煤礦井下低壓無功補償技術探析

郭輝，蘭志恒，宋建成

(1．太原理工大學，山西 太原 030024;2．山西汾西機電有限公司，山西 太原 030027)

煤礦井下低壓無功補償技術探析

郭輝1，2，蘭志恒2，宋建成1

(1．太原理工大學，山西 太原 030024;2．山西汾西機電有限公司，山西 太原 030027)

煤礦井下電網普遍存在功率因數偏低的問題，造成供電系統電壓降加大和無功電流增大，使得電氣設備啟動困難，無功損耗嚴重。論述了煤礦井下低壓供電系統無功現狀以及無功補償技術在井下的發展應用情況，并且闡述了TSC井下低壓無功補償裝置的設計思想。

煤礦井下;無功補償;無功功率;TSC

1 引言

煤礦井下電網供電系統由于線路長、用電負荷大、存在大量感性負荷，這些感性負荷在配電系統中大量消耗無功功率，從而導致了系統功率因數的降低，造成供電線路電壓降加大和無功電流增大，使電動機起動困難，供電質量惡化。井下各用電設備長期在功率因數較低的情況下運行，電網的無功損耗極大。

2 煤礦井下低壓供電系統無功現狀

由于井下機械化設備不斷增加，煤礦已成為工業系統耗能大戶，電力消耗在煤礦生產成本中占有很大比例。從節電情況看，雖然加強了用電管理，推廣了部分節電產品，但遠遠沒有達到國家對重點煤礦企業節能降耗的要求。

煤礦井下采、掘、開、運、通系統，功率因素長期運行在0．4～0．7之間。隨著煤炭產量增加，巷道延伸，負荷增加，井下電能損耗相當嚴重，這種狀況在全國煤炭系統帶有普遍性，而且相當多的礦井沒有采取節電措施。

盡管目前煤礦地面中央變電所通常裝設高壓集中無功補償裝置來提高功率因數，但只能補償母線補償點之前供電線路上的無功功率，而該母線后即負荷方向的電網沒有得到有效補償。

3 煤礦井下低壓無功補償技術的發展應用

地面無功補償技術已經由傳統的同步調相機、并聯電容器發展為占主導地位的靜止無功補償裝置(SVC)，SVC可分為接觸器投切電容器(MCC)、晶閘管投切電容器(TSC)、晶閘管控制電抗器(TCR)以及兩者組合(TSC+TSR)、磁控電抗器(MCR)等多種類型，在不同應用場合都有大量的應用。比SVC更為先進的靜止無功發生器(SVG)近年來也開始應用于一些場合，技術不斷發展成熟。

無功補償技術近幾年開始應用于煤礦井下低壓供電系統，由于環境的特殊性，需要綜合考慮補償裝置的安裝空間、防爆性能、設備成本、散熱等問題。目前國內井下低壓無功補償裝置大多采用交流接觸器投切電容器組的方式，該方式價格低廉、控制簡單，有一定的推廣優勢。但此類產品在應用中有明顯的弊端，一是合閘涌流大，易燒損接觸器觸頭，縮短電容器的使用壽命;二是開關工作頻率低，難以快速跟蹤補償，切換周期一般為10～30s，在兩次切換之間，無論用戶負載電流如何變化，補償裝置仍按原數據補償，容易造成過補或欠補。

近年來，晶閘管投切電容器(TSC)得到了普遍重視。由于具有過零檢測、過零觸發的優點，響應速度快，合閘涌流小，無操作過電壓，無電弧重燃，從而基本上解決了交流接觸器投切時經常拉弧甚至于燒結而損壞的不良情況。但其自身也存在著明顯的不足，主要為成本較高;對晶閘管過零觸發控制電路性能有較高的要求;晶閘管運行中的電能損耗和發熱問題不可忽視，必須采用相應的散熱降溫措施。目前一般采用晶閘管和交流接觸器并聯的復合開關對電容器組進行投切控制，既充分利用了晶閘管的過零投切無涌流、快速跟蹤補償等優點，也充分利用了接觸器導通功耗低、容量大及工作安全可靠等優點。

4 TSC低壓無功補償裝置

4．1 TSC 關鍵技術

TSC的關鍵技術是投切電容器時，主回路無電流沖擊。選取投入時刻的總原則是，電容器投入的時刻即晶閘管開通的時刻，必須是電網電壓與電容器預先充電電壓相等的時刻。因為根據電容器的特性，當加在電容器上的電壓有階躍變化時，將產生沖擊電流，很可能破壞晶閘管或給電網帶來高頻振蕩等不利影響。

4．2 晶閘管閥組電路結構

煤礦井下供電為中性點不直接接地的三相三線制，為了使電容器在投入前與切除后始終保持在電網電壓峰值，形成電容器預充電回路，從而選用“2控3”的晶閘管電路結構。“2控3”結構(如圖1所示)為:用兩組半導體開關器件控制三相電容器的投入或切除。在“2控3”電路中，每路晶閘管閥組可以由兩個反并聯的晶閘管或者一只晶閘管和一只二極管反并聯組成，但在三相三線制供電系統中，采用兩個反并聯的晶閘管形不成上述的電容器預充電回路。

圖1 “2控3”電路結構示意圖

采用晶閘管與二極管反并聯的“2控3”結構方式，電容器投入前其電壓總是維持在電網電壓的峰值，一旦電容器電壓比電網電壓峰值有所降低，二極管都會將其電壓充電至電網峰值電壓。只要在電網電壓峰值時觸發晶閘管，就可避免電流沖擊，但是，由于二極管是不可控的，當要切除電容器支路時，最大的時間滯后為一個周波，因此其響應速度比兩晶閘管反并聯方式稍慢。

5 結語

在煤礦井下低壓供電系統(1140V、660V)裝設無功補償裝置，可用在綜采工作面移動變電站二次側對線路進行集中補償，也可用在井下變電所干式變壓器二次側或掘進、開拓等系統供電變壓器二次側對大容量用電設備進行單獨補償。使用補償裝置對供電網絡進行補償后，可以提高功率因數，減少線路無功電流，降低線路損耗和變壓器損耗，節約電費。同時也以提高線路端電壓，解決用戶電氣設備啟動困難的問題。

［1］ 王兆安，楊君，等著．諧波抑制和無功功率補償［M］．北京:機械工業出版社，2005．

［2］ 陸安定．功率因數與無功功率［M］．上海科學普及出版社，2004．

［3］ 崔智明，白宏峰，田文科．煤礦井下防爆動態無功補償裝置的研發與應用［J］．2008(11):74－75．

［4］ 張銀寶．淺談煤礦井下供電系統無功補償技術應用［J］．山西焦煤科技，2008(5):19－21．

Discussion on Low Voltage Reactive Com pensation Technology for Coal M ine Underground

GUO hui1，2，LAN zhi-heng2，SONG jian-cheng1
(1．Taiyuan University of Science and Engineering，Taiyuan 030024，China;2．Fenxi Electromechanical Co．，Ltd．，Taiyuan 030027，China)

The problems of lower power factor exist in the electric network of coalmine underground，which leads to the power supply system increase and reactive current increase，make electric equipment start difficultly and reactive loss serious．The paper discribes the reactive conditions of the low voltage powper supply system for coalmine underground and the development of reactive compensation technlogy and give a design idea of the low voltage reactive comcpensation detvice for TSC underground．

coalmine underground;reactive compensation;reactive power;TSC

TM56

B

1004－289X(2013)05－0009－03

2013－08－22

郭輝，男，山西文水人，工學/管理學學士，工程師，主要研究方向煤礦井下供電設備的開發與設計;

蘭志恒(19－)，男，山西山陰人，碩士，工程師，主要研究方向煤礦井下下節能設備的開發與設計;

宋建成(19－)，男，山西太原人，教授，博導，主要研究方向為電力系統自動化和智能電器技術。