煤礦電網無功補償方式的優化選擇與計算

張會娜，梁曉紅

（平頂山工業職業技術學院，河南 平頂山 467001）

煤礦電網無功補償方式的優化選擇與計算

張會娜，梁曉紅

（平頂山工業職業技術學院，河南 平頂山 467001）

隨著大量電感性設備在煤礦中應用，造成功率因數降低，導致線路末端電壓遠低于允許范圍，電器設備難以正常運轉且經常受損，影響安全生產。同時，無功功率導致電網電能傳輸能力下降、線損加劇及能源浪費，提高了產煤成本。通過討論功率因數低的危害、提高功率因數的方法比較、采用補償電容器組補償的裝設方法以及高壓集中無功補償的計算等，對煤礦電網進行無功補償，保證煤礦的安全生產和經濟運行。

煤礦電網；功率因數；無功補償；補償電容器

0 引言

隨著大量感應電動機或其它感性用電設備的應用及電感性用電設備不配套或使用不合理，設備長期輕載或空載運行，使電網功率因數過低。電力部門對用戶的功率因數有明確的規定，要求高壓供電（6kV及以上）的工業及裝有帶負荷調壓設備的用戶，功率因數應在0.95以上；要求其他電力用戶的功率因數應為0.90以上；農業用戶要求0.80以上。煤礦企業總變配電所6～10kV母線上的功率因數要求在0.95以上。

1 平均功率因數過低的危害

首先，功率因數過低會使電氣設備的容量不能充分用；其次增加電源線路和礦內配電線路的功率損失：△Pw= 3Ica2Rw；三是增加電網末端的電壓損失，使負荷電壓質量降低：△U=（P·R+Q·X）/UN（一般X?R）。

2 無功補償提高功率因數的方法及特點

（1）并聯移相電容器組。原理：利用電容器產生的無功功率與電感負載的無功功率相互交換，從而減少從電網吸收的無功功率，使得補償裝置處以前的電網無功負荷減少，提高了電網功率因數。

優點：投資省、有功功率損耗小、運行維護方便、故障范圍小、無震動及噪聲、安裝地點靈活。缺點：只能有級調節，不能自動進行最佳補償。當通風不良或電網電壓超過額定電壓時，電容器容易損壞。

（2）采用同步調相機。原理：同步調相機實際為一臺大容量的空載運行的同步電動機，在過勵磁時，其相當于一臺無功發電機。在欠勵磁時，相當于一臺只消耗無功的電動機。

優點：可以根據電網需要無級調節無功功率。缺點：造價高，有功損耗大，需要專人管理維護、地面積大等。主要用于大型樞紐變電所。

（3）繞線式異步電動機同步化。對于負荷率不大于0.7及最大負荷不大于90% 額定功率的繞線式異步電動機，必要時可使其同步，即當繞線式異步電動機在起動完畢以后，向轉子三相繞組中送入直流勵磁，即產生轉矩把異步電動機牽入同步運行，其運轉狀態與同步電動機相似，在過勵磁的情況下，電動機可向電網送出無功功率，從而達到改善功率因數的目的。適用于對繞線式異步電動機進行單獨補償、電動機容量一般為95～1000kW。

3 補償電容器組的裝設方法及結線

（1）無功補償點的設置。補償位置在哪最合理呢？一般我們考慮把并聯電容器安置在負荷較集中的地方或無功消耗嚴重的設備周圍，如圖1所示。在6～10kV線路上設置無功補償電容器是十分必要的。而所需無功補償容量，則由兩個數值來界定，即變壓器與線路的無功損耗值之和。對于無功補償容量的界定超過所需，特別是在線路處于低負載之時，就容易無功過補的狀況，而這一狀況的出現，對于線路電壓的穩定及降低線路損耗而言，無疑都是不利的。

圖1 無功補償的設置點與補償區

補償點越多降損效果越好。但是，補償裝置的初期投資中，是包括與補償容量無關的 “固定費用”和與補償容量成正比的 “設備費用”兩部分組成，因此補償點越多，初期投資越高。因此從經濟效益出發，正確選擇補償點數量的原則應該是：多設一個補償點所增加的固定費用，如果能從多降損所節省的電費中，并在一定期限（一般定為五年）內得到抵償，則應增加一個補償點，否則就不應增加。

（2）補償電容器組的裝設方法。根據裝設地點的不同，無功補償的范圍也有所不同。對煤礦企業的供電系統，電力電容器組的設置如下：

高壓集中補償：高壓集中補償是將高壓電容器組集中裝設在煤礦變配電所的6～10kV母線上。這種補償方式只能補償6～10kV母線前所有線路上的無功功率，而此母線后的線路沒有得到無功功率補償。

高壓集中補償的優點是補償裝置根據負荷的大小自動投切，從而合理地提高了用戶的功率因數，避免功率因數降低導致電費的增加。同時便于運行維護，補償效益高，在一些大中型煤礦應用比較普遍。

低壓成組補償：低壓成組補償是將低壓電容器裝設在礦井變電所的低壓母線上。這種補償方式能補償變電所低壓母線前的無功功率。這種補償能使煤礦主變壓器的視在功率減小，從而使主變壓器容量選得較小，使無功就地平衡，從而提高配變利用率，降低網損，因而比較經濟。而且低壓電容器柜可以安裝在變電所低壓配電室內，運行維護方便，因此這種補償方式應用非常普遍。尤其對6～10kV供電的煤礦變電所大多數采用這種補償方式。

單獨就地補償：單獨就地補償,又稱個別補償，是將補償電容器組裝設在需要運行無功補償的各個用電附近。這種補償方式能夠補償安裝部位前面所有高低壓線路和變壓器的無功功率，因此補償范圍最大，補償效果好。而且用電設備運行時，無功補償投入，用電設備停運時，補償設備也退出，因此不會造成無功倒送，具有投資少、占位小、安裝容易、配置方便靈活、維護簡單、事故率低等優點。

（3）補償電容器組的結線方式。10kV及以下線路的補償電容器組采用三角形結線。原因如下：①三角形結線可以防止電容器容量不對稱而出現過電壓；②三角形結線若發生一相斷線，只是會使補償容量減少，不至于嚴重不平衡。而星形結線若發生一相斷線，就會使該相失去補償，影響電能質量。

電容器補償容量與所加電壓的關系：

電容器采用三角形結線，每相電容承受線電壓與采用星形結線時，每相電容承受相電壓，補償容量分別為：

上述說明，相同條件下，三角形結線時補償容量是星形結線的三倍。

4 高壓集中無功補償的計算

（1）確定全礦6～10kV母線上的自然功率因數。設計階段：

cosφ1=Pca.6/Sca.6

其中：Pca.6—全礦 6～10kV母線上的計算有功功率（kW）；Sca.6—全礦 6～10kV 母線上的計算視在功率（kVA）。已經生產的礦井中，功率因數計算公式為：

其中：Wwa—全礦月（年）的有功耗電量（kW·h）；Wre—全礦月（年）的無功耗電量（kVar·h）。

（2）使功率因數由cosφ1提高到cosφ2所需的補償容量為：

其中：Pca—全礦6～10kV母線上的計算有功負荷（最大有功負荷，kW）。

（3）計算三相所需電容器的總臺數N和每相電容器的臺數n。三角形連接時，三相電容器總臺數N為：

每相電容器的臺數為：n=N/3。

（4）選擇實際臺數：計算出 N值后，考慮高壓電網為單相電容器，故實際取值N應為三的整數倍。如果為單母線分段變電所，電容器組應分為兩組安裝在每段母線上，因此N應取六的整數倍。

5 應用實例

以平煤某礦地面變電所6kV母線月有功耗電量為4×106kWh，月無功耗電量為3×106kvarh，半小時有功最大負荷 P30=3×103kW，平均負荷率0.8。求將功率因數提高到0.95時所需電容器的補償容量及電容器的臺數 （該礦補償電容器組的接線如圖2所示）。

（1）求全礦自然功率因數：

圖2 補償電容器組的接線

（2）將功率因數提高到0.95所需電容器的補償。容量為：

其中：KlO—負荷系數。按電網電壓選擇額定電壓為6.3kV，額定容量為12kvar YY6.3-12-1型單相油浸移相電容器。

（3）確定電容器的總數量和每相電容器數。按三角形結線，所需電容器總數N為：

每相電容器數n為：n=N/3=93/3=31。

（4）考慮煤礦變電所均為單母線分段，故實際電容器的數目應為六的整數倍，故取N=96個。每段每相為16個。

6 結束語

無功補償作為保持煤礦電網系統無功功率平衡、降低網損、提高供電質量的一種重要措施，已被廣泛應用于各電壓等級電網中。合理選擇無功補償，能夠有效地維持系統的電壓水平，提高電壓穩定性，避免大量無功的遠距離傳輸，從而降低有功網損，減少發電費用，提高設備利用率，無功補償的合理應用是煤礦企業提高經濟效益和社會效益的重要措施。

[1]戴曉亮.無功補償技術在配電網中的應用[J].北京:電網技術,1999，6.

[2]劉介才.工廠供電[M].北京:機械工業出版社，2011.

[3]朱福橋，等.煤礦電網的無功補償裝置配置方案[J].沈陽:節能，2007，7.

[4]王秀蘭.煤礦井下電網無功補償與節能探析[J].山西:山西焦煤科技，2008，12.

Optimal Selection and Calculation of Coal Reactive Power Compensation

ZHANG Hui-Na，LIANG Xiao-Hong
(Pingdingshan Industrial Technology College,Pingdingshan Henan 467001,China）

As the massive inductive character equipment apply in the coal mine,causes the power factor to reduce,causing the line terminal voltage to be lower than permits the scope,the automated electric appliance is hard to revolve normally,and is damaged frequently,affects the safe production.Meanwhile,reactive power causes the electrical network electrical energy through-put capacity drop and circuit loss to intensify and energy waste,enhanced has produced the coal cost.Uses the installing method as well as the computation of high-pressured centralized that idle work compensation through discussion power factor low harm and comparison of power improvement factor the compensation condenser bank compensates,carries on the idle work compensation to the coal mine power line,the safe production and economy of guarantee coal mine.

coal power；power factor；static var compensator；compensation capacitor

TD61

：Adoi:10.3969/j.issn.1002-6673.2014.01.017

1002-6673（2014）01-047-03

2013－10－19

張會娜（1974-），女，河南許昌人，副教授，碩士研究生。1998年畢業于焦作工學院工業電氣自動化專業。主要從事電器控制方面的教學和研究工作。