盾構機無功功率補償系統分析

郇利民 楊金虎 韓佳霖

摘 要：在盾構機電網系統中，無功功率補償是一個被忽略的問題，在現場運行過程中，無功補償裝置故障率非常高。表現在回路熔斷器燒毀或者補償電容燒毀。我們的盾構機所采用的都是標準型補償方式，這種補償方式在盾構機這個存在嚴重諧波污染的電網中所起作用利弊難以權衡。文章以一項目為例，通過計算系統功率因數及污染程度，結合現場問題，提出調諧型補償方式。并詳述計算過程。

關鍵詞：盾構機；功率因數；無功功率；調諧補償

引言

在盾構機電網系統中存在大量的感性負載，感性負載消耗著大量的無功功率，無功功率的存在對電網的影響主要有以下幾個方面：無功功率增加，導致電流增大和視在功率增加，從而使變壓器、控制設備和導線等電器設備容量增加；供電設備及線路損耗增加；變壓器及線路的電壓降增大，使電網電壓產生波動。

1 盾構施工現場存在的問題

在現場運行過程中，幾乎所有設備上的無功功率補償系統都存在以下的問題：現場檢測功率因數值偏低；始發不久就會出現補償回路的熔斷器燒壞，甚至有的工地電容器燒壞。針對此現象，對此問題做了以下分析。

1.1 項目分析

以直徑6.28m土壓盾構機項目為例，數據如表1所示。

表1 滿載運行功率參數

按照如上計算結果，除拼裝模式功率因數低于0.9外。整個電網系統無需補償就可以達到用電標準。但現場會發現實際檢測功率因數值有時候會低至0.6。出現這種現象是因為在計算過程中忽略了一個很重要的因素：電機負載。上述計算結果是在電機滿載運行時候的功率因數計算出來的。實際上，在掘進模式還是拼裝模式下，不是所有運行中的電機都能在額定功率下運行。電機在額定功率下的功率因數在0.9左右。小于額定功率運行時的功率因數為額定運行條件下的50%左右?？蛰d運行則更低只有20%左右。所以，如果按此情況根據現場實際電機使用率做個估算，其結果如下表2所示：（下列結果都以滿載功率因數的50%計算）

表2 50%負載運行功率參數

由表2可以看出，計算結果中功率因數已經小于0.9。這就說明，現場設備運行時，所有參與工作的電機都不在滿負載狀態工作，甚至有些電機長時間處于空載。所以導致現場檢測功率因數值比估算結果還要低。這就說明了前面提到的現場檢測功率因數偏低的現象。

2 補償原則

2.1 盾構機電網無功補償原則

盾構機上存在著非線性負載如刀盤主驅動變頻器。非線性負載產生大量諧波電流并注入到系統電網中。當電網存在諧波時，單純并聯電容器組的無功補償方式有如下弊端：并聯電容對諧波有放大作用，易發生串聯諧振或并聯諧振，使系統電壓及電流的畸變更加嚴重；由于諧波電流疊加在電容器基波電流上，使電容器的電流有效值增大，造成溫度升高，燒壞回路熔絲甚至燒壞電容器。

從表1可知，整個系統在掘進模式下的諧波污染大約為57%。無功功率補償原則為，當諧波污染大于25%時，就應該采取調諧型補償。調諧型補償即在補償回路中串聯電抗器。它可以有效抑制諧波，防止發生諧振。而盾構機的電網系統全部采用標準補償，這種補償方式在諧波污染如此嚴重的系統中無疑會出現諧振，放大諧波。導致電容器過載，產生發熱或燒壞。

2.2 調諧型補償算法

盾構機電網系統的諧波次數一般為5次。根據并聯電容裝置設計規范對調諧補償裝置的電抗率規定。背景諧波為5次及以上時，電抗率K取4.4%～6%。

3 結束語

與純電容補償回路相比，串聯電抗器后，電容器端電壓會升高，高于電網電壓，并使無功功率補償容量增加。所有選取電容器的設計電壓需要高于電網電壓，選擇與之匹配的電抗器。同時電抗率是該裝置的重要參數，這一參數需根據電網頻譜特性選擇。此種補償方式能使回路的調諧頻率低于網絡中產生的最低次諧波頻率。這樣，該裝置在工頻時呈容性，改善功率因數；在諧波頻率時呈感性，防止諧波放大，防止產生過大的沖擊電流。燒壞回路的元器件。所以，串聯進電抗器后的補償回路不會出現上面所說的燒壞回路斷路器或者電容器的現象。

提高整個系統的功率因數，有利于充分利用電源設備容量，改善供電質量，同時也是響應國家節能環保號召的實際體現。

參考文獻

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