无功功率补偿技术在供电系统中的应用

2015-03-20夏飞雨

机械管理开发 2015年7期

关键词：功率因数电缆补偿

夏飞雨

（大同煤集团煤峪口矿，山西大同 037041）

1 井下煤矿供电系统的供电特点

1）煤矿井下工作环境恶劣，一些粉尘和瓦斯气体比较浓重，且井下供电巷道黑暗潮湿，一些电气设备和电缆经常被水淋湿。

2）电缆连接馈电设备和用电设备是煤矿井下供电系统的主要构成方法，由于这些设备用电功率往往都比较大并且经常会启动和停止，导致整个井下供电系统的整体供电负荷变化频繁。

3）井下供电系统的电缆大多铺设在狭窄的巷道内，而巷道极易被煤矿顶板掉落的煤块或者岩石砸中，导致对电缆线路造成严重的破坏，再者由于煤矿井下巷道一般都比较黑暗，铺设在巷道中的电缆，很容易被矿车以及其他机器设备轧到，造成电缆线路的破坏，影响到整个井下供电系统的可靠性和供电安全性。

4）井下供电系统供电电压变化比较大。这主要是由于井下一些供电设备（如在综采工作面上工作的大功率电机、带式输送机的驱动电机）经常在过载的状态下运行，在很多情况下煤矿一线工作人员都是对它们直接施行全压启动，而电机在启动的瞬间电流会瞬间增加，据估算这时的瞬间电流可达到设备额定电流值的6～12倍，这必然会对井下的整个供电系统造成极大的冲击，如果馈电设备的保护设备不能及时地应对这种冲击，直接会导致保险装置熔断，或者整个供电系统跳闸，导致井下会发生大面积的停电事故，会严重影响到整个电网供电的可靠性。为了应对这种现象的发生，这必然要对并联补偿电容器设备内的保护装置提出更高的要求［1］。

中性点不接地系统是我国煤矿井下供电系统采用的主要形式，当井下发生一相金属性接地故障时，可能造成两相短路，而发生严重事故。这主要是由于这种系统当有一相金属性接地时，未接地相会立刻升高，这样长期运行下去，如果这个系统的绝缘环节又比较薄弱，很可能会是这两相中的一相发生接地故障，导致和之前发生一相金属性接地的那相线路形成短路现象，发生严重事故。当电缆线路发生一相接地故障时，必须尽快切断故障电缆电源，因为绝缘线路不会自行恢复。在这种情况下一般不允许系统运行超过2h的工作时间［2］。

2 无功补偿技术的意义

1）无功补偿技术能为系统有效地节约电能，降低消耗。这主要是由于无功补偿技术能够很好地把供电系统中循环的无功功率补偿掉，把供电系统中用于补偿无功功率的这部分能源能很好地节约下来，实际上是为整个供电系统节约电能，降低了消耗。

2）可以对电网的功率因数有所提高，提高供电系统的利用率。电网中存在着大部分的感性电荷，而无功补偿设备在运行中提供容性的无功电流，二者可以互相抵消。因此减少了供电系统中的无功电流，提高了系统中的有效功率。

式中：cosΦ1为补偿后的功率因数；cosΦ2为补偿前的功率因数。

功率因数cosΦ1＝p／s1。如图1所示，显然cosΦ1＞cosΦ2，故补偿后提高了电网系统中有效功率。

图1 电网的功率因数计算图

无功功率补偿技术可以对煤矿井下电网的整体电压起到稳定的作用。由于井下感性用电负荷产生不稳定的电流，因此电网中会生成大量变化频繁的无功功率。采用无功功率补偿技术后，由于无功功率补偿技术具有就近原则，大部分的无功功率会被周围的无功补偿技术补偿掉，减少了井下供电系统的二次电压冲击，起到了稳定电网电压的作用。

3 矿用SVC治理谐波装置

SVC系统是由TCR和FC两块单元组成。如图2、3所示，它可以增加系统电能的利用率，很好地改善电网的供电质量，此装置用晶闸管控制电抗器加固定电容器即TCR＋FC型动态无功补偿装置来改善电能质量。TCR阀组采用三角形联接，FC支路采用星形连接［3］。

TCR支路说明。工作原理：TCR采用反并联晶闸管与相控电抗器串联，通过晶闸管移相控制电抗器的电流，自动调节感性无功，抑制电压波动，感善功率因子，吸收电网谐波。

图2 系统组成

图3 SVC补偿原理图

TCR控制器根据系统PCC点电压u、电流i来综合给出控制角α，用α来改变相控电抗器中的电流，也就是电感中的电流，从而实现平滑调节无功功率的目的。负载无功的变化是由TCR所产生的变化无功功率加以平衡，使得两者之和总是维持为常数，此常数感性无功功率被FC的容性无功功率相抵消，最终使得电网的功率因子保持在设定值，同时使得电压保持在要求的范围内。

4 煤矿供配电系统中无功补偿的方式

无功补偿的方式按照不同的方式分可以分为不同的补偿方式，按照补偿位置的不同，大致可以把无功功率的补偿方式分为三类：集中补偿、分散补偿、就地补偿。

1）集中补偿。集中补偿这种煤矿供配电系统补偿方式，它主要是通过装设无功功率补偿装置在地面降压变电所的母线上来实现的，由于它的操作比较简单，对无功功率补偿设备的维修管理也比较方便，并且对煤矿井下供电系统的电网、变压器和专用线路的无功负荷和电能消耗能有效的减少，所以它普遍被煤矿企业的相关工作者使用。

2）分散补偿。分散补偿这种煤矿供配电系统补偿方式主要是通过分散安装的方式来实现煤矿无功功率补偿效果的，具体主要是把这些分散补偿设备实行分散安装的方法，把它们分散开来。如分散安装在煤矿井下供电系统的10kV、3.3kV配电线路的主干线上，安装在低压侧用户配电母线的各个支路上，它主要是通过提高功率因数，降低线路电流的方式在达到无功功率补偿线损能量减少的目的。

3）就地补偿。就地补偿煤矿供配电系统补偿方式主要是通过把无功补偿装置直接安装于大功率用电设备附近，并且与电动机供电回路相并联的方式来实现无功功率补偿的，它的补偿优点是补偿方式的补偿能量交换距离最短，补偿效果最明显［4］。

就地补偿是节能补偿中最佳的补偿方式。随着煤矿工作面的不断延伸拓展，井下电网的供电线路在逐渐增长，而一些诸如掘进机、采煤机等大容量设备主要分布在末端线路，所以在电网末端的负荷中心处安装就地无功功率补偿装置，可以就地平衡无功电流，稳定电压，解决能源浪费的突出问题［5］。