煤礦無功功率的動態(tài)補(bǔ)償技術(shù)分析

劉建光

（山西煤礦設(shè)備安全技術(shù)檢測中心，太原 030045）

1 無功功率補(bǔ)償?shù)母拍?/h2>

許多用電設(shè)備是根據(jù)電磁感應(yīng)原理工作的，它們依靠交變磁場進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換和傳遞，為建立交變磁場和感應(yīng)磁通所需的電功率稱為無功功率；所謂“無功”并不是“無用”功率，只是該功率并不轉(zhuǎn)化為機(jī)械能和熱能，故在供電系統(tǒng)中除需有功電源外，還需無功電源。在功率三角形中，有功功率P與視在功率S的比值，稱為功率因數(shù)cos：

式中：P為無功功率，kW；S為視在功率，kW；Q為無功功率，kW。在電力網(wǎng)的運行中，功率因數(shù)反映了電源輸出的視在功率被有效利用的程度，希望功率因數(shù)越高越好，希望無功功率降到最小，視在功率的大部分用來供給有功功率，從而提高輸電能力。

1.1 影響功率因數(shù)的主要因素

1）大量的電感性設(shè)備（如異步電動機(jī)、感應(yīng)電爐，交流電焊機(jī)等）是無功功率的主要消耗者。據(jù)統(tǒng)計，工礦企業(yè)消耗的無功功率中，異步電動機(jī)的無功消耗占60%～70%，而在異步電動機(jī)空載時所消耗的無功又占到異步電動機(jī)總無功消耗的60%～70%。故要改善異步電動機(jī)的功率因數(shù)，就要減少異步電動機(jī)的空載運行并要提高負(fù)載率。

2）變壓器在輸電中的無功損耗Q：

式中：Se為變壓器的額定容量，kVA；I為變壓器的負(fù)荷電流，A；Ie為變壓器的額定電流，A；Uk%為變壓器阻抗電壓百分?jǐn)?shù)。變壓器的無功損耗與其額定容量、負(fù)載率、短路阻抗有關(guān)。一般約為其額定容量的10%～15%，它的空載無功損耗約為額定時的1/3。因此，變壓器不應(yīng)長期處于低負(fù)載運行狀態(tài)。

3）供電電壓超出額定范圍，會對功率因數(shù)造成很大影響，據(jù)統(tǒng)計，由于磁飽和及阻抗的影響，當(dāng)供電電壓為額定電壓的110%時，無功消耗將增加35%左右，故應(yīng)采取有效措施盡力保持供電電壓穩(wěn)定。

1.2 用電功率因數(shù)低時帶來的不良后果

2）增加電網(wǎng)中輸配電線路中的功率損耗和電能損耗。線路中的有功功率損耗ΔP：

式中：P為有功功率，kW；Q為無功功率，kW；U為電壓，V；r為電阻，Ω。

在輸送相同有功功率P的情況下，若功率因數(shù)低，Q就大，有功損耗增大。

3）增加電網(wǎng)中輸配線路中的電壓損耗，會使受電端電壓降低。若輸配電線路的電阻為r，電抗為x，其電壓損失ΔU為：

式中：P為有功功率，kW；Q為無功功率，kW；U為電壓，V；r為電阻，Ω；x為電抗，Ω。

功率因數(shù)低，Q就大，ΔU就大，會使受電端電壓降低。若電壓低于容許值，將嚴(yán)重影響異步電動機(jī)及其它用電設(shè)備的正常運行；特別在用電高峰時，因功率因數(shù)低而造成大面積電壓偏低，很多設(shè)備將無法啟動。

綜合上述，提高功率因數(shù)必須提高電網(wǎng)中各環(huán)節(jié)的功率因數(shù)，才能充分利用供電設(shè)備的有效容量，減少網(wǎng)損，降低線路的電壓損耗，達(dá)到節(jié)約電能和提高供電質(zhì)量的目的。

2 煤礦用電的特點及無功補(bǔ)償現(xiàn)狀

近年來，煤礦機(jī)械化程度有了新的提高，大型采、掘、運設(shè)備的投入，使煤礦用電負(fù)荷逐年增加。就目前大型煤礦而言，其用電特點如下：①煤礦安全規(guī)程要求，礦井供電電源必須是來自不同電源點的雙回路供電，主變壓器和主供電線路必須是一用一備，供電設(shè)施的安全可靠是煤礦供電的基本要求。②煤礦用電負(fù)荷變化大，頻次高。由于大型采、掘、運設(shè)備的投入，在交接班和井下檢修時，有功負(fù)荷只有正常生產(chǎn)時的30%，有功負(fù)荷的大幅度變化，會造成用電功率因數(shù)低；而在正常生產(chǎn)時由于無功功率不能達(dá)到跟蹤補(bǔ)償而造成井下電壓低，會給生產(chǎn)設(shè)備的正常啟動和運行帶來很大困難。③目前煤礦用的無功補(bǔ)償裝置還有很大一部分采用手動投切，在礦井負(fù)荷變化大、變化頻次高的情況下，頻繁投切電容器組幾乎是不可能做到的。即便補(bǔ)償容量能夠滿足最大無功補(bǔ)償量的要求，但因無功補(bǔ)償為分組投切，在有功負(fù)荷變化而需要無功負(fù)荷跟蹤增減時，很容易出現(xiàn)過補(bǔ)或欠補(bǔ)現(xiàn)象。④隨著煤礦開采的不斷延升，供電系統(tǒng)逐年加大，原有的供電系統(tǒng)將越來越不適應(yīng)大負(fù)荷長距離供電要求，引起最突出的問題是無功損耗增加和受電端電壓下降。除了用改變電力網(wǎng)參數(shù)來減少電壓損失和功率損耗外，改變電網(wǎng)中的傳輸功率是減少電壓損失和降低網(wǎng)損的有效途徑。

3 無功功率動態(tài)補(bǔ)償技術(shù)概況

靜止無功補(bǔ)償裝置（SVC）是相對于調(diào)相機(jī)而言的利用電容器和各種電抗器組成的一種無功補(bǔ)償裝置（提供可變的容性和感性無功），利用先進(jìn)的控制技術(shù)，不依靠斷路器能平滑控制動態(tài)無功功率。目前無功功率動態(tài)補(bǔ)償裝置較多，但能實現(xiàn)真正意義上的無功功率動態(tài)補(bǔ)償裝置，可有以下兩種：①FCDCMSR直流勵磁飽和電抗器型。實際是個大型功率磁放大器，是通過改變直流勵磁電流ic的大小，來改變工作繞組感抗XL，以實現(xiàn)調(diào)節(jié)輸出無功功率的目的。②FC-TCR型靜補(bǔ)裝置：它是將線性電抗器XL直接或通過中間變壓器接入電網(wǎng)母線，電抗XL是通過相控閥調(diào)節(jié)其感性電流，相控閥采用晶閘管，通過調(diào)節(jié)晶閘管導(dǎo)通角α來改變電抗器感性電流的大小,以實現(xiàn)調(diào)節(jié)無功功率輸出。③上述二種形式的補(bǔ)償裝置都能實現(xiàn)無功功率的自動調(diào)節(jié)，但無論那種型式都是通過改變電抗（或容抗）參數(shù)，來調(diào)節(jié)無功功率的輸出。因此運行中都產(chǎn)生高次諧波，功耗大，造價高。

4 電壓型SVC構(gòu)成原理簡介

電壓型SVC由自耦變壓器、有載調(diào)壓裝置、補(bǔ)償濾波支路和計算機(jī)測控系統(tǒng)構(gòu)成，見圖1。

圖1 電壓型SVC原理圖

電壓型SVC是由自耦變壓器和有載調(diào)壓裝置構(gòu)成電壓分級調(diào)節(jié)電路，電壓分級調(diào)節(jié)電路的輸出接入補(bǔ)償濾波支路，調(diào)節(jié)補(bǔ)償濾波支路兩端的工作電壓，可以改變補(bǔ)償濾波支路發(fā)出的無功功率。根據(jù)補(bǔ)償容量的需求和濾波要求，可設(shè)置濾除不同次數(shù)諧波的固定補(bǔ)償濾波支路FC和動態(tài)補(bǔ)償濾波支路SVC，從而實現(xiàn)無功功率的動態(tài)補(bǔ)償和諧波治理。

5 電壓型SVC的技術(shù)特點

①它是通過改變電容器受電電壓來調(diào)節(jié)電容器輸出的無功功率，而施加給電容器的端電壓則是根據(jù)母線無功功率實際消耗量隨機(jī)調(diào)節(jié)；且其級差量較小，補(bǔ)償量既不會過補(bǔ)，也不會欠補(bǔ)，始終保持在一個預(yù)先設(shè)置的水平。②調(diào)節(jié)換檔過程中由于過渡電阻的作用，電路不會處于斷路換路狀態(tài)。自耦變壓器為全程有載調(diào)壓，電容器的投入或切除均可實現(xiàn)零電壓投切，不會產(chǎn)生合閘涌流或操作過電壓。③自耦變壓器（比同容量的普通變壓器容量）小，有功損耗小，與TCR型SVC相比，只有其有功損耗的10%。④裝置運行中自身不產(chǎn)生諧波，不會給用電系統(tǒng)造成諧波污染，并可根據(jù)要求設(shè)計成具有濾除各次諧波的功能。⑤補(bǔ)償電容器只有在最大補(bǔ)償容量時才會達(dá)到其額定電壓運行，多數(shù)情況處于低于額定電壓的工作狀態(tài)，電容器運行可靠性高、壽命長。

6 結(jié)束語

本文探討煤礦用電進(jìn)行動態(tài)補(bǔ)償?shù)谋匾裕榻B無功功率靜止補(bǔ)償裝置（SVC）的工作原理及其存在問題，指出電壓型SVC的工作原理和技術(shù)特點。重視和采用無功功率動態(tài)補(bǔ)償，對煤礦的節(jié)能降耗將會做出積極貢獻(xiàn)。

[1]劉介才.工廠供電[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2005.

[2]陸安定.功率因數(shù)與無功補(bǔ)償[M].上海:上海科學(xué)普及出版社，2004.