煤礦配電網中無功功率平衡問題研究

劉俊嗣

（神華寧夏煤業集團清水營煤礦 寧夏 靈武 751410）

0 引言

煤礦生產中的開采、運輸、提升、通風都需要功率很大的機械，對電力的需求十分巨大，同時對電力的損耗也是十分巨大。電費支出已經占了全礦支出的很大部分，從節約采煤成本上考慮，節能省電也己經迫在眉睫。

1 無功功率負荷

1.1 配電變壓器

配電變壓器是配電網中無功功率的主要消耗者之一，其消耗的無功功率主要包括勵磁無功功率損耗和漏感無功損耗兩部分：勵磁支路上的無功功率損耗，基本上可以認為是與變壓器負荷無關的空載損耗，數值上約與變壓器空載電流的百分數相等，其值約為1%-2%；繞組漏抗中的無功損耗與變壓器的負荷有關，當變壓器為額定負荷時，約與短路電壓的百分數相等，其值約為10%。對于一臺變壓器，其滿載時總的無功功耗并不大，約為額定容量的11%-12%。但在有多臺變壓器串接的多電壓級網絡中，變壓器中總的無功功率損耗相當可觀。例如在一個3級變壓的網絡中，發電廠至煤礦為35kV，中間經35/6，6/0.4kV，降壓至煤礦設備，所有變壓器滿載時，變壓器中總的無功損耗約占變壓器負荷的57%，半載時占39%。由此可見，系統中變壓器的無功功率損耗所占比例相當大，比有功功率損耗大的多。

1.2 電力線路

線路在輸配電過程中也要消耗一部分無功功率。電力線路上的無功損耗也分為兩個部分：即并聯電納和串聯電抗中的無功損耗。并聯電納中的無功損耗又稱充電功率，與線路電壓的平方成正比，呈容性。串聯電抗中的無功損耗與負荷電流的平方成正比，呈感性。一般，對于110kV及以下的配電線路，可忽略電納的影響，消耗的無功.功率主要由電抗引起，呈感性，表達式如下：

式中：△Q1為線路消耗的感性無功功率，Kvar；I為線路流過的電流，kA；P為輸送的有功功率，kW；Q為輸送的無功功率，Kvar；UN為線路的額定電壓，kV；X1為線路的阻抗，Ω。

從式中可以看出，線路無功損耗與線路電壓的平方成反比，線路運行電壓越低，則無功損耗越大；與輸送功率的平方成正比，輸送的功率越大，則無功損耗越大。

1.3 大功率設備

煤礦中的大型設備較多(如主副井提升機、采煤機、主水泵等)，主要為異步電動機，異步電動機在煤礦使用比較普遍，其功率因數很低。異步電動機在運行時所需要的無功功率由兩部分組成：一部分是勵磁支路所需的無功功率，另一部分是負荷支路所需的無功功率。異步電動機主要是勵磁支路所需的無功功率，當負荷由零到滿載時，其變化很小，隨負荷的增加而略有下降；而負荷支路所需的無功功率隨負荷增加而增加，其值一般比勵磁支路所需的無功功率小，容量越小，需求的無功功率越小。電動機的功率因數隨負載率的減小而減小，一般煤礦為了設計方便，都采用比實際需要偏大功率的電機，造成負載率進一步降低，實際應用中功率因數極低。

2 無功補償設備

2.1 靜止電容器

靜止電容器有并聯電容器和并聯電抗器，它們的作用是調節系統中的無功潮流分布。并聯電容器主要是用在負荷比較高的時候，為電網提供無功電源支持，減少電網中的無功流動，并聯電容器只能向系統供給感性無功功率，一般將其連接成若干組使用，按需要成組地投入或切除，改變投切容量，既可以集中安裝，又可分散使用，它供給的無功功率Qc值與所在的節點電壓U的平方成正比，即Qc＝U2／Xc。從公式可以看出，當節點電壓下降時，它供給系統的無功功率將減少。因此，當系統發生故障或由于其它原因電壓下降時，電容器無功輸出的減少將導致電壓繼續下降，這是并聯電容器在調節性能上的缺點。

2.2 靜止補償器

靜止補償器是近年來發展起來的一種動態無功功率補償裝置。它是將電力電容器與電抗器并聯起來使用，電容器可發出無功功率，電抗器可吸收無功功率，兩者結合起來，再配以適當的調節裝置，就成為能夠平滑地改變輸出(或吸收)無功功率的靜止補償器。靜止補償器有四種不同類型，即可控飽和電抗器型，自飽和電抗器型，可控硅控制電抗器型，以及可控硅控制電抗器和可控硅投切電容器組合型靜止補償器。電壓變化時，靜止補償器能快速地、平滑地調節無功功率，以滿足動態無功補償的需要。同時運行維護簡單，功率損耗較小，能作到分相補償以適應不平衡的負荷變化，對于沖擊負荷也有較強的適應性，在我國電力系統中它將得到日益廣泛的應用。

2.3 靜止無功發生器

靜止無功發生器的主體是一個電壓源型逆變器，由可關斷晶閘管適當的通斷，將電容上的直流電壓轉換成為與電力系統電壓同步的三相交流電壓，再通過電抗器和變壓器并聯接入電網。適當控制逆變器的輸出電壓，就可以靈活地改變其運行工況，使其處于容性、感性或零負荷狀態。

與靜止無功補償器相比，靜止無功發生器響應速度更快，諧波電流更少，而且在系統電壓較低時仍能向系統注入較大的無功。煤礦供電系統屬于配電系統，不存在同步發電機，一般使用電力電容器和靜止無功補償器進行無功補償。

3 無功功率平衡和電壓水平的關系

煤礦供電系統中無功功率的平衡關系與有功功率相似，做煤礦供電系統無功功率的平衡計算，是使煤礦供電系統中所有的無功電源所發出的無功功率與系統總的無功負荷平衡。其目的在于維持各種運行方式下電力網各點的電壓水平，確定無功補償裝置的配置及形式。無功功率的平衡關系式為：

式中：電源供應的無功功率QGC由兩部分組成，即發電機供應的無功功率QG和系統中無功補償設備供應的無功功率QC，在煤礦供電系統中無功功率主要由并聯電容器供應。無功功率損耗主要包括兩個部分：變壓器中的無功功率損耗和線路電抗中的無功功率損耗。

負荷消耗的無功功率QL可按負荷的功率因數計算：

式中：PL為負荷消耗的有功功率；φ為負荷的功率因數角。

維持電網正常電壓水平下的無功功率平衡是保證電網電壓質量的基本條件。如果不能在正常電壓水平下保證無功功率的平衡，電網的電壓質量將得不到保證。設配電網運行于額定電壓UN時，系統電源所能提供的無功功率為QGN。當系統電源提供的無功功率不足，所供給的無功功率僅為QG時，雖然無功功率也能平衡，但電網的運行電壓被迫下降至U。這種情況下，雖可采取某些措施，如改變某臺變壓器的變比以提高局部的電壓水平，但如果不能增加電網無功功率電源所能供應的無功功率，則配電網的電壓質量總不能獲得全面改善。事實上，電網中無功功率電源不足時的無功功率平衡是由于電網電壓水平的下降、無功功率負荷(包括損耗)本身的具有正值的電壓調節效應使電網的無功功率需求有所下降而達到的。為了適應負荷的增長，電網中應該有足夠的無功功率備用容量。否則，當負荷增大時，電網的電壓質量就得不到保證。

4 結束語

無功優化是煤礦用電安全經濟運行研究的一個重要組成部分，通過對煤礦無功電源的合理配置和對無功負荷的最佳補償，不僅可以維持電壓水平和提高系統運行的穩定性，而且可以降低有功網絡損耗和無功網絡損耗，使系統能夠安全經濟運行。

［1］宋明曙.電力系統無功優化分析[D].濟南：山東大學，2008.

［2］朱福橋，王崇林.煤礦電網的無功補償裝置配置方案[J].礦山機械，2007，7(2)：38-42.