無功功率補償裝置在煤礦井下的應用

孫林艷+史大新

摘 要 針對目前煤礦井下供電系統中功率因數普遍偏低的情況，分析煤礦井下無功補償的意義，結合現有各井下無功補償裝置的特點，通過一個實際設計案例的具體數據計算，得出井下無功功率補償裝置應用的可行性。

關鍵詞 煤礦井下；功率因數；無功補償裝置

中圖分類號：TD609 文獻標識碼：A 文章編號：1671-7597（2014）07-0118-02

隨著現代化礦井快速發展，機械化程度不斷提升，工作面設備至供配電硐室距離不斷增大，大功率電機大量使用，用電設備與電網供電電源之間必然循環著大量無功功率，造成供電質量惡化和電能嚴重浪費。目前各煤礦井下低壓供電系統中的功率因數普遍在0.5-0.7之間，嚴重影響整個礦井的功率因數，使得煤礦井下無功補償的作用極為重要。

1 煤礦井下無功補償的意義

1）提高功率因數。

2）提高變壓器的利用率。

3）減小電壓損失、改善電壓質量。

4）治理諧波，凈化井下電網。

5）穩定電網電壓。

6）減少電氣事故率，延長設備使用壽命。

2 井下無功補償裝置

1）礦用一般型高壓無功補償裝置。該裝置額定電壓等級為6 kV、10 kV，其特點是采用高壓專用真空接觸器投切，投切組數按用戶確定補償的路數及每路的容量設定。該裝置可以安裝于井下無瓦斯煤塵爆炸的井下中央變電所，利用高壓電纜連接于井下變電所的各段母線的饋線柜上。

其缺點為外殼防護等級為礦用一般型，不能應用于高壓大功率電機的無功補償，另外就是根據《并聯電容器裝置設計規范》中第8.1.4條及《10 kV及以下變電所設計規范》中第5.3.1條，高壓電容器裝置宜設置在單獨房間內的要求，需要在變電所附近設置專門的硐室用來安裝高壓無功補償裝置。

2）礦用隔爆型無功功率自動補償裝置。礦用隔爆型動態無功功率自動補償裝置是用于甲烷和煤塵爆炸危險的礦井中1140 V、660 V供電系統進行無功功率自動補償的專用設備。該設備可與煤礦井下供電系統中的移動變電站或干式變壓器并聯使用，可應用于綜采、掘進、運輸等負荷。

特點是：實時跟蹤井下供電系統的電氣參數，根據設定目標自動投切補償支路，補償無功功率，有些裝置可以濾除部分高次諧波，有效改善電網電能質量，達到節能降耗的目的。

3）礦用隔爆型無功功率終端補償器。礦用隔爆型低壓無功終端補償裝置是與用電設備安裝在同一位置的就地補償裝置，是最理想的無功功率補償方式，節能效果最好。

特點是體積小，重量輕，隨不同的電機配置合適的電容，補償效果好，保護功能齊全。

3 無功補償裝置應用范例

以某礦井井下供電系統為例，對井下其中一組單母線分段系統補償設計前后的供電系統予以說明。

3.1 供電系統現狀

本例采用某礦井下主變電所其中的一組單母線分段系統，安裝總容量為16255.20 kW，負載總容量13523.20 kW，補償前視在功率為12725.08 kVA，平均功率因數0.79，將平均功率因數補償至0.94以后，視在功率為11680.08 kVA。

變電所至移動變電站至終端負載的距離100 m到2500 m不等。電纜截面有240 mm2、120 mm2、50 mm2多種規格。各終端負載每天用電時間也不盡相同。

3.2 無功補償方案的確定

根據供電系統圖以及就地補償優先的原則，對本礦井采用集中補償，分散補償和就地補償相結合的補償方式。在井下中央變電所，采用礦用一般型高壓無功補償裝置對中央變電所的10 kV高壓母線段進行集中補償。移動變電站至盤區變電所較遠，在移動變電站采用礦用隔爆型動態無功補償裝置對移動變電站進行分散補償。另外對一些大功率的660 V設備進行就地補償。

3.3 補償前后電流及功率的計算

僅以移動變電站TM1，TM2所在回路為例進行計算，設備工作容量2520 kW，2520 kW計算，功率因數按從COSφ=0.65提高到COSφ=0.79計算。TM2一側電纜長度為2.5 km，一次側電纜截面為95 mm2，阻值R=0.25 Ω/km，二側電纜長度為0.05 km，共4根，二次側電纜截面為150 mm2，阻值R=0.17Ω/km；TM1一側電纜長度為0.6 km，一次側電纜截面為185 mm2，阻值R=0.15 Ω/km，二側電纜長度為0.05 km，共4根，二次側電纜截面為150 mm2，阻值R=0.17 Ω/km，兩個變壓器容量均為3150 kVA，短路損耗12.8 kW，短路阻抗電壓百分數5.5%。根據公式：

折算到變電站一次側補償前后的電流為：

補償前一次側電流I21=223.84 A

補償后一次側電流I21'=184.17 A

折算到變電站二次側補償前后的電流為：

補償前二次側電流I22=1963.51 A

補償后二次側電流I22'=1615.55 A

則補償后，從移動變電站到井下變電所再到皮帶運轉機降低的線路損耗為：

ΔP=3（I2-I'2）RL

ΔP21=3×（223.842-184.172）×0.25×2.5=30.35 kW

ΔP22=3×（1963.512-1615.552）×0.17÷4×0.05=7.93 kW

ΔPTM=（P/S）2（1/COS1-1/COS2）（Pk+λQk）

=（P/S）2（1/COS1-1/COS2）（Pk+0.01λUk%S）

注：P取額定功率的70%

ΔPTM2=（0.7×2520/3150）2（1/0.65-1/0.79）（12.8+0.01×0.1×5.5×2500）=2.58 kWendprint

對于TM1則

折算到變電站二次側補償前后的電流為：

補償前二次側電流I12=1963.51 A

補償后二次側電流I12=615.55 A

ΔP12=3×（1963.512-1615.552）×0.17÷4×0.05=7.93 kW

補償前一次側電流I11=447.68 A

補償后一次側電流I11=368.35 A

ΔP11=3×（447.682-368.352）×0.15×0.6=17.48 kW

ΔPTM1=2.58 kW

3.4 井下變電所至地面變電所線路降耗的計算

井下主變電所干線計算如下：

I干11=I干21=988.32 A

I干12=I干22=830.61 A

ΔP干1=ΔP干2=55.94 kW

其他移動變電站一、二次側電流，功率均按此方式計算。

西翼盤區變電所干線計算如下：

I干31=I干41=447.68++27.09+65.38+79.94=620.09 A

I干32=I干42=368.35+22.01+53.12+57.74=501.21 A

ΔP干3=ΔP干4=3×（620.092-501.212）×0.15×1.6=95.98 kW

東翼盤區變電所干線計算如下：

I干51=I干61=365.52 A

I干52=I干62=292.57 A

ΔP干5=ΔP干6=28.0838 kW

ΔP支=ΔPTM總1+ΔPTM總2=151.28 kW

3.5 線路總降耗及變壓器降耗

將各段線路降耗匯總：

ΔP線總=ΔP干1+ΔP干3+ΔP干5+ΔP支

=55.94+95.98+28.08+151.28 kW=331.25 kW

變壓器的降耗按如下計算：P變總=13.1 kW。

3.6 經濟效益分析

整個補償網絡節能為P總=P線總+P變總=331.25+13.1=344.35 kW

年節約用電 344.35kW×18小時/天×350天/年=2169405 kW·h

年節約資金 2169405 kW·h×0.52元/kW/h=112.8萬元

可見進行無功補償后不僅為國家節能降耗作出貢獻，本礦的經濟效益也是十分可觀的，一般在五年左右即可收回投資。

4 結束語

目前1140 V，660 V隔爆無功補償裝置，高壓6 kV，10 kV礦用一般型無功補償裝置已經技術成熟，且在煤礦井下得到廣泛應用，并取得良好的效果。3300 V的隔爆無功補償裝置正處于研發階段，6 kV，10 kV高壓隔爆補償裝置目前市場還處于空白階段。在目前，如果采用三級補償，可能還存在一些問題，包括系統復雜，設備投資高，占地面積大，設備維護困難等，但是相信隨著人們對節能意識的增強以及補償技術的提高，完美的井下補償網絡應該會很快實現。

參考文獻

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[5]劉文蔚.煤礦井下供電系統動態無功補償技術研究[J].煤礦現代化，2010（4）.

作者簡介

孫林艷（1981-），女，河北衡水人，工程師，2004年畢業于河北建筑科技學院，現就職于中煤邯鄲設計工程有限責任公司電氣工程所從事電氣設計工作。endprint