矿井供电系统无功补偿技术研究

杨国华 韩文康 盖森亮

摘要：随着对矿山全面自动化设备的持续投资，变频器及大容量、大功率非线性负载的应用日益广泛。这些设备在提升矿山工作效能的同时，也增加了矿山电网的负荷，引发电网谐波污染、电压波动以及电缆和用电设备的绝缘性能下降等问题，导致供电供应的安全性和可靠性降低，造成大面积停电、设备绝缘失效、漏电等安全生产事故。基于此，本文主要介绍煤矿井下供电的系统特征，从无功功率、电网谐波和设备瞬间起动三个方面入手研究无功补偿技术，探索适用于矿山用电特点的供电系统无功补偿方法，以供参考。

关键词：井下供电系统；无功功率；无功补偿技术

DOI：10.12433/zgkjtz.20240450

矿井供电在煤矿的供电供应中发挥着重要的作用。在煤炭企业的安全工作中，供电网络的能量因数对经济效益和供电网络的安全运营同样具有重要作用。由于矿山供电供应的结构复杂，电网在遭受强烈扰动时可能会出现薄弱环节，导致电压失稳。对无功进行适当的补偿可以有效防护电网电压，提升电压的稳定性，同时避免大范围的无功功率长程输送，降低有功功率损失和发电成本，有利于我国电力事业发展。

一、煤矿井下供电系统特征及无功补偿优势概述

（一）煤矿井下供电系统特征

矿井下的工作条件复杂，用电负载波动较大，会导致轻载率较高、功率因数较低、供电线路较长、电能损耗较高，再加上近年来矿井的综合开采工作对自动化程度的要求越来越高，这些都给矿井下的供电系统提出了很高的要求。在矿井的综采工作面，随着供电装置的单机功率和机组的总体积越来越大，供电装置与各种用电装置之间的距离也越来越远，由于供电设备的损耗，电力供应出现故障的概率会大大增加。

（二）无功补偿技术在煤矿井下供電系统中的应用优势

随着现代科技的进步和自动化程度的提高，矿井下使用的机械装备也日益趋向于大型化、综合化、自动化和智能化。在这种条件下，电力供应的无功将会增加，不仅造成大量的电力损耗，还会严重威胁矿井的供电安全。对此，矿井下供电系统采用一种有效的无功补偿技术，旨在降低电力损耗，改善供电方式，保证供电安全，这对煤炭行业的健康发展和整体经济水平的提升具有重要的现实意义。

二、无功补偿设计原理

近年来，随着我国煤矿技术的快速发展，各个矿井引进了大量的新技术、新设备，正朝着机械化、现代化的方向发展，例如，大功率变频提升设备、采掘设备等，其中许多设备都属于感性非线性设备，当它们开始运转时，要从系统中获取大量的有功功率和延迟无功功率。如果电网中的无功功率大幅下降，就会影响网络的安全与稳定。为了使网络的无功功率消耗得到快速补偿，需要在消耗的部分中添加无功，从而提升系统的功率因数，进而维持系统的电压稳定。

三、无功补偿装置设计

在减少电网电能损耗和补偿供电线路无功功率的同时，无功补偿装置还能减少供电电网的谐波，延长电缆和设备的使用寿命，提高电网的电能质量。该系统采用自换相桥型线路，经过一次电感连接后，与供电系统并联在一起，构成了一种新型的供电系统的无功功率补偿系统。该系统采用一种新的自换相桥型线路作为无功功率补充。这种线路由功率电子设备IGBT组成，利用CT控制器探测电网中的电流，然后在控制器的作用下，由一个自动切换相桥的线路吸收或释放相应无功，达到对电网的无功补偿。通过自动切换相桥的方式，对所设计的无功进行调节，能使无功补偿器有效地对无功进行吸收和输出。

在系统运行过程中，如果发生90°的先导无功流，系统将进入电容运行状态；如果网络电压比系统的输入电压高，系统将形成90°的回路，使系统工作处于感应模式。无功补偿设备可以利用控制器探测供电电网的谐波成分，在此基础上，控制单位电路产生与电网谐波幅度相同、频率相同但极性相反的补偿电流，以此消除电网谐波，有效治理供电系统。

四、无功发生器设计

无功发生器主要包括上位机、散热器、键盘、控制电路等核心部件。该装置能有效应对缺相、三相不平衡、过流、过压、短路、单元故障、欠压等各种问题。无功发生器的主要包括一个主回路和两个控制回路，其中，主回路包括放电回路、采样电路、逆变器、保险丝、充电电路、过滤器等元件；控制回路使用了先进的SPWM技术，包括电流追踪控制和检测。这两个方面可以分别完成对控制电路所需要的无功补偿电流与供电线路电流检测的功能，从而实现对电网谐波和无功的及时检测，以及对谐波和无功电流的补偿。该设备使用光电电压变压器变换大电流、高压以及从电源线输出的信号。在施加磁场的情况下，互测器可以使用光学水晶生成效应，解决矿井下精度低、隔离不完全的问题，从而实现高电压侧的电能设备隔离，使光信号不受电磁波的干扰，确保信号的准确性。

五、矿井供电系统中常用的静止无功补偿装置SVC

针对矿井供电系统中经常出现的负载变化所导致的无功损失，其对应的无功补偿也应做到实时改变。而静态无功补偿装置SVC固定开关多使用晶闸管，控制系统插入的电抗器与电容器的实际体积，从而实现对电网系统无功功率的连续快速可变补偿。

（一）静止无功补偿装置SVC的基本原理

TCR可控电抗是静态电压调节系统中的关键部件。单一可控电抗可以通过两个反向并联可控电抗组成一个单相可控电抗。而将其与供电系统中的其他可控电抗进行并列，可以组成一个电压调节回路。调整系统中的电容值，可以调整可控硅的开路角度，使其承受持续变化的无功。在实际应用中，一般需要与并联的电容相匹配，在用可控硅做电容的投切开关时，一般将这组静止无功补偿设备称为TCR+TSC型静止无功补偿设备。将两台逆并联的可控硅与一台电容相串接，可以组成可控硅开关。将可控硅开关与供电系统的并联设备连接，利用TCR+TSC型SVC，可以对电网系统的无功进行实时调整，具体如图1所示。

图1  与并联电容器配合使用的TCR

（二）SVC的应用

SVC能实现对电网系统的无功功率的快速、动态和连续调节。在煤矿变电站中使用SVC后，可以动态地对系统的无功功率进行补偿。利用SVC补偿后的功率因数，可以在系统许可的范围内，对其进行动态维护，使其保持稳定，从而有效控制整个系统的电压，提升矿山的电力供应质量。此外，SVC的使用还可以有效控制冲击性负载波动下的系统电压与闪变，避免发生电压坍塌，综合治理部分谐波。但SVC对系统参数的改变较敏感，如果系统参数设置不合理，或因为出现短路而导致参数发生改变，SVC就很容易将系统的谐波放大，引起共振，从而影响自身和其他电器装置。除此之外，SVC的维修成本很高，其应用能否降低带来的损失将成为日后研究的方向与动力。

六、矿井供电系统无功补偿技术的应用

（一）无功补偿技术在煤矿供电系统中的应用

在实际生产环节，电力供电系统设备包括三相异步电机和变压器等。这些设备在电力供应中经常产生感应负载，负载会在电力供应中进行无用功，给电力供应系统造成冲击性的无功负载，从而影响供电供应。另外，在无功电流的影响下，还可能造成矿山内的供电线路发生漏电、短路等问题，从而影响采矿工作正常开展，严重时，还可能威胁施工人员的生命安全。因此，要通过合理的方法，最大程度上减少矿山电力供应对电网的冲击，确保矿山生产顺利进行。

（二）无功补偿技术在功能损耗方面的应用

在煤炭矿山供电系统中，交流线路中的功率因是一个度量指标。无功功率不仅对供电企业有着显著的影响，在满足企业需求的同时也会产生相应的作用。因此，供电企业也会受到一定的影响。

第一，在煤矿机械设备运行过程中，为确保煤矿安全生产，必须保障供电设备的稳定运行。通过科技手段，有效防止电力过高的情况发生，从而提升线路的供电质量，减少电力损失。

第二，降低供电线路对电流的运输，保护体积较小的变压设备，确保变压器负荷稳定，加强对并联电容的管理。

第三，在运转过程中，可能出现一些无功功率，甚至引发其他的潜在问题，影响煤矿供电系统的电压波动，导致矿井供电系统不稳定。因此，将无功功率技术运用到煤矿供电系统中，可以抑制谐波，保护电力供应中的设备和线路，从而确保电力供应的稳定性。因此，煤炭企业应加强对煤炭资源的利用，确保其科学性、安全性和高效性。

第四，当规划煤炭资源的矿山供电线路时，应遵循国网的标准和规定，确保供电资源合理配置。

第五，在电力供应的实际操作中，科学规划电力供应中变电所的位置，同时借助无功补偿技术，实现对供电系统的最优补偿。

（三）合理选择滤波电抗器及电容器的接线方式

在矿井供电系统中，采用空心电抗技术时，应选用空心电抗器。空心电抗器的优势在于，磁路磁导率为常数，不受负荷电流的影响，且电感值平稳，因此，在矿井这样的大规模供电系统中，尤其适用于与该系统的电容相配合，形成一个串联共振装置。更重要的是，该设备结构简单、工艺简便，且具有良好的发热性能，使用起来很方便。

过去使用的电力供应方式基本上都采用三角接地方式，但此种接地方式容易产生不安全的问题。因此，在矿井中不能使用三角接线，而应采用星形接线的电容器，以此稳定电容器组的工作状态，避免出现安全问题。

七、矿井供电系统应用无功补偿技术的具体案例

（一）某矿井供电系统的具体情况

10kV低压侧以及220kV高压侧组成了某矿井的主要供电系统，提升、输送、通风、照面等设施是该矿井供电的主导荷载，其中，提升设施较易频繁启停，存在较大的荷载变化，无功功率较易形成。在没有应用无功补偿技术时，矿井的电力能效低、能耗大，并且因为缺少较好的电力网络质量，会出现电压瞬时减小或电压改变的情况，严重影响生产和设施的正常应用。

（二）应用无功补偿技术的改善

对于矿井供电系统面临的不足，在布设动态与静态无功补偿装置之后可以提升电力运行的稳定性。

（三）应用静态无功补偿装置

将静态无功补偿装置（一台50kvar的）安装在低压侧，此装置渗透了数字化控制技术，其特点是自动保护、稳定、反馈迅速等，在应用此装置之后，电力的功率因素和能效得以有效提升，电力成本支出得以减小。同时，电力运行中的电压减小，电压变化情况得到控制，电力设施可以稳定应用，生产安全性和效率得以有效提升。

（四）应用动态无功补偿装置

基于频繁启停电力设施的影响下，很多无功功率较易形成。为此，动态无功补偿装置（一台10Mvar的）具备迅速反馈技术、智能控制算法等优势，安装在低压侧，可以对电力的荷载改变做出迅速反馈，从而优化电力功率因数，确保无功损耗减少，提升电力系统的能效。应用动态无功补偿装置，不但实时补偿了电力的无功功率，提升了电力功率因数水平，而且提高了电力应用稳定性和安全性，从而提高生产效率，降低成本。

（五）具体应用效果

应用无功补偿技术显著提升了煤矿的电力能耗以及稳定性，具体体现在：提升了电力功率，降低了无功损耗，节省了15%的电力成本投入。同时，电力系统明显提升了可靠性，很好地抑制了电压的瞬时改变或波动情况，确保了电力设施的正常使用。总之，此矿井在应用无功补偿装置实现了理想效果。

八、结语

综上所述，无功补偿技术不但能够从各方面降低井下配电网的线路损失和变压器的无功损失，提高供电质量，还能够让矿井在开采过程中达到节约能源的目的。然而，工作人员在煤矿供配电中使用无功补偿设备时，要结合矿山的无功功率以及具体的实际状况认真选择，在技术上和经济上都要进行最优补偿，优先采用准确可靠的自动投切无功补偿设备。

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作者简介：杨国华（1979），男，山东省菏泽市定陶区人，本科，高级技师，主要研究方向为矿井供电。