煤矿电网无功补偿方式的优化选择与计算

张会娜，梁晓红

（平顶山工业职业技术学院，河南 平顶山 467001）

煤矿电网无功补偿方式的优化选择与计算

张会娜，梁晓红

（平顶山工业职业技术学院，河南 平顶山 467001）

随着大量电感性设备在煤矿中应用，造成功率因数降低，导致线路末端电压远低于允许范围，电器设备难以正常运转且经常受损，影响安全生产。同时，无功功率导致电网电能传输能力下降、线损加剧及能源浪费，提高了产煤成本。通过讨论功率因数低的危害、提高功率因数的方法比较、采用补偿电容器组补偿的装设方法以及高压集中无功补偿的计算等，对煤矿电网进行无功补偿，保证煤矿的安全生产和经济运行。

煤矿电网；功率因数；无功补偿；补偿电容器

0 引言

随着大量感应电动机或其它感性用电设备的应用及电感性用电设备不配套或使用不合理，设备长期轻载或空载运行，使电网功率因数过低。电力部门对用户的功率因数有明确的规定，要求高压供电（6kV及以上）的工业及装有带负荷调压设备的用户，功率因数应在0.95以上；要求其他电力用户的功率因数应为0.90以上；农业用户要求0.80以上。煤矿企业总变配电所6～10kV母线上的功率因数要求在0.95以上。

1 平均功率因数过低的危害

首先，功率因数过低会使电气设备的容量不能充分用；其次增加电源线路和矿内配电线路的功率损失：△Pw= 3Ica2Rw；三是增加电网末端的电压损失，使负荷电压质量降低：△U=（P·R+Q·X）/UN（一般X≫R）。

2 无功补偿提高功率因数的方法及特点

（1）并联移相电容器组。原理：利用电容器产生的无功功率与电感负载的无功功率相互交换，从而减少从电网吸收的无功功率，使得补偿装置处以前的电网无功负荷减少，提高了电网功率因数。

优点：投资省、有功功率损耗小、运行维护方便、故障范围小、无震动及噪声、安装地点灵活。缺点：只能有级调节，不能自动进行最佳补偿。当通风不良或电网电压超过额定电压时，电容器容易损坏。

（2）采用同步调相机。原理：同步调相机实际为一台大容量的空载运行的同步电动机，在过励磁时，其相当于一台无功发电机。在欠励磁时，相当于一台只消耗无功的电动机。

优点：可以根据电网需要无级调节无功功率。缺点：造价高，有功损耗大，需要专人管理维护、地面积大等。主要用于大型枢纽变电所。

（3）绕线式异步电动机同步化。对于负荷率不大于0.7及最大负荷不大于90% 额定功率的绕线式异步电动机，必要时可使其同步，即当绕线式异步电动机在起动完毕以后，向转子三相绕组中送入直流励磁，即产生转矩把异步电动机牵入同步运行，其运转状态与同步电动机相似，在过励磁的情况下，电动机可向电网送出无功功率，从而达到改善功率因数的目的。适用于对绕线式异步电动机进行单独补偿、电动机容量一般为95～1000kW。

3 补偿电容器组的装设方法及结线

（1）无功补偿点的设置。补偿位置在哪最合理呢？一般我们考虑把并联电容器安置在负荷较集中的地方或无功消耗严重的设备周围，如图1所示。在6～10kV线路上设置无功补偿电容器是十分必要的。而所需无功补偿容量，则由两个数值来界定，即变压器与线路的无功损耗值之和。对于无功补偿容量的界定超过所需，特别是在线路处于低负载之时，就容易无功过补的状况，而这一状况的出现，对于线路电压的稳定及降低线路损耗而言，无疑都是不利的。

图1 无功补偿的设置点与补偿区

补偿点越多降损效果越好。但是，补偿装置的初期投资中，是包括与补偿容量无关的 “固定费用”和与补偿容量成正比的 “设备费用”两部分组成，因此补偿点越多，初期投资越高。因此从经济效益出发，正确选择补偿点数量的原则应该是：多设一个补偿点所增加的固定费用，如果能从多降损所节省的电费中，并在一定期限（一般定为五年）内得到抵偿，则应增加一个补偿点，否则就不应增加。

（2）补偿电容器组的装设方法。根据装设地点的不同，无功补偿的范围也有所不同。对煤矿企业的供电系统，电力电容器组的设置如下：

高压集中补偿：高压集中补偿是将高压电容器组集中装设在煤矿变配电所的6～10kV母线上。这种补偿方式只能补偿6～10kV母线前所有线路上的无功功率，而此母线后的线路没有得到无功功率补偿。

高压集中补偿的优点是补偿装置根据负荷的大小自动投切，从而合理地提高了用户的功率因数，避免功率因数降低导致电费的增加。同时便于运行维护，补偿效益高，在一些大中型煤矿应用比较普遍。

低压成组补偿：低压成组补偿是将低压电容器装设在矿井变电所的低压母线上。这种补偿方式能补偿变电所低压母线前的无功功率。这种补偿能使煤矿主变压器的视在功率减小，从而使主变压器容量选得较小，使无功就地平衡，从而提高配变利用率，降低网损，因而比较经济。而且低压电容器柜可以安装在变电所低压配电室内，运行维护方便，因此这种补偿方式应用非常普遍。尤其对6～10kV供电的煤矿变电所大多数采用这种补偿方式。

单独就地补偿：单独就地补偿,又称个别补偿，是将补偿电容器组装设在需要运行无功补偿的各个用电附近。这种补偿方式能够补偿安装部位前面所有高低压线路和变压器的无功功率，因此补偿范围最大，补偿效果好。而且用电设备运行时，无功补偿投入，用电设备停运时，补偿设备也退出，因此不会造成无功倒送，具有投资少、占位小、安装容易、配置方便灵活、维护简单、事故率低等优点。

（3）补偿电容器组的结线方式。10kV及以下线路的补偿电容器组采用三角形结线。原因如下：①三角形结线可以防止电容器容量不对称而出现过电压；②三角形结线若发生一相断线，只是会使补偿容量减少，不至于严重不平衡。而星形结线若发生一相断线，就会使该相失去补偿，影响电能质量。

电容器补偿容量与所加电压的关系：

电容器采用三角形结线，每相电容承受线电压与采用星形结线时，每相电容承受相电压，补偿容量分别为：

上述说明，相同条件下，三角形结线时补偿容量是星形结线的三倍。

4 高压集中无功补偿的计算

（1）确定全矿6～10kV母线上的自然功率因数。设计阶段：

cosφ1=Pca.6/Sca.6

其中：Pca.6—全矿 6～10kV母线上的计算有功功率（kW）；Sca.6—全矿 6～10kV 母线上的计算视在功率（kVA）。已经生产的矿井中，功率因数计算公式为：

其中：Wwa—全矿月（年）的有功耗电量（kW·h）；Wre—全矿月（年）的无功耗电量（kVar·h）。

（2）使功率因数由cosφ1提高到cosφ2所需的补偿容量为：

其中：Pca—全矿6～10kV母线上的计算有功负荷（最大有功负荷，kW）。

（3）计算三相所需电容器的总台数N和每相电容器的台数n。三角形连接时，三相电容器总台数N为：

每相电容器的台数为：n=N/3。

（4）选择实际台数：计算出 N值后，考虑高压电网为单相电容器，故实际取值N应为三的整数倍。如果为单母线分段变电所，电容器组应分为两组安装在每段母线上，因此N应取六的整数倍。

5 应用实例

以平煤某矿地面变电所6kV母线月有功耗电量为4×106kWh，月无功耗电量为3×106kvarh，半小时有功最大负荷 P30=3×103kW，平均负荷率0.8。求将功率因数提高到0.95时所需电容器的补偿容量及电容器的台数 （该矿补偿电容器组的接线如图2所示）。

（1）求全矿自然功率因数：

图2 补偿电容器组的接线

（2）将功率因数提高到0.95所需电容器的补偿。容量为：

其中：KlO—负荷系数。按电网电压选择额定电压为6.3kV，额定容量为12kvar YY6.3-12-1型单相油浸移相电容器。

（3）确定电容器的总数量和每相电容器数。按三角形结线，所需电容器总数N为：

每相电容器数n为：n=N/3=93/3=31。

（4）考虑煤矿变电所均为单母线分段，故实际电容器的数目应为六的整数倍，故取N=96个。每段每相为16个。

6 结束语

无功补偿作为保持煤矿电网系统无功功率平衡、降低网损、提高供电质量的一种重要措施，已被广泛应用于各电压等级电网中。合理选择无功补偿，能够有效地维持系统的电压水平，提高电压稳定性，避免大量无功的远距离传输，从而降低有功网损，减少发电费用，提高设备利用率，无功补偿的合理应用是煤矿企业提高经济效益和社会效益的重要措施。

[1]戴晓亮.无功补偿技术在配电网中的应用[J].北京:电网技术,1999，6.

[2]刘介才.工厂供电[M].北京:机械工业出版社，2011.

[3]朱福桥，等.煤矿电网的无功补偿装置配置方案[J].沈阳:节能，2007，7.

[4]王秀兰.煤矿井下电网无功补偿与节能探析[J].山西:山西焦煤科技，2008，12.

Optimal Selection and Calculation of Coal Reactive Power Compensation

ZHANG Hui-Na，LIANG Xiao-Hong
(Pingdingshan Industrial Technology College,Pingdingshan Henan 467001,China）

As the massive inductive character equipment apply in the coal mine,causes the power factor to reduce,causing the line terminal voltage to be lower than permits the scope,the automated electric appliance is hard to revolve normally,and is damaged frequently,affects the safe production.Meanwhile,reactive power causes the electrical network electrical energy through-put capacity drop and circuit loss to intensify and energy waste,enhanced has produced the coal cost.Uses the installing method as well as the computation of high-pressured centralized that idle work compensation through discussion power factor low harm and comparison of power improvement factor the compensation condenser bank compensates,carries on the idle work compensation to the coal mine power line,the safe production and economy of guarantee coal mine.

coal power；power factor；static var compensator；compensation capacitor

TD61

：Adoi:10.3969/j.issn.1002-6673.2014.01.017

1002-6673（2014）01-047-03

2013－10－19

张会娜（1974-），女，河南许昌人，副教授，硕士研究生。1998年毕业于焦作工学院工业电气自动化专业。主要从事电器控制方面的教学和研究工作。