体内，所述功率单元设置在防爆壳体的中间腔体内，所述功率单元放于由固定在防爆壳体内的绝缘型材拼装的绝缘框架上，绝缘框架与功率单元间有通风槽，既保证了电气性能的要求，又便于空间内通风。

所述水冷系统采用水-水型的板式换热器。

所述主控单元采用fpga芯片。工作时：本装置首先通过充电电阻对直流侧电容充电，当直流电容电压达到预定值后，短接接触器闭合，充电过程结束，装置开始工作，采用的芯片为市面上现有的fpga芯片，直接购买即可。

主控单元采用fpga芯片，其通过采集系统母线侧的电压、电流信号，计算得出需补偿的谐波电流或无功电流；最后控制器生成功率单元所需的igbt驱动信号，控制功率单元产生与负载谐波电流或无功电流幅值相等，相位相反的补偿电流，从而实现滤除谐波或补偿无功的目的。

所述功率单元采用链式h桥功率单元级联结构，所述级联结构是由igbt组成的h桥电路级联构，输出的交流逆变电压相位和幅值可灵活控制，从而实现补偿无功或有源滤波的功能，所述链式h桥功率单元级联结构，由多个两电平h桥电路串联而成，达到电压叠加的目的。

功率单元的结构布置是本申请的一项重点内容，本装置共含有36个功率单元，每相12个，其中还有水路和电路需要考虑，还要考虑到井下空间有限，因为转运和安装设备都对外形尺寸有很大的要求，因此如何布置功率单元成为该设备设计研发时的一个难点和重点，最后综合考虑，结合电抗器和水冷系统的外形尺寸，采取双排布局的方式，模块与模块之间采用背靠背的布置方式，每相12个功率单元，前面6个，后面6个，背靠背布置，最大范围的节省了空间，同时中间留出主水管的空间，前后两面走水路和连接铜排，使整个装置外形更加合理，内部空间布局紧凑，水路和连接铜排走线更加方便美观，成为本装置设计的一大亮点。

在10kv系统应用时，每相链接多个两电平的功率单元；与传统的多重化变流器技术方案相比，省略了多重化连接变压器，不但减小了占地面积，降低了装置成本，而且避免了多重化逆变变压器激磁回路中剩磁和饱和非线性导致的装置过电压和过电流。在接入系统受到扰动时，链式电路可以分相进行控制以便更好地提供电压支撑作用。

不仅如此，采用链式结构还可以降低功率器件的开关频率，大大降低开关损耗。

所述电抗器采用水冷电抗器,增加散热效率。

在实际生产施工中，综合考虑井下供电系统的实际情况，根据供电系统存在的电能质量问题，设计在采区补偿点或者采区变电所应用本补偿装置，以改善供电系统的电能质量。

例如：将xxx井下供电系统作为研究对象，以该系统中的井下西部变电所为例：如图5所示

本补偿装置选择西部变电所配电点为安装位置，供电线路2014102#、2014107#总开关后侧，j1和j2高爆开关与移变之间为补偿点装设两套wjl-6mvar/10kv矿用隔爆兼本质安全型链式静止无功发生器，2套装置可对西部变电所所有负荷进行集中无功补偿；在检修或故障时，只需将j1和j2高爆开关断开，就可将补偿装置与母线完全分离，不会影响供电母线正常供电。

本装置的主控单元采用16位高精度ad采样芯片，采样精度高，使对无功功率的计算更加精确，动态跟踪补偿性能更加优越。采用大规模fpga芯片载波移相多电平空间矢量pwm控制策略构成模块控制硬件平台，电路简单，抗干扰能力强，可靠性高。

主控制器安装于箱体左侧的腔体内，由主控机箱和触摸屏等几个主要部分组成。人机界面采用7寸800x480tft真彩屏。设备控制和参数设置通过键盘来操作。

在系统无功冲击状态下的电压稳定效果。

整个井下供电系统由地面至井下中央变电所，全长1800m，电压10kv，由中央变电所至西部变电所，全长5500m，电压10kv，补偿前功率因数为0.6，补偿后功率因数为0.95，西部变电所的总负荷为11969kw，视在功率为8378kw，则有功功率为5027kw。其中103综采面供电系统为双回路供电，每条回路安装一套补偿装置，故以其中一条回路进行计算（其中有功功率按平均分配）。

①线路损耗计算

整个线路损耗是：

r1=ƿl1/s1=0.0185×1800/240=0.14ω；

r2=ƿl2/s2=0.0185×5500/120=0.84ω；

补偿前供电线路有功损耗：

p1=3i12r×10-3（kw）==172kw

补偿后供电线路有功损耗：

p2=3i22r×10-3（kw）==69kw

补偿前后有功损耗减少：△p=103kw；

年损耗减少：△w=△p×t=103kw×18时/日×280日=519120kwh

则整个10kv供电母线年损耗减少1038240kwh。

②提高电压，抑制电压波动

从地面变电所到中央变电所：l1-240mm2电缆的长度，l1=1.8km，电阻r1=0.14ω，电抗xl1=0.16ω；

中央变电所到西部变电所：l2-120mm2电缆的长度，l2=5.5km，电阻r2=0.84ω，电抗xl2=0.418ω；

补偿前功率因数为0.6，有功功率为2514kw

则补偿前线路压降损失：

89v

351v

总的压降损失为：440v

补偿后线路压降损失：

48v

246v

总的压降损失为：294v系统电压明显提高。

按照系统设计原理和现场使用条件，本补偿系统与主供电回路的联接点在10kv侧。在设计中，设计了以下接入方式：

本装置为一体化结构，在10kv侧母线并联高爆开关装置，高爆开关馈线端接入装置，系统所需的系统母线电流信号取自高爆开关里的断路器进线端。当系统停机或因故障退出运行时，以断路器作为可靠分断器件，来保障完全快速退出电网，同时不会影响后面负荷的供电。该方案装置体积小，安装灵活，定为后续设计的设计方案。

本装置采用基于瞬时无功功率理论的无功电流检测方式，需检测母线电流﹑母线电压。由于传统理论中的有功功率、无功功率等都是在平均值基础或向量的意义上定义的，它们只适用于电压、电流均为正弦波时的情况。而瞬时无功功率理论中的概念，都是在瞬时值的基础上定义的。它不仅适用于正弦波，也适用于非正弦波和任何过渡过程的情况，可以看成是传统理论的推广和延伸。基于瞬时无功功率理论的方法，在只检测无功电流时可以完全无延时的得出检测结果。检测谐波电流时，因被检测对象电流中谐波的构成和采用滤波器的不同会有不同的延时，但最多不超过一个电源周期，具有很好的实时性。

电流直接控制用电流瞬时值与瞬时无功参考电流指令进行比较，比较结果控制功率单元的开关状态。电流直接控制分为滞环比较、恒频三角波比较以及空间电压矢量等几种控制方式。电流直接控制较间接控制有很多优点，具体表现在：

1）系统具有快速的瞬态响应：由于瞬时反馈的引入，控制系统对直流侧电压和交流侧电网电压波动迅速作出反应，保持输出电流跟随参考值；

2）系统稳定性高：电感的电流控制环是一阶系统，无条件稳定；

3）可抑制负序引起的不良影响：电网负序电压存在时，因为无功电流指令是先用abc-dq0变换到瞬时iq，再通过dq0-abc逆变换成三相瞬时电流，此时无功电流指令实际上是三相无功电流的平均值。因此，输出三相电流的无功电流对称，流入直流侧电流脉动小，电压也比较平稳。

本装置无功补偿原理：采用电压桥式电路，电路结构图如图6所示，其具体电路图为现有技术，在此给出便于审查员理解本申请方案。

本装置工作时通过电力半导体开关的通断将直流侧电压转换成与交流侧电网同频率的输出电压，类似一个电压型功率单元，只不过其交流侧输出接的不是无源负载，而是电网。因此，当仅考虑基波频率时，本装置可以等效地被视为幅值和相位均可以控制的一个与电网同频率的交流电压源。它通过交流电抗器连接到电网上，无功的性质和大小靠调节电流来实现，本内部电路结构图为公知范围，便于审查员了解。

本装置的工作原理可以用图7所示的单相等效电路图与电流超前和滞后工作的相量图来说明。

相量：电网电压

相量：本装置输出交流电压

相量：连接电抗x上的电压

：本装置从电网吸收的电流

改变本装置交流输出侧的电压的幅值及其相对于的相位，就可以改变连接电抗上的电压，从而控制本装置从电网吸收电流的相位和幅值，也就控制了本装置吸收无功功率的性质和大小，从而达到提高功率因数，抑制谐波，改善电网电能质量的作用。

该装置能够快速跟随运行负荷变化而变化，提高功率因数，运行经济指标好，降低线路损耗，为煤矿安全高效供电提供了可靠的技术保障；适用于含有甲烷混合气体，具有爆炸危险的煤矿井下，对交流50hz、额定电压10kv的供电电网，能够快速连续地提供容性或感性无功功率，实现动态无功补偿，特别适用于煤矿井下大功率电机集中使用、冲击性负荷频繁起动的电网末端，保障供电系统和用电设备稳定、高效运行。提高电网的功率因数，提高供电系统的利用率；稳定电网电压；抑制谐波，净化电网，增强供电系统的安全可靠性；能够提供从感性到容性的连续、平滑、动态、快速的无功功率补偿,响应时间快，可快速跟踪负荷变化；装置投入运行后，稳定线路末端电压稳定，电压变化幅度较小，线路电流由原来的130~150a变化范围降到70～40a,稳定性大大加强，保证了工作面电气设备正常启动和工作正常；装置投入运行后，线路谐波含量大大减小，特别是3次、5次和7次谐波，供电系统电能质量大大改善，延长了电气设备的使用寿命；供电线路功率因数明显提高，由0.6升到0.97，大大节约了电能，对煤矿带来良好的经济效益；经济分析减小线路损耗，每年能够节省电量1038240kwh每度电按0.8元计算：1038240x0.8≈830592元；加装设备后，可适当减低变压器的容量配置和电缆规格，节省费用；加装设备后，改善了井下电网的电能质量，提高了设备使用寿命，减少了人员费用和设备维护费用；在社会效益方面：节能减排：在井下供电系统研制10kv高压无功补偿后，大幅度减少采区供电系统在10kv高压侧补偿电网运行中存在的无功功率，提高了系统的功率因数，减少了无功功率的损耗，节约了能源，同时又能起到抑制谐波的效果；优化供电电网：改善煤矿井下供电环境，补偿负荷所需的容性无功，提高电网的功率因数，消除电压闪变和电压波动、抑制谐波污染，净化电网；对电网优化设计和设备配置将起到重要作用。

上述具体实施方式不能作为对本申请保护范围的限制，对于本技术领域的技术人员来说，对本申请实施方式所做出的任何替代改进或变换均落在本申请的保护范围内。

本申请未详述之处，均为本技术领域技术人员的公知技术。