矿井电力系统静止式无功补偿装置的原理及特点探析

2012-08-15赵鲲

科技视界 2012年26期

关键词：投切晶闸管电抗器

赵鲲

（神华宁夏煤业集团机电管理部宁夏银川 750011）

矿井电力系统静止式无功补偿装置的原理及特点探析

赵鲲

（神华宁夏煤业集团机电管理部宁夏银川 750011）

随着现代技术的发展，系统要求对无功进行动态补偿，因此出现了同步调相机，它在过励磁、欠励磁情况下，能根据系统无功变化情况发出系统所需的感性或容性无功功率，对系统进行无功功率补偿。由于该设备是旋转电动机，不仅存在运行噪声和损耗较大、维护复杂等自身缺陷，而且不能实现对系统无功的及时快速跟踪，因此，同步调相机不适合对系统无功进行动态、及时地补偿。

矿井供电；无功补偿；电能质量；无功冲击；智能电网；经济合理

0 引言

煤矿供电系统因其工作的特殊性要求，除必须双回路供电外，还必须保证其供电系统稳定工作，因此，必须尽量抑制电压波动、最大限度地消除各种干扰。但煤矿又具有绞车这种短时重复工作制负荷且功率较大，使得电压波动问题更加突出。由于对节能和安全等方面性能的提高，电力电子器件组成的电器传动自动化装置被广泛应用于供电系统中且其容量在不断增加。这些电控系统会对供电系统造成较大的启动无功冲击并产生大量谐波，电能质量变差，功率因数降低，使机电设备的运行效率下降，企业用电损失增加，用电费用增加，企业经济效益下降。谐波电流会对供电系统中的电器设备产生损害，不仅造成企业检修费用提高，而且对供电系统的安全稳定运行埋下很大隐患。基于以上分析，要求企业必须对供电系统存在的此类危害进行治理。无功功率补偿技术(SVC)是一种挖掘现有电力资源潜力、改善电能质量、消除此类事故隐患的行之有效的方法之一，对供电系统的安全稳定运行具有非常重大的意义。

1 矿井供电系统的问题分析

1.1 电能质量问题

供电系统中大量使用电力电子器件，而电力电子器件又是非线性的。因此，由电力电子器件组成的自动化装置电源侧电流不仅存在基波，还含有大量谐波，使得供电系统运行功率因数偏低，对供电系统造成较大无功冲击，供电系统电压波动问题突出。对于煤矿这种具有绞车类短时重复制负荷的供电系统，此类问题尤为严重，给供电系统的安全稳定运行埋下很大隐患，也会对供电系统中其他运行设备造成影响。随着电力电子器件容量的不断增大和它在供电系统中的广泛应用，电能质量问题越来越突出，对电能质量的治理要求也越来越急迫。

1.2 起动无功冲击问题

一方面，起动无功冲击使供电系统的电压发生波动，造成机电设备运行效率下降。另一方面，供电系统中大量无功的存在造成能源的大量浪费。我国供电部门对无功采取的收费方法为“反转正计”方式，即供电系统吸收无功功率与向电网反送无功功率，均计算无功电度，由企业支付费用，这就使得供电系统的功率因数更低，企业支付的电费也要增加，企业经济效益下降。

1.3 谐波对电气设备的损害

1.3.1 谐波对运行电机的损害

谐波对运行电机的主要损害是:运转损耗增加，电机机械振动增强从而产生更大噪声，甚至发生谐波过电压现象。

1.3.2 谐波对运行变压器的损害

谐波对运行变压器的损害主要是:运转损耗增加，产生一定温升，运行效率降低，变压器绝缘寿命缩短。

1.3.3 谐波对运行电缆和并联电容器的损害

谐波对运行电缆和并联电容器的损害主要是:发生谐波放大现象时，系统中并联电容器因为过电压或者过电流现象的发生而受到损坏，严重时将对整个供电系统的安全、稳定运行造成损害。

1.3.4 谐波对运行的变流装置的损害

谐波对运行的变流装置的损害主要是:发生电压畸变时，那些不可逆变的设备控制角产生异常，通过正反馈使系统的电压畸变放大，变流装置工作异常;对那些不可逆变的设备装置有可能因电压畸变而换流失败，情况严重时会使变流器装置损坏。

1.3.5 谐波对通信信号产生干扰，使正常信号传输受到影响。

1.3.6 谐波对供电系统中的继电保护装置也会产生损害。

2 静止式无功补偿装置的原理和特点

2.1 具有饱和电抗器的无功补偿装置的工作原理和特点

具有饱和电抗器的无功补偿装置分为自饱和电抗器补偿装置和饱和电抗器补偿装置两种。自饱和电抗器补偿装置是依靠电抗器自身铁芯的饱和特性来决定吸收和发出无功的大小，以此来稳定电压。饱和电抗器补偿装置是依靠工作绕组中控制电流的大小来控制自身的饱和程度，从而控制自身绕组的感抗，决定吸收和发出无功的大小。早在上个世纪60年代，这种装置就在英国制成，此后美国通用电气公司也制成了此类静止无功补偿装置。这种装置中的两类饱和电抗器费用较高，比普通电抗器要高出三倍;同时运行中还存在噪声及振动，且其铁芯损耗较大，是普通电抗器损耗的三倍;工作中调整时间较长，补偿速度较慢，这些缺陷的存在使其没有得到广泛应用。

2.2 晶闸管投切电容器的无功补偿装置的工作原理和特点

2.2.1 控制方式

依据控制物理量的不同，将晶闸管投切电容器的控制方式分为无功功率控制、功率因数控制和多参量综合控制。无功功率控制是依据实测的电流、电压及功率因数等参数，计算出应投入的电容容量，在电容器的组合方式中选出一组最相近又不过补的组合方式来进行电容器的投切。如果计算出应投入的电容容量小于电容器组中的最小值，则不进行投切，保持原补偿状态;如果计算出的应投入电容容量等于或大于电容器组中的最小值，则进行投切。功率因数控制是依据用户设定的功率因数，由实测功率因数控制所需投入的电容容量，电容器组投切后，只有当设定的功率因数在实测功率因数的最小值与最大值之间且电压在允许数值之内时，才能稳定工作。无功功率控制方式的控制和检测对象是同一物理量，技术上虽可行，但检测难度较大。功率因数控制方式的控制目标明确，但轻载时投切容易产生振荡，重载时投切又很难达到充分补偿。两种补偿方式都存在一定局限，而多参量综合控制方式即可解决这一难题。

2.2.2 投切方式

上世纪七十年代以来，所使用的补偿柜均为机械式接触器，有些至今仍在采用。该接触器触头三相不能分开，接触器的分合三相必须同时进行，对投切电容器来说无法选择适合的相位角。这使得一次性投入的电容值被限制，而不得不分几次将能一次性投入的电容进行投切，这必然会使补偿的准确性降低，装置的响应速度也必然会减慢。接触器在投切电容器时，会产生一定的冲击电流，经常会造成接触器触头间打火烧焊现象，使接触器发生故障，从而影响装置的正常工作。因此，在使用过程中必须经常对接触器触头进行维护，更换损坏严重的触头，这不但增加经费投入，而且对装置运行的可靠性也有很大影响。大功率晶闸管的出现为替换机械式交流接触器提供了可能。

2.2.3 补偿方式

目前，补偿方式分为三相分补、三相共补、混补。三相分补依据系统各相的无功功率补偿需求来进行无功补偿，投切相匹配的电容器组，电容器连接形式采用星形连接法。三相共补依据系统总的无功功率补偿需求来进行无功补偿，投切相匹配的电容器组，电容器连接形式为三角连接法。三相共补用两组晶闸管作为控制器件，在装置运行期间，为防止晶闸管损坏，提高装置运行可靠性，运行中必须对晶闸管两端的电压进行检测，只有电压为零时，晶闸管导通，这就是晶闸管的过零检测。