CN114123214B - 一种煤矿井下远距离供电系统配套用电压调控装置 - Google Patents

Abstract

本发明的煤矿井下远距离供电系统配套用电压调控装置，移动变压器与负载设备之前的供电线路上串有电压调节控制装置，电压调节控制装置由电压补偿逆变装置、隔离变换变压器、电压传感器V1和V2以及电流传感器I组成；电压补偿逆变装置的输出侧接于隔离变换变压器的一次侧，隔离变换变压器二次侧绕组的一端接于供电用移动变压器的输出端，二次侧绕组的另一端接于负载设备上；电压传感器所采集的隔离变换变压器输入前后的电压和电流信号输入至电压补偿逆变装置中。本发明的电压调控装置，当检测到输入至负载设备的电压低于设定值时，电压补偿逆变装置对输入至负载设备的电压进行补偿，确保了对煤矿井下负载设备的远距离安全、稳定供电。

Description

一种煤矿井下远距离供电系统配套用电压调控装置

技术领域

本发明涉及一种电压调控装置，更具体的说，尤其涉及一种煤矿井下远距离供电系统配套用电压调控装置。

背景技术

随着煤矿井下采煤、掘进工作面的不断延伸，供电电源变压器与后级的用电负荷之间的距离越来越远，最远距离达到3000-4000米，如此远的供电距离，当后级用电负荷中有大功率的电机负载工频直起时，启动瞬间的大电流冲击会在输电线路上造成较大的压降，供电线缆上的压降将会导致电源末端电压偏低，导致采煤、掘进设备电机启动困难甚至烧毁，配电系统中继电保护及自动装置产生误动或拒动、破坏微机保护、综合自动化装置、仪表和电能计量出现较大误差等问题。

目前，煤矿井下采煤、掘进面供电系统一般都存在上面介绍的远距离供电工况下电网末端的电压偏低问题，目前主要采取以下措施：

（1）提高供电首端电源电压，弥补线路上的损失，但是这样会增大前级供电电源的总装机容量，同时在设备停机或空载运行时导致设备、线缆电压偏高，对线缆和设备的绝缘耐压造成一定的威胁。

（2）将移动变压器的位置前移，减少相关设备与供电电源之间的供电电缆长度，进而减少电缆上的电压降。或采取多根供电线缆并联的方案，减少线缆的等效阻抗，进而减少电缆上的电压降。此方案大大增加煤矿采煤、掘进作业时的工作量，降低工作效率，增加采煤、掘进作业的成本。

发明内容

本发明为了克服上述技术问题的缺点，提供了一种煤矿井下远距离供电系统配套用电压调控装置。

本发明的煤矿井下远距离供电系统配套用电压调控装置，供电用移动变压器的输出形成对煤矿井下负载设备的供电，其特征在于：移动变压器与负载设备之前的供电线路上串有电压调节控制装置，电压调节控制装置由电压补偿逆变装置、隔离变换变压器、电压传感器V1、电压传感器V2和电流传感器I组成；电压补偿逆变装置的输入侧接于供电用移动变压器的输出端，输出侧接于隔离变换变压器的一次侧；隔离变换变压器二次侧绕组的一端接于供电用移动变压器的输出端，二次侧绕组的另一端接于负载设备上；电压传感器V1设置于供电用移动变压器与隔离变换变压器的二次侧绕组之前的三相线路上，电压传感器V2和电流传感器I均设置于隔离变换变压器的二次侧绕组与负载设备之间的三相线路上；

电压传感器V1所采集的隔离变换变压器输入侧的三相电压信号V1a、V1b、V1c，以及电压传感器V2、电流传感器I所采集的隔离变换变压器输出侧的电压信号V2a、V2b、V2c和电流信号Ia、Ib、Ic输入至电压补偿逆变装置中的采集电路中，电压补偿逆变装置根据所采集的电压信号和电流信号V2a、V2b、V2c来判断输入至负载设备上的电压是否低于设定值，在输入至负载设备上的电压低于设定值的情况下输出电压补信号至隔离变换变压器。

本发明的煤矿井下远距离供电系统配套用电压调控装置，所述电压补偿逆变装置由三相整流电路、直流电路和三相逆变电路组成，三相整流电路的输出经直流电路与三相逆变电路的输入相连接，电压补偿逆变装置的三个输入端R、S、T与三相整流电路的输入端相连接，电压补偿逆变装置的三个输出端U1、V1、W1与三相逆变电路的输出相连接。

本发明的煤矿井下远距离供电系统配套用电压调控装置，所述隔离变换变压器一次侧三个绕组的两端分别为A和X、B和Y、C和Z，二次侧三个绕组的两端分别为a和x、b和y、c和z；隔离变换变压器的一次侧采用星形或三角形接法与电压补偿逆变装置的输出端相连接，隔离变换变压器二次侧三个绕组的a、b、c端分别接于电压补偿逆变装置的输出端，隔离变换变压器二次侧三个绕组的x、y、z端与负载设备三相输入端相连接；

隔离变换变压器采用星形接法与电压补偿逆变装置相连接的方式为：电压补偿逆变装置的输出端U1、V1、W1分别与隔离变换变压器的A、B、C端相连接，隔离变换变压器的X、Y、Z端连接在一起；隔离变换变压器采用三角形接法与电压补偿逆变装置相连接的方式为：电压补偿逆变装置的输出端U1、V1、W1分别与隔离变换变压器的A、B、C端相连接，隔离变换变压器的X与B连接、Y与C连接、Z与A连接。

本发明的煤矿井下远距离供电系统配套用电压调控装置，包括与电压调节控制装置相并联的工频旁路装置，工频旁路装置采用工频接触器K1，工频接触器K1三个输入端为I1、I2、I3，三个输出端为O1、O2和O3，工频接触器K1的三个输入端为I1、I2、I3分别接于供电用移动变压器的输出端，三个输出端O1、O2和O3分别与负载设备的电源端相连接；工频接触器K1的控制端接于电压补偿逆变装置的控制电路上。

本发明的煤矿井下远距离供电系统配套用电压调控装置的补偿方法，通过以下步骤来实现：

a).电压和电流信号的采集，电压补偿逆变装置采集电压传感器V1、电压传感器V2输出的电压信号V1a、V1b、V1c和电压信号V2a、V2b、V2c，以及采集电流传感器I输出的电流信号Ia、Ib、Ic；

b).负载设备电压的判断，电压补偿逆变装置根据电压信号V2a、V2b、V2c判断输入至负载设备上的电压信号是否低于设定值，如果定于设定值，则执行步骤b)；如果不低于设定值，则执行步骤d)；

c).负载设备电压的补偿，包括如下步骤：

c-1).电压补偿逆变装置根据电压信号V1a、V1b、V1c得到前级供电系统的三相电压信号，如公式（1）所示：

（1）

其中，u_a、u_b、u_c分别为电压补偿逆变装置输入端A相、B相、C相电压信号，U为三相交流电压幅值，ω为三相交流电压角速度；

c-2).电压补偿逆变装置根据采集的电压信号V2a、V2b、V2c，计算出输入至负载设备上的电压幅值、电压相位，计算出所需补偿的电压偏差值U_补，输出与电压信号V2a、V2b、V2c同相位的补偿电压，补偿电压如公式（2）所示：

（2）

u_a补、u_b补、u_c补分别为电压补偿逆变装置经隔离变换变压器输出的A相、B相、C相的补偿电压，U_补为所需补偿的电压偏差值；

c-3).公式（1）所示的输入电压与公式（2）所示的补偿电压叠加，得到补偿后输入至负载设备的电压如公式（3）所示：

（3）

u_a负载、u_b负载、u_c负载分别为经电压补偿后输入至负载设备上的A相、B相、C相的电压；

d).故障判断，判断电压补偿逆变装置是否出现异常，如果没有出现异常，执行步骤a)；如果出现异常，则执行步骤e)；

e).旁路控制，控制工频接触器K1吸合，将电压调节控制装置从供电回路中短接开来，此时输入至负载设备的电压与前级供电系统的电压完全一致，如公式（4）所示：

（4）。

本发明的有益效果是：本发明的煤矿井下远距离供电系统配套用电压调控装置，在供电用移动变压器与负载设备之间设置电压补偿逆变装置和隔离变换变压器，并将电压补偿逆变装置的输出与隔离变换变压器的一次侧相连接，并利用电压传感器对隔离变换变压器二次侧前端的三相电压、后端的三相电压和电流进行检测，当检测到隔离变换变压器输入至负载设备的电压低于设定值时，则控制电压补偿逆变装置输出电压补偿信号至隔离变换变压器，对输入至负载设备的电压进行补偿，使得负载侧电压满足产品正常工作的电压范围，以避免输入至负载设备中的电压过低所导致的电机启动困难、电机烧毁、配电系统继电器误动作或拒动作、破坏微机保护、综合自动化装置仪表和电能计量出现较大误差情况的发生，确保了对煤矿井下负载设备的远距离安全、稳定供电。

与现有提高供电首端电源电压来弥补线路上的损失相比，无需增大前级供电电源的总装机容量，不会提高对线缆和设备的绝缘耐压等级。与现有将移动变压器的位置前移来减少电缆上的电压降相比，不会增加煤矿采煤、掘进作业时的工作量，不会降低工作效率，不会增加采煤、掘进作业的成本。

附图说明

图1为本发明的电压调控装置的系统拓扑图；

图2为本发明的电压调控装置的连接示意图；

图3为本发明中电压补偿逆变装置的电路原理图；

图4为本发明中隔离变换变压器的电路原理图；

图5为本发明中工频接触器K1的电路原理图。

图中：1电压补偿逆变装置，2隔离变换变压器，3电压传感器V1，4电压传感器V2，5电流传感器I，6工频接触器K1，7负载设备，8供电用移动变压器，9三相整流电路，10直流电路，11三相逆变电路。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

如图1和图2所示，分别给出了本发明的电压调控装置的系统拓扑图和连接示意图，所示的煤矿井下远距离供电系统配套用电压调控装置为串联在供电用移动变压器8与负载设备7之间的电压调节控制装置，当负载设备7中的负载电机工频启动导致供电线路中的电流过大而出现较大压降时，电压调节控制装置可增加输入至负载设备7上的电压，以避免电压过低条件下的电机启动，避免电机等设备损坏。

所示的电压调节控制装置由电压补偿逆变装置1、隔离变换变压器2、电压传感器V1（3）、电压传感器V2（4）和电流传感器I（5）组成，电压补偿逆变装置1中设置有采集电路和控制电路，电压补偿逆变装置1的输入端接于供电用移动变压器8的输出端，电压补偿逆变装置1的输出端接于隔离变换变压器2的一次侧绕组（图4中的设备侧）上，隔离变换变压器2的二次侧绕组的一端接于供电用移动变压器8的输出端，隔离变换变压器2的二次侧绕组（图4中的网侧）的另一端接于负载设备7上。

电压传感器V1设置于隔离变换变压器2二次侧绕组与供电用移动变压器8之间的线路上，用于对隔离变换变压器2输入端三相电压信号进行检测。电压传感器V2和电流传感器I设置于隔离变换变压器2二次侧绕组与负载设备7之间的线路上，用于对隔离变换变压器2输出端的三相电压和电流信号进行检测。

所检测的隔离变换变压器2二次侧输入端的三相电压信号，以及隔离变换变压器2二次侧输出端的三相电压和电流信号输入至电压补偿逆变装置1的采集电路中，经信号转换后输入至电压补偿逆变装置1的控制电路中。控制电路根据所采集的隔离变换变压器2输入的三相电压，以及输出的三相电压和电流，判断煤矿井下负载设备7是否出现了供电电源低于设定值的情况，当出现电压低于设定值时，则进行电压补偿，以避免出现由于供电电压过低所导致的电机启动困难、电机烧毁以及其他设备不能正常工作情形的发生。

如图3所示，给出了本发明中电压补偿逆变装置的电路原理图，所示的电压补偿逆变装置1由三相整流电路9、直流电路10和三相逆变电路11组成，三相整流电路9的输出经直流电路10与三相逆变电路11的输入相连接，电压补偿逆变装置1的三个输入端R、S、T与三相整流电路9的输入端相连接，电压补偿逆变装置1的三个输出端U1、V1、W1与三相逆变电路11的输出相连接。

如图4所示，给出了本发明中隔离变换变压器的电路原理图，所示隔离变换变压器2一次侧三个绕组的两端分别为A和X、B和Y、C和Z，二次侧三个绕组的两端分别为a和x、b和y、c和z；隔离变换变压器2的一次侧采用星形或三角形接法与电压补偿逆变装置1的输出端相连接，隔离变换变压器2二次侧三个绕组的a、b、c端分别接于电压补偿逆变装置1的输出端，隔离变换变压器2二次侧三个绕组的x、y、z端采用星形或三角形接法与负载设备7相连接。

隔离变换变压器2采用星形接法与电压补偿逆变装置1相连接的方式为：电压补偿逆变装置1的输出端U1、V1、W1分别与隔离变换变压器2的A、B、C端相连接，隔离变换变压器2的X、Y、Z端连接在一起。隔离变换变压器2采用三角形接法与电压补偿逆变装置1相连接的方式为：电压补偿逆变装置1的输出端U1、V1、W1分别与隔离变换变压2器的A、B、C端相连接，隔离变换变压器2的X与B连接、Y与C连接、Z与A连接。

正常情况下，供电用移动变压器8输出的三相交流电经电压补偿逆变装置1和隔离变换变压器2对负载设备7进行供电，当电压调节控制装置出现故障时，则通过与电压调节控制装置相并联的工频旁路装置都负载设备7进行供电。所示的工频旁路装置采用工频接触器K1（6）。

图5所示，给出了本发明中工频接触器K1的电路原理图，工频接触器K1三个输入端为I1、I2、I3，三个输出端为O1、O2和O3，工频接触器K1的三个输入端为I1、I2、I3分别接于供电用移动变压器8的输出端，三个输出端O1、O2和O3分别与负载设备7的电源端相连接；工频接触器K1的控制端接于电压补偿逆变装置1的控制电路上。通过将工频接触器K1接触器吸合，可以将电压调控装置短接后为后级的负荷供电。

本发明的煤矿井下远距离供电系统配套用电压调控装置的补偿方法，通过以下步骤来实现：

a).电压和电流信号的采集，电压补偿逆变装置采集电压传感器V1、电压传感器V2输出的电压信号V1a、V1b、V1c和电压信号V2a、V2b、V2c，以及采集电流传感器I输出的电流信号Ia、Ib、Ic；

b).负载设备电压的判断，电压补偿逆变装置根据电压信号V2a、V2b、V2c判断输入至负载设备上的电压信号是否低于设定值，如果定于设定值，则执行步骤b)；如果不低于设定值，则执行步骤d)；

c).负载设备电压的补偿，包括如下步骤：

c-1).电压补偿逆变装置根据电压信号V1a、V1b、V1c得到前级供电系统的三相电压信号，如公式（1）所示：

（1）

其中，u_a、u_b、u_c分别为电压补偿逆变装置输入端A相、B相、C相电压信号，U为三相交流电压幅值，ω为三相交流电压角速度；

c-2).电压补偿逆变装置根据采集的电压信号V2a、V2b、V2c，计算出输入至负载设备上的电压幅值、电压相位，计算出所需补偿的电压偏差值U_补，输出与电压信号V2a、V2b、V2c同相位的补偿电压，补偿电压如公式（2）所示：

（2）

u_a补、u_b补、u_c补分别为电压补偿逆变装置经隔离变换变压器输出的A相、B相、C相的补偿电压，U_补为所需补偿的电压偏差值；

c-3).公式（1）所示的输入电压与公式（2）所示的补偿电压叠加，得到补偿后输入至负载设备的电压如公式（3）所示：

（3）

u_a负载、u_b负载、u_c负载分别为经电压补偿后输入至负载设备上的A相、B相、C相的电压；

d).故障判断，判断电压补偿逆变装置是否出现异常，如果没有出现异常，执行步骤a)；如果出现异常，则执行步骤e)；

e).旁路控制，控制工频接触器K1吸合，将电压调节控制装置从供电回路中短接开来，此时输入至负载设备的电压与前级供电系统的电压完全一致，如公式（4）所示：

（4）。

可见，通过在煤矿井下远距离供电系统中串联本装置，可以解决煤矿井下供电电网末端电压偏低问题。当检测到供电电网末端电压低于设定值时，电压补偿装置自动投入，补偿因线缆压降造成的电压损耗，从而将末端电压值抬升到设定值。

Claims (5)

1.一种煤矿井下远距离供电系统配套用电压调控装置，供电用移动变压器（8）的输出形成对煤矿井下负载设备（7）的供电，其特征在于：移动变压器与负载设备之前的供电线路上串有电压调节控制装置，电压调节控制装置由电压补偿逆变装置（1）、隔离变换变压器（2）、电压传感器V1（3）、电压传感器V2（4）和电流传感器I（5）组成；电压补偿逆变装置的输入侧接于供电用移动变压器的输出端，输出侧接于隔离变换变压器的一次侧；隔离变换变压器二次侧绕组的一端接于供电用移动变压器的输出端，二次侧绕组的另一端接于负载设备上；电压传感器V1设置于供电用移动变压器与隔离变换变压器的二次侧绕组之前的三相线路上，电压传感器V2和电流传感器I均设置于隔离变换变压器的二次侧绕组与负载设备之间的三相线路上；

电压传感器V1所采集的隔离变换变压器（2）输入侧的三相电压信号V1a、V1b、V1c，以及电压传感器V2、电流传感器I所采集的隔离变换变压器输出侧的电压信号V2a、V2b、V2c和电流信号Ia、Ib、Ic输入至电压补偿逆变装置（1）中的采集电路中，电压补偿逆变装置根据所采集的电压信号V2a、V2b、V2c来判断输入至负载设备上的电压是否低于设定值，在输入至负载设备上的电压低于设定值的情况下输出电压补信号至隔离变换变压器。

2.根据权利要求1所述的煤矿井下远距离供电系统配套用电压调控装置，其特征在于：所述电压补偿逆变装置（1）由三相整流电路（9）、直流电路（10）和三相逆变电路（11）组成，三相整流电路的输出经直流电路与三相逆变电路的输入相连接，电压补偿逆变装置的三个输入端R、S、T与三相整流电路的输入端相连接，电压补偿逆变装置的三个输出端U1、V1、W1与三相逆变电路的输出相连接。

3.根据权利要求2所述的煤矿井下远距离供电系统配套用电压调控装置，其特征在于：所述隔离变换变压器（2）一次侧三个绕组的两端分别为A和X、B和Y、C和Z，二次侧三个绕组的两端分别为a和x、b和y、c和z；隔离变换变压器的一次侧采用星形或三角形接法与电压补偿逆变装置的输出端相连接，隔离变换变压器二次侧三个绕组的a、b、c端分别接于电压补偿逆变装置（1）的输出端，隔离变换变压器二次侧三个绕组的x、y、z端与负载设备（7）三相输入端相连接；

隔离变换变压器采用星形接法与电压补偿逆变装置相连接的方式为：电压补偿逆变装置的输出端U1、V1、W1分别与隔离变换变压器的A、B、C端相连接，隔离变换变压器的X、Y、Z端连接在一起；隔离变换变压器采用三角形接法与电压补偿逆变装置相连接的方式为：电压补偿逆变装置的输出端U1、V1、W1分别与隔离变换变压器的A、B、C端相连接，隔离变换变压器的X与B连接、Y与C连接、Z与A连接。

4.根据权利要求2所述的煤矿井下远距离供电系统配套用电压调控装置，其特征在于：包括与电压调节控制装置相并联的工频旁路装置，工频旁路装置采用工频接触器K1（6），工频接触器K1三个输入端为I1、I2、I3，三个输出端为O1、O2和O3，工频接触器K1的三个输入端为I1、I2、I3分别接于供电用移动变压器（8）的输出端，三个输出端O1、O2和O3分别与负载设备（7）的电源端相连接；工频接触器K1的控制端接于电压补偿逆变装置（1）的控制电路上。

5.一种基于权利要求4所述的煤矿井下远距离供电系统配套用电压调控装置的补偿方法，其特征在于，通过以下步骤来实现：

a).电压和电流信号的采集，电压补偿逆变装置采集电压传感器V1、电压传感器V2输出的电压信号V1a、V1b、V1c和电压信号V2a、V2b、V2c，以及采集电流传感器I输出的电流信号Ia、Ib、Ic；

b).负载设备电压的判断，电压补偿逆变装置根据电压信号V2a、V2b、V2c判断输入至负载设备上的电压信号是否低于设定值，如果定于设定值，则执行步骤b)；如果不低于设定值，则执行步骤d)；

c).负载设备电压的补偿，包括如下步骤：

c-1).电压补偿逆变装置根据电压信号V1a、V1b、V1c得到前级供电系统的三相电压信号，如公式（1）所示：

（1）

其中，u_a、u_b、u_c分别为电压补偿逆变装置输入端A相、B相、C相电压信号，U为三相交流电压幅值，ω为三相交流电压角速度；

c-2).电压补偿逆变装置根据采集的电压信号V2a、V2b、V2c，计算出输入至负载设备上的电压幅值、电压相位，计算出所需补偿的电压偏差值U_补，输出与电压信号V2a、V2b、V2c同相位的补偿电压，补偿电压如公式（2）所示：

（2）

u_a补、u_b补、u_c补分别为电压补偿逆变装置经隔离变换变压器输出的A相、B相、C相的补偿电压，U_补为所需补偿的电压偏差值；

c-3).公式（1）所示的输入电压与公式（2）所示的补偿电压叠加，得到补偿后输入至负载设备的电压如公式（3）所示：

（3）

u_a负载、u_b负载、u_c负载分别为经电压补偿后输入至负载设备上的A相、B相、C相的电压；

d).故障判断，判断电压补偿逆变装置是否出现异常，如果没有出现异常，执行步骤a)；如果出现异常，则执行步骤e)；

e).旁路控制，控制工频接触器K1吸合，将电压调节控制装置从供电回路中短接开来，此时输入至负载设备的电压与前级供电系统的电压完全一致，如公式（4）所示：

（4）。