礦井電力系統靜止式無功補償裝置的原理及特點探析

趙 鯤

（神華寧夏煤業集團機電管理部 寧夏 銀川 750011）

礦井電力系統靜止式無功補償裝置的原理及特點探析

趙 鯤

（神華寧夏煤業集團機電管理部 寧夏 銀川 750011）

隨著現代技術的發展，系統要求對無功進行動態補償，因此出現了同步調相機，它在過勵磁、欠勵磁情況下，能根據系統無功變化情況發出系統所需的感性或容性無功功率，對系統進行無功功率補償。由于該設備是旋轉電動機，不僅存在運行噪聲和損耗較大、維護復雜等自身缺陷，而且不能實現對系統無功的及時快速跟蹤，因此，同步調相機不適合對系統無功進行動態、及時地補償。

礦井供電；無功補償；電能質量；無功沖擊；智能電網；經濟合理

0 引言

煤礦供電系統因其工作的特殊性要求，除必須雙回路供電外，還必須保證其供電系統穩定工作，因此，必須盡量抑制電壓波動、最大限度地消除各種干擾。但煤礦又具有絞車這種短時重復工作制負荷且功率較大，使得電壓波動問題更加突出。由于對節能和安全等方面性能的提高，電力電子器件組成的電器傳動自動化裝置被廣泛應用于供電系統中且其容量在不斷增加。這些電控系統會對供電系統造成較大的啟動無功沖擊并產生大量諧波，電能質量變差，功率因數降低，使機電設備的運行效率下降，企業用電損失增加，用電費用增加，企業經濟效益下降。諧波電流會對供電系統中的電器設備產生損害，不僅造成企業檢修費用提高，而且對供電系統的安全穩定運行埋下很大隱患。基于以上分析，要求企業必須對供電系統存在的此類危害進行治理。無功功率補償技術(SVC)是一種挖掘現有電力資源潛力、改善電能質量、消除此類事故隱患的行之有效的方法之一，對供電系統的安全穩定運行具有非常重大的意義。

1 礦井供電系統的問題分析

1.1 電能質量問題

供電系統中大量使用電力電子器件，而電力電子器件又是非線性的。因此，由電力電子器件組成的自動化裝置電源側電流不僅存在基波，還含有大量諧波，使得供電系統運行功率因數偏低，對供電系統造成較大無功沖擊，供電系統電壓波動問題突出。對于煤礦這種具有絞車類短時重復制負荷的供電系統，此類問題尤為嚴重，給供電系統的安全穩定運行埋下很大隱患，也會對供電系統中其他運行設備造成影響。隨著電力電子器件容量的不斷增大和它在供電系統中的廣泛應用，電能質量問題越來越突出，對電能質量的治理要求也越來越急迫。

1.2 起動無功沖擊問題

一方面，起動無功沖擊使供電系統的電壓發生波動，造成機電設備運行效率下降。另一方面，供電系統中大量無功的存在造成能源的大量浪費。我國供電部門對無功采取的收費方法為“反轉正計”方式，即供電系統吸收無功功率與向電網反送無功功率，均計算無功電度，由企業支付費用，這就使得供電系統的功率因數更低，企業支付的電費也要增加，企業經濟效益下降。

1.3 諧波對電氣設備的損害

1.3.1 諧波對運行電機的損害

諧波對運行電機的主要損害是:運轉損耗增加，電機機械振動增強從而產生更大噪聲，甚至發生諧波過電壓現象。

1.3.2 諧波對運行變壓器的損害

諧波對運行變壓器的損害主要是:運轉損耗增加，產生一定溫升，運行效率降低，變壓器絕緣壽命縮短。

1.3.3 諧波對運行電纜和并聯電容器的損害

諧波對運行電纜和并聯電容器的損害主要是:發生諧波放大現象時，系統中并聯電容器因為過電壓或者過電流現象的發生而受到損壞，嚴重時將對整個供電系統的安全、穩定運行造成損害。

1.3.4 諧波對運行的變流裝置的損害

諧波對運行的變流裝置的損害主要是:發生電壓畸變時，那些不可逆變的設備控制角產生異常，通過正反饋使系統的電壓畸變放大，變流裝置工作異常;對那些不可逆變的設備裝置有可能因電壓畸變而換流失敗，情況嚴重時會使變流器裝置損壞。

1.3.5 諧波對通信信號產生干擾，使正常信號傳輸受到影響。

1.3.6 諧波對供電系統中的繼電保護裝置也會產生損害。

2 靜止式無功補償裝置的原理和特點

2.1 具有飽和電抗器的無功補償裝置的工作原理和特點

具有飽和電抗器的無功補償裝置分為自飽和電抗器補償裝置和飽和電抗器補償裝置兩種。自飽和電抗器補償裝置是依靠電抗器自身鐵芯的飽和特性來決定吸收和發出無功的大小，以此來穩定電壓。飽和電抗器補償裝置是依靠工作繞組中控制電流的大小來控制自身的飽和程度，從而控制自身繞組的感抗，決定吸收和發出無功的大小。早在上個世紀60年代，這種裝置就在英國制成，此后美國通用電氣公司也制成了此類靜止無功補償裝置。這種裝置中的兩類飽和電抗器費用較高，比普通電抗器要高出三倍;同時運行中還存在噪聲及振動，且其鐵芯損耗較大，是普通電抗器損耗的三倍;工作中調整時間較長，補償速度較慢，這些缺陷的存在使其沒有得到廣泛應用。

2.2 晶閘管投切電容器的無功補償裝置的工作原理和特點

2.2.1 控制方式

依據控制物理量的不同，將晶閘管投切電容器的控制方式分為無功功率控制、功率因數控制和多參量綜合控制。無功功率控制是依據實測的電流、電壓及功率因數等參數，計算出應投入的電容容量，在電容器的組合方式中選出一組最相近又不過補的組合方式來進行電容器的投切。如果計算出應投入的電容容量小于電容器組中的最小值，則不進行投切，保持原補償狀態;如果計算出的應投入電容容量等于或大于電容器組中的最小值，則進行投切。功率因數控制是依據用戶設定的功率因數，由實測功率因數控制所需投入的電容容量，電容器組投切后，只有當設定的功率因數在實測功率因數的最小值與最大值之間且電壓在允許數值之內時，才能穩定工作。無功功率控制方式的控制和檢測對象是同一物理量，技術上雖可行，但檢測難度較大。功率因數控制方式的控制目標明確，但輕載時投切容易產生振蕩，重載時投切又很難達到充分補償。兩種補償方式都存在一定局限，而多參量綜合控制方式即可解決這一難題。

2.2.2 投切方式

上世紀七十年代以來，所使用的補償柜均為機械式接觸器，有些至今仍在采用。該接觸器觸頭三相不能分開，接觸器的分合三相必須同時進行，對投切電容器來說無法選擇適合的相位角。這使得一次性投入的電容值被限制，而不得不分幾次將能一次性投入的電容進行投切，這必然會使補償的準確性降低，裝置的響應速度也必然會減慢。接觸器在投切電容器時，會產生一定的沖擊電流，經常會造成接觸器觸頭間打火燒焊現象，使接觸器發生故障，從而影響裝置的正常工作。因此，在使用過程中必須經常對接觸器觸頭進行維護，更換損壞嚴重的觸頭，這不但增加經費投入，而且對裝置運行的可靠性也有很大影響。大功率晶閘管的出現為替換機械式交流接觸器提供了可能。

2.2.3 補償方式

目前，補償方式分為三相分補、三相共補、混補。三相分補依據系統各相的無功功率補償需求來進行無功補償，投切相匹配的電容器組，電容器連接形式采用星形連接法。三相共補依據系統總的無功功率補償需求來進行無功補償，投切相匹配的電容器組，電容器連接形式為三角連接法。三相共補用兩組晶閘管作為控制器件，在裝置運行期間，為防止晶閘管損壞，提高裝置運行可靠性，運行中必須對晶閘管兩端的電壓進行檢測，只有電壓為零時，晶閘管導通，這就是晶閘管的過零檢測。

3 結束語

總之，現代電網無功補償技術的發展趨勢是向著優化補償和動態平滑調節方向發展。我國現在正大力發展智能電網技術，智能電網是以特高壓電網為骨干網架、各級電網協調發展的堅強電網為基礎，利用先進的通信、信息和控制技術，構建以信息化、自動化、數字化、互動化為特征的統一的堅強智能化電網。

［1］朱金奇.TCR+FC靜止型無功補償裝置(SVC)原理與應用[J].電氣工程與應用,2006(3):40-42.

［2］蘇玲,宋珊,陳建業.靜止無功補償器(SVC)應用的最新進展[J].國際電力,2004,8(1):44-49.

趙鯤（1978—），男，漢族，安徽阜陽人，2003年畢業于寧夏大學機電一體化工程專業，助理工程師，現主要從事煤礦電氣管理方面的工作。

王洪澤］