宏吉煤礦供電系統無功補償優化設計

劉政冰

摘 要：對于煤礦供電系統，由于大功率交流異步電動機在礦山、采煤機、水泵、配電變壓器如大量的感性負載電阻的存在，其運行過程必然產生較大的無功功率、大量無功電流，導致供電電壓水平、電源、電能質量和電力轉換效率較低，直接影響煤礦供電系統的可靠性和安全高效運行。本文就宏吉煤礦供電系統無功自動補償技術的優化設計進行了探索研究。

關鍵詞：煤礦供電系統；無功補償技術；優化設計

中圖分類號：TM714 文獻標識碼：A

1.無功補償的原理

低壓無功功率補償的原理主要是通過控制電網輸出功率中的無功功率。在電網中，輸出的功率主要有兩部分，即有功功率與無功功率。有功功率可以直接消耗部分電能并把電能轉換成機械能、熱能、或者化學能。無功補償的作用和原理可由圖1來解釋：

設電感性負荷需要從電源吸取的無功功率為Q，裝設無功補償裝置后，補償無功功率為Qc，使電源輸出的無功功率減少為Q′=Q-Qc，功率因數由cosφ提高到cosφ′，視在功率S減少到S′。

視在功率的減少可相應減少供電線路的截面和變壓器的容量，降低供用電設備的投資。例如1臺1000kVA的變壓器，當負荷的功率因數為0.7時，可供700kW的有功負荷，當負荷的功率因數提高到0.9時，可供900kW的有功功率。同一臺變壓器，因為負荷的功率因數的提高而可多供200kW負荷，是相當可觀的。

可見，因采用無功補償措施后，電源輸送的無功功率減少了，相應的也使電網和變壓器中的功率損耗的下降，從而提高了供電效率。

由電壓損耗計算公式

可知，采用無功補償措施后，因通過電力網無功功率的減少，降低了電力網中的電壓損耗，提高了用戶處的電壓質量。

在實際電力系統中，大部分負載為異步電動機，包括異步電動機在內的絕大部分電氣設備的等效電路可看作電阻R與電感L串聯的電路，其功率因數為

將R、L電路并聯再接入電容C之后，電路如圖2（a）所示。該電路的電流方程為：

由圖2的相量圖可知，并聯電容后電壓U與電流I的相位差變小了，即供電回路的功率因數提高了。此時供電電流I的相位滯后于電壓U，這種情況稱為欠補償。

若電容C的容量過大，使得供電電流I的相位超前于電壓U，這種情況稱為過補償，其相量圖如圖2（c）所示。

2.宏吉煤礦供電系統無功補償技術優化設計

（1）優化方案的確定。將主變電所之前的兩組1440kvar電容器中的其中一組進行改造，將其改造為1800kvar的電容器，并進行自動無功補償方式的應用；將另一組改造為2700kvar的固定補償，同時，結合1800kvar磁控電抗器來對整個系統進行全面調節，這樣，當系統運行負荷相對較多時，可有效滿足負載對于無功方面的需求；若運行的負荷相對較少，過補的容量不足1800kar時，采用MCR將過補無功功率進行消除，若過補的容量超過了1800kva時，將對1800kvar的自動補償電容進行自動切除，剩余通過磁控電抗器進行消除。

（2）設計方案的實施。經調研采用了銀湖電氣設備有限公司的無功自動補償裝置，并在主變電所進行了安裝和運行。系統主要包括了真空接觸器、TBBC高壓并聯電容、GWk-Z無功自動補償裝置、磁控電抗器及其相關控制裝置等。其不僅可以對該煤礦供電網絡無功功率進行線性跟蹤，還可以以無功負荷改變情況為依據對補償電容進行自動投切，以便對系統的功率因數進行調節。GWK-Z無功自動補償裝置主要是以模糊控制策略為依據，采用控制器對電壓無功進行綜合性控制。電容器組主要是通過真空接觸器進行投切，若控制器所檢測的無功功率大于設定值時，控制器能夠以需要為依據對電容器組的級數進行投切，并將控制信號發出，對高壓真空開關進行自動化合閘，此時電容器組即可投入到運行中。反之，控制器將發出信號斷開高壓真空開關，此時，電容器將停止工作。

結語

自宏吉煤礦采用無功自動補償技術以來，功率因數有了顯著的提高，日均功率因數維持在0.98以上，并獲得了十分可觀的社會及經濟效益，有效減少了網損，對系統的諧波進行了有效的抑制，實現了無功電流的大幅減少，節約了大量的增容費用，推動了煤礦供電系統電能質量的逐步改善。

參考文獻

[1]靳龍章.配電網無功補償實用技術[M].北京：水利水電出版社，1997.

[2]吳文輝，劉會金.靜止同步補償器（STATCOM）的研究和發展[J].華東交通大學學報，2005，22（2）：89-94.