无功功率补偿装置在煤矿井下的应用

孙林艳+史大新

摘 要 针对目前煤矿井下供电系统中功率因数普遍偏低的情况，分析煤矿井下无功补偿的意义，结合现有各井下无功补偿装置的特点，通过一个实际设计案例的具体数据计算，得出井下无功功率补偿装置应用的可行性。

关键词 煤矿井下；功率因数；无功补偿装置

中图分类号：TD609 文献标识码：A 文章编号：1671-7597（2014）07-0118-02

随着现代化矿井快速发展，机械化程度不断提升，工作面设备至供配电硐室距离不断增大，大功率电机大量使用，用电设备与电网供电电源之间必然循环着大量无功功率，造成供电质量恶化和电能严重浪费。目前各煤矿井下低压供电系统中的功率因数普遍在0.5-0.7之间，严重影响整个矿井的功率因数，使得煤矿井下无功补偿的作用极为重要。

1 煤矿井下无功补偿的意义

1）提高功率因数。

2）提高变压器的利用率。

3）减小电压损失、改善电压质量。

4）治理谐波，净化井下电网。

5）稳定电网电压。

6）减少电气事故率，延长设备使用寿命。

2 井下无功补偿装置

1）矿用一般型高压无功补偿装置。该装置额定电压等级为6 kV、10 kV，其特点是采用高压专用真空接触器投切，投切组数按用户确定补偿的路数及每路的容量设定。该装置可以安装于井下无瓦斯煤尘爆炸的井下中央变电所，利用高压电缆连接于井下变电所的各段母线的馈线柜上。

其缺点为外壳防护等级为矿用一般型，不能应用于高压大功率电机的无功补偿，另外就是根据《并联电容器装置设计规范》中第8.1.4条及《10 kV及以下变电所设计规范》中第5.3.1条，高压电容器装置宜设置在单独房间内的要求，需要在变电所附近设置专门的硐室用来安装高压无功补偿装置。

2）矿用隔爆型无功功率自动补偿装置。矿用隔爆型动态无功功率自动补偿装置是用于甲烷和煤尘爆炸危险的矿井中1140 V、660 V供电系统进行无功功率自动补偿的专用设备。该设备可与煤矿井下供电系统中的移动变电站或干式变压器并联使用，可应用于综采、掘进、运输等负荷。

特点是：实时跟踪井下供电系统的电气参数，根据设定目标自动投切补偿支路，补偿无功功率，有些装置可以滤除部分高次谐波，有效改善电网电能质量，达到节能降耗的目的。

3）矿用隔爆型无功功率终端补偿器。矿用隔爆型低压无功终端补偿装置是与用电设备安装在同一位置的就地补偿装置，是最理想的无功功率补偿方式，节能效果最好。

特点是体积小，重量轻，随不同的电机配置合适的电容，补偿效果好，保护功能齐全。

3 无功补偿装置应用范例

以某矿井井下供电系统为例，对井下其中一组单母线分段系统补偿设计前后的供电系统予以说明。

3.1 供电系统现状

本例采用某矿井下主变电所其中的一组单母线分段系统，安装总容量为16255.20 kW，负载总容量13523.20 kW，补偿前视在功率为12725.08 kVA，平均功率因数0.79，将平均功率因数补偿至0.94以后，视在功率为11680.08 kVA。

变电所至移动变电站至终端负载的距离100 m到2500 m不等。电缆截面有240 mm2、120 mm2、50 mm2多种规格。各终端负载每天用电时间也不尽相同。

3.2 无功补偿方案的确定

根据供电系统图以及就地补偿优先的原则，对本矿井采用集中补偿，分散补偿和就地补偿相结合的补偿方式。在井下中央变电所，采用矿用一般型高压无功补偿装置对中央变电所的10 kV高压母线段进行集中补偿。移动变电站至盘区变电所较远，在移动变电站采用矿用隔爆型动态无功补偿装置对移动变电站进行分散补偿。另外对一些大功率的660 V设备进行就地补偿。

3.3 补偿前后电流及功率的计算

仅以移动变电站TM1，TM2所在回路为例进行计算，设备工作容量2520 kW，2520 kW计算，功率因数按从COSφ=0.65提高到COSφ=0.79计算。TM2一侧电缆长度为2.5 km，一次侧电缆截面为95 mm2，阻值R=0.25 Ω/km，二侧电缆长度为0.05 km，共4根，二次侧电缆截面为150 mm2，阻值R=0.17Ω/km；TM1一侧电缆长度为0.6 km，一次侧电缆截面为185 mm2，阻值R=0.15 Ω/km，二侧电缆长度为0.05 km，共4根，二次侧电缆截面为150 mm2，阻值R=0.17 Ω/km，两个变压器容量均为3150 kVA，短路损耗12.8 kW，短路阻抗电压百分数5.5%。根据公式：

折算到变电站一次侧补偿前后的电流为：

补偿前一次侧电流I21=223.84 A

补偿后一次侧电流I21'=184.17 A

折算到变电站二次侧补偿前后的电流为：

补偿前二次侧电流I22=1963.51 A

补偿后二次侧电流I22'=1615.55 A

则补偿后，从移动变电站到井下变电所再到皮带运转机降低的线路损耗为：

ΔP=3（I2-I'2）RL

ΔP21=3×（223.842-184.172）×0.25×2.5=30.35 kW

ΔP22=3×（1963.512-1615.552）×0.17÷4×0.05=7.93 kW

ΔPTM=（P/S）2（1/COS1-1/COS2）（Pk+λQk）

=（P/S）2（1/COS1-1/COS2）（Pk+0.01λUk%S）

注：P取额定功率的70%

ΔPTM2=（0.7×2520/3150）2（1/0.65-1/0.79）（12.8+0.01×0.1×5.5×2500）=2.58 kWendprint

对于TM1则

折算到变电站二次侧补偿前后的电流为：

补偿前二次侧电流I12=1963.51 A

补偿后二次侧电流I12=615.55 A

ΔP12=3×（1963.512-1615.552）×0.17÷4×0.05=7.93 kW

补偿前一次侧电流I11=447.68 A

补偿后一次侧电流I11=368.35 A

ΔP11=3×（447.682-368.352）×0.15×0.6=17.48 kW

ΔPTM1=2.58 kW

3.4 井下变电所至地面变电所线路降耗的计算

井下主变电所干线计算如下：

I干11=I干21=988.32 A

I干12=I干22=830.61 A

ΔP干1=ΔP干2=55.94 kW

其他移动变电站一、二次侧电流，功率均按此方式计算。

西翼盘区变电所干线计算如下：

I干31=I干41=447.68++27.09+65.38+79.94=620.09 A

I干32=I干42=368.35+22.01+53.12+57.74=501.21 A

ΔP干3=ΔP干4=3×（620.092-501.212）×0.15×1.6=95.98 kW

东翼盘区变电所干线计算如下：

I干51=I干61=365.52 A

I干52=I干62=292.57 A

ΔP干5=ΔP干6=28.0838 kW

ΔP支=ΔPTM总1+ΔPTM总2=151.28 kW

3.5 线路总降耗及变压器降耗

将各段线路降耗汇总：

ΔP线总=ΔP干1+ΔP干3+ΔP干5+ΔP支

=55.94+95.98+28.08+151.28 kW=331.25 kW

变压器的降耗按如下计算：P变总=13.1 kW。

3.6 经济效益分析

整个补偿网络节能为P总=P线总+P变总=331.25+13.1=344.35 kW

年节约用电 344.35kW×18小时/天×350天/年=2169405 kW·h

年节约资金 2169405 kW·h×0.52元/kW/h=112.8万元

可见进行无功补偿后不仅为国家节能降耗作出贡献，本矿的经济效益也是十分可观的，一般在五年左右即可收回投资。

4 结束语

目前1140 V，660 V隔爆无功补偿装置，高压6 kV，10 kV矿用一般型无功补偿装置已经技术成熟，且在煤矿井下得到广泛应用，并取得良好的效果。3300 V的隔爆无功补偿装置正处于研发阶段，6 kV，10 kV高压隔爆补偿装置目前市场还处于空白阶段。在目前，如果采用三级补偿，可能还存在一些问题，包括系统复杂，设备投资高，占地面积大，设备维护困难等，但是相信随着人们对节能意识的增强以及补偿技术的提高，完美的井下补偿网络应该会很快实现。

参考文献

[1]王正风.无功功率与电力系统运行[M].中国电力出版社，2009.

[2]王兆安，杨君.抑制谐波和无功功率补偿（第2版）[M].机械工业出版社，2006.

[3]Bimal KBose.现代电力电子学与交流传动[M].机械工业出版社，2006.

[4]《钢铁企业电力设计手册》编委会.钢铁企业电力设计手册上册[M].冶金工业出版社，1996.

[5]刘文蔚.煤矿井下供电系统动态无功补偿技术研究[J].煤矿现代化，2010（4）.

作者简介

孙林艳（1981-），女，河北衡水人，工程师，2004年毕业于河北建筑科技学院，现就职于中煤邯郸设计工程有限责任公司电气工程所从事电气设计工作。endprint