無功補償裝置在煤礦的應用分析

張亞科，高俊英，景俊偉

（1.煤炭工業鄭州設計研究院股份有限公司，河南 鄭州 450000；2.河南省許平煤業有限公司，河南 許昌 461000）

煤礦企業的負荷以各種形式的電力拖動為主，且多為間歇性工作方式，如主井提升設備、副井提升設備、排水設備、壓風設備及大功率采掘設備等。這類設備的啟動電流大，啟動頻繁，引起了電網的電壓降落和電壓波動，給煤礦供電系統造成了很大的沖擊。

特別是近年來，隨著電力電子技術的飛速發展，煤礦企業不斷引入大型的交-交變頻提升設備、風機變頻節能設備等，獲得了優良的調速特性，節約了電能，但同時也引入了高次諧波，造成了電網功率因數的進一步下降，直接威脅到煤礦供電系統的安全。而無功補償裝置正是解決這個問題的有效手段，它主要有以下幾個功能：①補償無功功率，提高供電網絡的功率因數；②減小線路損失，提高電網的運行效率；③減小供、變電設備的容量，從而減少投資；④濾除電網的高次諧波，減小設備的附加損耗，延長設備壽命等。

正因為如此，煤礦企業普遍采用無功補償裝置作為提高供電系統功率因數、降低諧波干擾的主要措施。但是，目前無功補償裝置種類繁多，不一而足。如何從眾多的產品中選擇出適合不同規模煤礦供電的無功補償裝置值得探討。

1 無功補償裝置的分類

無功補償裝置一般分為靜止型和非靜止型兩大類。在工礦企業中，靜止型無功補償裝置應用比較多，而非靜止型無功補償裝置（如同步調相機等）一般用于樞紐變電站，在此不予論述。

靜止型無功補償裝置按投切方式分為兩類：延時投切方式和瞬時投切方式。

1.1 延時投切方式

延時投切方式即所謂的“靜態”補償方式。在這種投切方式中，通過設置一定的延時，可以防止接觸器頻繁動作、觸頭過熱燒結、電容器損壞，更重要的是防止供電系統振蕩。

1.2 瞬時投切方式

瞬時投切方式即所謂的“動態”補償方式。它能快速響應系統無功的變化，及時進行無功補償，應該說是半導體電力器件與數字技術綜合的結晶。按照開關類別，大致又分兩種：一種是有觸點的動態無功補償裝置，如接觸器分組投切方式、復合開關分組投切方式、同步開關分組投切方式等均屬于此類；另一種是無觸點的動態無功補償裝置，如晶閘管投切方式、電壓調節型補償方式等均屬于此類。下面筆者結合自己的設計經歷，就煤礦常用的幾種無功補償裝置的特點及應用范圍淺談一下自己的看法。

2 各種無功補償裝置的特點及應用范圍

2.1 FC（固定電容器補償方式）

在以前，煤礦供電曾采用過固定投切電容器組的方式來補償供電網絡的功率因數。該投切方式通過人工判斷系統是否需要補償，然后手動執行開關（接觸器）投入或切除電容器組。通過實踐經驗表明，該種補償方式落后，不能及時補償線網的功率因數，且容易出現過補現象，甚至導致供電系統諧振的發生。

現在對煤礦企業舊供電系統的改造，已經不再使用固定投切電容器組的方式了，而是采用自動補償方式。例如，《平禹煤電公司三礦35 kV變電站改造工程》關于6 kV電壓無功補償裝置的改造就是由原來的人工投切補償方式改造為電壓調節型無功補償裝置，該裝置的固定電容器組采用諾基亞公司生產的電容器：PILP6.95 kV，456 kvar，6 組；配套電抗器：XKIB1000/10/6，2 臺；調節變壓器及控制器等采用北京思能達的產品。該類型無功補償裝置已經在多家煤礦企業運用，效果良好。

2.2 接觸器分組投切方式

接觸器分組投切方式屬于有觸點的動態無功補償裝置，有如下特點：①該方式屬于機械開關投切方式，響應時間慢；②靠接觸器觸點的開閉實現投切，觸頭容易燒結損壞；③可根據負荷的變化投入或切除部分電容器，有合閘涌流；④結構相對簡單，價格便宜。

以上特點決定了接觸器分組投切方式不適合用于容量大、電壓高的供、配電系統。實踐表明，該投切方式用于低壓0.38 kV、0.66 kV供電系統的動態補償中比較占優勢，維護簡單、價格便宜、事故率小，其接線如圖1所示。焦煤集團趙固二礦選煤廠0.66 kV配電系統（準備車間變電所、生產系統變電所及主廠房低壓變電所）的動態無功補償就是一例，從2010年5月份投產至今，設備運行狀況良好。

當然，接觸器分組投切方式在6 kV、10 kV供電系統也有應用，但由于頻繁投切造成觸頭過熱黏結、拒動的事故多有發生，實際應用逐漸減少。

2.3 TSC（晶閘管投切方式）

晶閘管投切動態補償裝置采用大功率晶閘管組成無觸點開關，對多級電容器組進行快速無過渡投切，克服了傳統無功補償裝置因采用機械開關投切導致投切涌流大，開關觸點燒損，對電容器損害大的缺點。實現了電容器組無沖擊、無涌流及無過渡過程投切。該投切方式與接觸器分組投切方式相比，主要區別在于TSC的執行元件由晶閘管取代了接觸器，其典型接線如圖2所示。投切的基本原理是控制器K實時跟蹤母線功率因數的變化，通過電信號（電壓、電流）的采集與邏輯處理，發出控制信號，確保晶閘管過零觸發，實現無觸點投切。

TSC動態無功補償裝置近些年來發展很快，廣泛應用于低壓供電系統及小容量中壓供電系統中。最近，筆者為義馬一水廠進行供電系統改造時，在6 kV兩分段母線上分別采用了一組該補償裝置（補償容量300 kvar），無論在產品價格上還是在應用性能上均為甲方所接受。該裝置與接觸器投切方式相比，更具有快速性，并且由于沒有合閘涌流，對母線上其他設備的影響也很小，只是價格上比其稍高。實際選型設計時，可以從技術、經濟上綜合考慮確定。

圖1 低壓供電系統中的接觸器分組投切方式接線圖

圖2 TSC型動態無功補償裝置接線圖（I段母線）

2.4 VQC（電壓調節型補償方式）

電壓調節型補償方式不同于以上3種補償方式（均為分組投切方式），它有如下特點：①電容器組整體投入；②電容器在額定電壓以下工作，大大延長了使用壽命；③通過分檔調節電容器的端電壓來調整補償容量。它解決了分組投切方式帶來的過電壓及涌流問題。控制器通過不斷采集母線電壓、電流等信號，計算出母線實際功率因數，并與預先設定值進行比較，動態調節有載分接頭的位置來實現無功補償，其典型接線如圖3所示。

圖3 VQC型動態無功補償裝置接線圖（I段母線）

對于大容量6 kV、35 kV中壓供電系統，一般采用VQC型，主要原因是電壓調節型無功補償方式與MCR、TCR相比，不采用晶閘管，運行可靠、故障率低且價格適中。平煤香山礦新建6 kV混合提升井變電所及上述提及的平禹三礦35 kV變電站改造即是筆者采用的該類補償方式。

2.5 TCR+FC（晶閘管控制電抗器補償方式）

晶閘管控制電抗器補償方式是20世紀末發展起來的先進補償裝置，它主要由兩部分組成：一部分是FC支路（無功補償部分）；另一部分是TCR支路（閥組控制部分）。FC支路的主要作用是提供容性無功功率及濾除高次諧波；TCR支路則是通過控制反并聯的兩個晶閘管的導通角調節電抗器感性無功電流的輸出，根據預先設置的控制算法，使負荷感性無功電流、電抗器感性無功電流和電容器組的容性無功電流維持在某種平衡狀態，從而使礦區供電網絡的功率因數穩定在某一數值附近（＞0.9）。

由于此類補償裝置價格較高，在整個電氣設備的投資中，占有相當大的比例。因此，低壓供電系統一般不采用，小規模的6kV、10 kV中壓供電系統也很少采用，而大容量的35 kV、110 kV中高壓供電系統應用較多。比如，鶴煤集團的大胡110kV變電站的6kV配電系統改造時就采用了株洲變流中心生產的TCR+FC型動態無功補償裝置，具體接線如圖4所示。其中固定電容器－FC支路安裝容量為4 200 kvar，晶閘管控制電抗器－TCR支路，安裝容量2 400 kvar.

圖4 TCR型動態無功補償裝置接線圖

2.6 MCR+FC（磁控制電抗器補償方式）

磁控制電抗器補償裝置也由兩部分組成：一部分是FC支路（無功補償部分），可以根據實際需要，選擇相應的濾波支路；另一部分是MCR支路（磁控電抗器部分）。它的工作原理大致與TCR+FC型動態無功補償裝置相同，也是通過控制晶閘管的導通角實現無功調節，所不同的是，晶閘管處于低壓電路中，通過調節導通角的大小來控制電抗器勵磁電流的大小，進而控制電抗器輸出感性無功電流的大小，其典型接線如圖5所示。從技術上講，磁控制電抗器補償裝置可用于0.38～110 kV等交流電力系統中，但同樣受投資因素的制約，煤礦企業主要用于35 kV、110 kV中高壓大型供電系統中。它與TCR+FC動態無功補償裝置相比，有以下優勢：①晶閘管回路電壓低，控制功率相對小，技術相對成熟，可靠性高；②體積小、占地少，所采用的磁控電抗器體積與同電壓級的變壓器相當，投資少；③維護量小，運行費用低。據統計，同類中有些產品可實現免維護，使用壽命達25年。

以上特點決定了MCR+FC型動態無功補償裝置比TCR+FC型動態無功補償裝置具有明顯的優勢。

與VQC型動態無功補償裝置相比，在投資成本上，MCR+FC型動態無功補償裝置略高；在技術應用上，VQC型屬于有級調節，MCR+FC型則屬于無級調節。具體采用哪種補償方式，應結合實際靈活處理。

圖5 MCR型動態無功補償裝置接線圖（I段母線）

3 結論

通過以上分析對比可知，煤礦供電系統無功補償裝置的選用不僅僅是一個技術問題，而且還需要把握實用性的原則。各種無功補償裝置各有特點，具體設計時，可結合煤礦的生產規模、技術條件、負荷大小及經濟狀況等因素，選擇適合該煤礦供電系統的無功補償裝置。

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