无功补偿技术在矿井供电系统中的应用

＊王振业

（太原化学工业集团工程建设有限公司 山西 030021）

大功率非线性负载的使用愈发频繁，增加了矿井电网负荷，降低电缆和用电设备的绝缘性能，无法保障供电系统的安全运行，可能引起设备绝缘失效、井下大面积停电等事故。无功补偿技术是解决各类煤矿用电问题的重要技术手段，在煤矿项目供电系统的优化工作中取得广泛应用，因此深入研究无功补偿技术具有重要意义，明确技术原理和应用方法，采用此项技术可以提高矿井供电系统的安全运行水平。

1.矿井概况

某矿井项目生产现场配置较多的大功率装置，并配备软启动器、变频器等辅助装置，线路的载荷量大，电力系统运行时的高次谐波电流含量高，在矿井负荷频繁变化的条件下，传统的固定无功补偿和静态电容补偿技术缺乏可行性。项目在10kV母线侧采用MCR型静止型动态无功补偿装置（MSVC），抑制电压波动，消除谐波，保证供电系统的功率因数稳定在0.95以上，保障供电系统安全的同时减少电能损耗，延长设备的使用寿命。

2.煤矿区电能质量的测试及分析

(1)煤矿现状

在煤矿运营初期，该煤矿采区的功率因数约为0.65，这导致电力系统需要支付额外的力率电费。此外，还会导致10kV侧的电压发生畸变，对系统中其他装置造成不利影响，因此，有必要对矿内电力系统进行改进测试。

(2)测试设备

装置型号为CA8334，精度等级为±0.5%，FFT窗口数量为4个，采样频率为12.8kHz。监测内容有系统电压、电流波形、无功功率、有功功率、系统电压与电流峰值、功率因数、50次之内谐波含量、系统电压与电流有效值、系统电压与电流相位的不平衡、系统总谐波的畸变率等。存储内容有瞬态值、波形记录、长时间趋势曲线记录及屏幕拷贝记录。

(3)测试内容

煤矿电能质量测试分析主要涉及以下内容：电网的次谐波电压、电流以及其谐波含有率；电网的电压和电流的总谐波畸变率；电网的谐波源定位；特定点的谐波流向；电网的频率和电压偏差；电网的电压不平衡度；特定点电压的波动和瞬变；特定点电压的暂降和短时间中断，以及供电的连续性。通过这些测试分析，可以确定矿井供电系统中影响电能质量的污染源。

(4)测试结果

在本次矿井供电系统的测试中，电流完成了三相测试。

①系统功率因数（PF）投运后数据结果如下：

L1、L2、L3的最大值，95%最大值及平均值，在投运后的PF系统功率因数的数值都相同，为0.7%、0.61%、0.67%；但L1、L2、和L3的最小值不同，分别为0.63、0.64、0.65。从上述结果得出，功率因数较小时，现场测试PE（额定功率）运行时的平均功率因数只有0.67%。

②总谐波电压畸变率（Vthd）的数据结果如下：

L1、L2、L3的最大值分别为8.9%、8.6%、8.47%；95%最大值分别为5.6%、5.51%、5.66%；平均值分别为7.1%、6.88%、6.83%；最小值分别为8.9%、8.6%、8.47%。从上述数值可以看出，因其L1、L2、L3的平均数值相差较大，故无功数值波动大且波动频繁。

(5)测试结果分析

矿区三相处于稳定状态，测试中表现出的主要电能质量问题为：

①无功波动变化次数多、幅度大。因电力系统的稳定运行状态受到谐波的影响，会使电压出现畸变现象，从而影响系统的电压质量，使之偏低。针对此问题，需采取控制措施以降低电网谐波畸变率，具体策略是用滤波补偿进行控制，在此技术策略下，逐步淘汰系统中的无功补偿设备。

②功率因数偏低，平均值仅为0.67%，有较大的提升空间。

3.无功补偿技术在矿井供电系统中的应用

(1)技术原理

无功功率动态补偿的原理图，如图1所示。

图1 无功功率动态补偿原理图

单相电路结构由系统、补偿器、负荷组成。图1中，U—电压；R—系统电阻；X—系统电抗，假设负荷基本维持稳定，则△U＜＜U，若R＜＜X，系统电压与无功功率的变化关系可通过图1（b）中的实线进行反映，原因在于系统电压基本维持稳定，图形中的横坐标可以用无功电流替换。而根据图中的特性曲线可知，其斜率为负，表明无功功率Q上升时，系统电压有降低的变化趋势，两者为负相关关系。

根据图1（b），确定其近似方程：

转化成：

式中：U0—无功功率等于0时的系统电压值；

SSC—系统短路时的容量。

对转化前后的近似方程进行分析可知，无功功率发生改变后，系统电压随之变化。若采用补偿器，则具有Q=QL+Qr的关系，即无功功率等于负荷与补偿器无功功率的总和。无功功率Qr向着QL反方向变化，Q维持恒定，则对应的关系是△Q=0，并进一步推出∆U=0，在此条件下，能够保证供电电压维持恒定。

(2)煤矿无功补偿需求

本煤矿项目供电系统的运行条件复杂，常规的机械投切式滤波电容器组缺乏可行性，适宜的方案是采用动态的静止型无功补偿设备，例如TCR型、MCR型的SVC设备均具有代表性。若在无功补偿中应用TCR型SVC设备，需注意在使用时要与水冷系统共用，因水冷系统的冷却力度强，可避免晶闸管阀组的温度偏高。

采用MCR型的SVC晶闸管，其操作难度降低，在操作过程中只需使电压达到标准即可，可忽略因连接方式不合理引起的问题，同时占据的空间较小，无论前期建造成本还是后期维修成本均较低，综合应用效果良好。

按电压级别分类，低压LC滤波器有0.4kV、0.66kV、1.0kV等类型。高压滤波有6kV、10kV、35kV等类型，其中应用较为广泛的是6kV和10kV。内部元器件的耐压程度不同是低压LC滤波器与高压滤波的主要差异，各自可承受的电流、对安全距离的规定均存在差异。在无功补偿中，根据电力系统中谐波电流值控制滤除的电流大小时，必须结合实际情况灵活地控制各系统中谐波滤除的量。根据经验，以系统谐波含量的20%～50%较为合适，可联合应用多组滤波器，集多装置的滤波优势于一体后，可以将滤波效果提升至70%左右，但若要达到此效果，必须同步进行保护线路的强化设计。

根据前述分析，确定如下方案：在提升矿区电能质量方面，采用MCR型磁阀电抗器与固定滤波电容器组的SVC设备；在无功补偿与滤除谐波方面，选择恒定的滤波电容器组。

(3)无功补偿装置的设计

通过无功补偿装置的应用，能够改善供电系统的运行状态。以电抗率为4.5%～6%的反应器为例，则避免的是5倍及5倍以下含有大量谐波。滤波设备在无功补偿装置中具有调谐的功能，过滤特征谐振频率的谐波，以保证对特定的特征谐波的吸收效果。根据现有硬件设施运行能力和技术水平，单调谐滤波器的吸收效果约为80%。在设计无功补偿装置时，还需考虑滤波设备的调谐作用，进行合理控制，以保证供电系统维持最佳运行状态。

恒定的FC设备主要包括3条滤波支路，谐振频率有240Hz、340Hz、540Hz，与系统的5次、7次、11次谐波相对应，其中5次支路为单调谐式结构模式，7次、11次为二阶高通模式，对11次及其以上的谐波有滤除效果。设计时，根据电力系统的最大无功需求控制系统的容量，并保证选择的MCR型磁阀式可调电抗器的容量保持一致，才可使组合应用正常，具体组合方式根据系统中负荷波动造成的无功大小灵活调整，直至无功功率可达到电力系统的运行要求为止。

高压开关柜作为系统的电源，还可提供过电压保护、过流保护、不平衡保护等保护功能。配置隔离开关，使FC设备与MCR设备相互独立。FC各支路中的组成设备较多，各自承担不同的功能，例如：喷逐式熔断器，可快速切断电容器与电网的连通状态，以免因电容器的故障向周边蔓延而造成大范围的不良影响；隔离开关，具有隔离功能，通过此开关做隔离处理，方便员工安全地检查和维修线路；滤波电容器和滤波电抗器，两类装置相互配合，滤除线路中的谐波电流，也可以调节支路中的谐振；放电线圈，与电容器并联，若在FC支路的运行中存在电容脱离线路的情况，将对电容器实行不平衡保护，减小该情况引起的不良影响。

(4)TCR型SVC和MCR型SVC的测试

以并联的方式连接高压TCR型SVC动态无功补偿设备与电容器组，可采用感性无功QL与容性无功QC共同确保功率因数的稳定性，实现动态的无功补偿。测试中，重点关注电流总谐波畸变率，即谐波与基波的电流方均根值的比值的百分数。此项指标可反映电流正弦波受谐波影响程度，电流正弦的畸变将由于电流总谐波畸变率的提高而加大，不利于供电系统及与之相关联用电设备的正常运行，存在如下危害：

①电流与电压正弦波形的畸变率较高时，电能质量降低，电力系统的供电服务效果变差，矿井生产现场的用电设备可能因供电服务差而难以稳定运行。

②与电力系统相关的用电设备存在明显的损耗，造成资源浪费。

③系统的功率因数将由于电流总谐波畸变率的提高而降低。

针对电流总谐波畸变率异常引起的各类问题，可以采取如下解决措施：通过TCR+FC动态无功补偿设备和MCR+FC动态无功设备对某条母线进行动态补偿，在确定此方案后，测试电能指标，评价两种方式的应用效果。测试结果如表1、表2所示。

表1 高压TCR电流总畸变率测试数据

表2 高压MCR电流总畸变率测试数据

根据表1、表2可知，高压TCR电流总谐波畸变率三相的测试数据平均值分别为28.50%、28.81%、29.59%，高压MCR分别为13.90%、12.10%、11.81%，相比之下，高压MCR电流总谐波畸变率更低（各相均是如此），表明MCR+FC动态无功补偿设备的应用方式能够取得更加良好的动态补偿效果。对于电力系统的无功补偿，可以优先考虑MCF+FC动态无功设备的方式，以此来减弱谐波对供电系统产生的不良影响，使供电系统维持稳定的运行状态。

4.结语

综上所述，煤矿开采项目对井下供电系统的运行性能提出较高的要求，需要通过技术手段优化井下供电系统，提高此系统的运行水平。在采用无功补偿技术后，可以解决供电系统电网质量差、电能损耗量大等问题，提供高品质的供电服务，满足煤矿开采设备的用电需求，帮助煤矿企业提高经济效益。经过本文的研究，提出无功补偿技术在煤矿供电系统中的应用方式，希望对同仁有参考意义。