無功功率補償技術在供電系統中的應用

夏飛雨

（大同煤集團煤峪口礦，山西 大同 037041）

1 井下煤礦供電系統的供電特點

1）煤礦井下工作環境惡劣，一些粉塵和瓦斯氣體比較濃重，且井下供電巷道黑暗潮濕，一些電氣設備和電纜經常被水淋濕。

2）電纜連接饋電設備和用電設備是煤礦井下供電系統的主要構成方法，由于這些設備用電功率往往都比較大并且經常會啟動和停止，導致整個井下供電系統的整體供電負荷變化頻繁。

3）井下供電系統的電纜大多鋪設在狹窄的巷道內，而巷道極易被煤礦頂板掉落的煤塊或者巖石砸中，導致對電纜線路造成嚴重的破壞，再者由于煤礦井下巷道一般都比較黑暗，鋪設在巷道中的電纜，很容易被礦車以及其他機器設備軋到，造成電纜線路的破壞，影響到整個井下供電系統的可靠性和供電安全性。

4）井下供電系統供電電壓變化比較大。這主要是由于井下一些供電設備（如在綜采工作面上工作的大功率電機、帶式輸送機的驅動電機）經常在過載的狀態下運行，在很多情況下煤礦一線工作人員都是對它們直接施行全壓啟動，而電機在啟動的瞬間電流會瞬間增加，據估算這時的瞬間電流可達到設備額定電流值的6～12倍，這必然會對井下的整個供電系統造成極大的沖擊，如果饋電設備的保護設備不能及時地應對這種沖擊，直接會導致保險裝置熔斷，或者整個供電系統跳閘，導致井下會發生大面積的停電事故，會嚴重影響到整個電網供電的可靠性。為了應對這種現象的發生，這必然要對并聯補償電容器設備內的保護裝置提出更高的要求［1］。

中性點不接地系統是我國煤礦井下供電系統采用的主要形式，當井下發生一相金屬性接地故障時，可能造成兩相短路，而發生嚴重事故。這主要是由于這種系統當有一相金屬性接地時，未接地相會立刻升高，這樣長期運行下去，如果這個系統的絕緣環節又比較薄弱，很可能會是這兩相中的一相發生接地故障，導致和之前發生一相金屬性接地的那相線路形成短路現象，發生嚴重事故。當電纜線路發生一相接地故障時，必須盡快切斷故障電纜電源，因為絕緣線路不會自行恢復。在這種情況下一般不允許系統運行超過2h的工作時間［2］。

2 無功補償技術的意義

1）無功補償技術能為系統有效地節約電能，降低消耗。這主要是由于無功補償技術能夠很好地把供電系統中循環的無功功率補償掉，把供電系統中用于補償無功功率的這部分能源能很好地節約下來，實際上是為整個供電系統節約電能，降低了消耗。

2）可以對電網的功率因數有所提高，提高供電系統的利用率。電網中存在著大部分的感性電荷，而無功補償設備在運行中提供容性的無功電流，二者可以互相抵消。因此減少了供電系統中的無功電流，提高了系統中的有效功率。

式中：cosΦ1為補償后的功率因數；cosΦ2為補償前的功率因數。

功率因數cosΦ1＝p／s1。如圖1所示，顯然cosΦ1＞cosΦ2，故補償后提高了電網系統中有效功率。

圖1 電網的功率因數計算圖

無功功率補償技術可以對煤礦井下電網的整體電壓起到穩定的作用。由于井下感性用電負荷產生不穩定的電流，因此電網中會生成大量變化頻繁的無功功率。采用無功功率補償技術后，由于無功功率補償技術具有就近原則，大部分的無功功率會被周圍的無功補償技術補償掉，減少了井下供電系統的二次電壓沖擊，起到了穩定電網電壓的作用。

3 礦用SVC治理諧波裝置

SVC系統是由TCR和FC兩塊單元組成。如圖2、3所示，它可以增加系統電能的利用率，很好地改善電網的供電質量，此裝置用晶閘管控制電抗器加固定電容器即TCR＋FC型動態無功補償裝置來改善電能質量。TCR閥組采用三角形聯接，FC支路采用星形連接［3］。

TCR支路說明。工作原理：TCR采用反并聯晶閘管與相控電抗器串聯，通過晶閘管移相控制電抗器的電流，自動調節感性無功，抑制電壓波動，感善功率因子，吸收電網諧波。

圖2 系統組成

圖3 SVC補償原理圖

TCR控制器根據系統PCC點電壓u、電流i來綜合給出控制角α，用α來改變相控電抗器中的電流，也就是電感中的電流，從而實現平滑調節無功功率的目的。負載無功的變化是由TCR所產生的變化無功功率加以平衡，使得兩者之和總是維持為常數，此常數感性無功功率被FC的容性無功功率相抵消，最終使得電網的功率因子保持在設定值，同時使得電壓保持在要求的范圍內。

4 煤礦供配電系統中無功補償的方式

無功補償的方式按照不同的方式分可以分為不同的補償方式，按照補償位置的不同，大致可以把無功功率的補償方式分為三類：集中補償、分散補償、就地補償。

1）集中補償。集中補償這種煤礦供配電系統補償方式，它主要是通過裝設無功功率補償裝置在地面降壓變電所的母線上來實現的，由于它的操作比較簡單，對無功功率補償設備的維修管理也比較方便，并且對煤礦井下供電系統的電網、變壓器和專用線路的無功負荷和電能消耗能有效的減少，所以它普遍被煤礦企業的相關工作者使用。

2）分散補償。分散補償這種煤礦供配電系統補償方式主要是通過分散安裝的方式來實現煤礦無功功率補償效果的，具體主要是把這些分散補償設備實行分散安裝的方法，把它們分散開來。如分散安裝在煤礦井下供電系統的10kV、3.3kV配電線路的主干線上，安裝在低壓側用戶配電母線的各個支路上，它主要是通過提高功率因數，降低線路電流的方式在達到無功功率補償線損能量減少的目的。

3）就地補償。就地補償煤礦供配電系統補償方式主要是通過把無功補償裝置直接安裝于大功率用電設備附近，并且與電動機供電回路相并聯的方式來實現無功功率補償的，它的補償優點是補償方式的補償能量交換距離最短，補償效果最明顯［4］。

就地補償是節能補償中最佳的補償方式。隨著煤礦工作面的不斷延伸拓展，井下電網的供電線路在逐漸增長，而一些諸如掘進機、采煤機等大容量設備主要分布在末端線路，所以在電網末端的負荷中心處安裝就地無功功率補償裝置，可以就地平衡無功電流，穩定電壓，解決能源浪費的突出問題［5］。

5 結語

無功功率補償技術的應用，解決了煤礦供電系統電能損耗、電網質量等問題，給煤礦企業帶來巨大經濟效益的同時，也對礦井安全起到了重大作用，值得在煤炭行業中推廣使用。

［1］ 劉治宇.風凰山礦井下低壓電網無功功率補償及運行結果分析［J］.煤，2010（8）：67－68.

［2］ 王秀蘭.隔爆型無功功率自動補償裝置在煤礦井下低壓電網供電系統中的應用［J］.山西師范大學學報：自然科學版，2009（23）：64－65.

［3］ 王海珍，王彥文.新型礦用隔爆型無功自動補償裝置的研制［J］.煤礦機械，2000（1）：11－12.

［4］ 陳寶怡.提高電力系統用電功率因數方法［J］.煤礦機型，2005（8）：34－35.

［5］ 田艷兵.礦山井下供電系統無功功率因素與節能［J］.煤礦機械，2010（6）：40－41.