煤礦無功功率的動態補償技術分析

劉建光

（山西煤礦設備安全技術檢測中心，太原 030045）

1 無功功率補償的概念

許多用電設備是根據電磁感應原理工作的，它們依靠交變磁場進行能量轉換和傳遞，為建立交變磁場和感應磁通所需的電功率稱為無功功率；所謂“無功”并不是“無用”功率，只是該功率并不轉化為機械能和熱能，故在供電系統中除需有功電源外，還需無功電源。在功率三角形中，有功功率P與視在功率S的比值，稱為功率因數cos：

式中：P為無功功率，kW；S為視在功率，kW；Q為無功功率，kW。在電力網的運行中，功率因數反映了電源輸出的視在功率被有效利用的程度，希望功率因數越高越好，希望無功功率降到最小，視在功率的大部分用來供給有功功率，從而提高輸電能力。

1.1 影響功率因數的主要因素

1）大量的電感性設備（如異步電動機、感應電爐，交流電焊機等）是無功功率的主要消耗者。據統計，工礦企業消耗的無功功率中，異步電動機的無功消耗占60%～70%，而在異步電動機空載時所消耗的無功又占到異步電動機總無功消耗的60%～70%。故要改善異步電動機的功率因數，就要減少異步電動機的空載運行并要提高負載率。

2）變壓器在輸電中的無功損耗Q：

式中：Se為變壓器的額定容量，kVA；I為變壓器的負荷電流，A；Ie為變壓器的額定電流，A；Uk%為變壓器阻抗電壓百分數。變壓器的無功損耗與其額定容量、負載率、短路阻抗有關。一般約為其額定容量的10%～15%，它的空載無功損耗約為額定時的1/3。因此，變壓器不應長期處于低負載運行狀態。

3）供電電壓超出額定范圍，會對功率因數造成很大影響，據統計，由于磁飽和及阻抗的影響，當供電電壓為額定電壓的110%時，無功消耗將增加35%左右，故應采取有效措施盡力保持供電電壓穩定。

1.2 用電功率因數低時帶來的不良后果

2）增加電網中輸配電線路中的功率損耗和電能損耗。線路中的有功功率損耗ΔP：

式中：P為有功功率，kW；Q為無功功率，kW；U為電壓，V；r為電阻，Ω。

在輸送相同有功功率P的情況下，若功率因數低，Q就大，有功損耗增大。

3）增加電網中輸配線路中的電壓損耗，會使受電端電壓降低。若輸配電線路的電阻為r，電抗為x，其電壓損失ΔU為：

式中：P為有功功率，kW；Q為無功功率，kW；U為電壓，V；r為電阻，Ω；x為電抗，Ω。

功率因數低，Q就大，ΔU就大，會使受電端電壓降低。若電壓低于容許值，將嚴重影響異步電動機及其它用電設備的正常運行；特別在用電高峰時，因功率因數低而造成大面積電壓偏低，很多設備將無法啟動。

綜合上述，提高功率因數必須提高電網中各環節的功率因數，才能充分利用供電設備的有效容量，減少網損，降低線路的電壓損耗，達到節約電能和提高供電質量的目的。

2 煤礦用電的特點及無功補償現狀

近年來，煤礦機械化程度有了新的提高，大型采、掘、運設備的投入，使煤礦用電負荷逐年增加。就目前大型煤礦而言，其用電特點如下：①煤礦安全規程要求，礦井供電電源必須是來自不同電源點的雙回路供電，主變壓器和主供電線路必須是一用一備，供電設施的安全可靠是煤礦供電的基本要求。②煤礦用電負荷變化大，頻次高。由于大型采、掘、運設備的投入，在交接班和井下檢修時，有功負荷只有正常生產時的30%，有功負荷的大幅度變化，會造成用電功率因數低；而在正常生產時由于無功功率不能達到跟蹤補償而造成井下電壓低，會給生產設備的正常啟動和運行帶來很大困難。③目前煤礦用的無功補償裝置還有很大一部分采用手動投切，在礦井負荷變化大、變化頻次高的情況下，頻繁投切電容器組幾乎是不可能做到的。即便補償容量能夠滿足最大無功補償量的要求，但因無功補償為分組投切，在有功負荷變化而需要無功負荷跟蹤增減時，很容易出現過補或欠補現象。④隨著煤礦開采的不斷延升，供電系統逐年加大，原有的供電系統將越來越不適應大負荷長距離供電要求，引起最突出的問題是無功損耗增加和受電端電壓下降。除了用改變電力網參數來減少電壓損失和功率損耗外，改變電網中的傳輸功率是減少電壓損失和降低網損的有效途徑。

3 無功功率動態補償技術概況

靜止無功補償裝置（SVC）是相對于調相機而言的利用電容器和各種電抗器組成的一種無功補償裝置（提供可變的容性和感性無功），利用先進的控制技術，不依靠斷路器能平滑控制動態無功功率。目前無功功率動態補償裝置較多，但能實現真正意義上的無功功率動態補償裝置，可有以下兩種：①FCDCMSR直流勵磁飽和電抗器型。實際是個大型功率磁放大器，是通過改變直流勵磁電流ic的大小，來改變工作繞組感抗XL，以實現調節輸出無功功率的目的。②FC-TCR型靜補裝置：它是將線性電抗器XL直接或通過中間變壓器接入電網母線，電抗XL是通過相控閥調節其感性電流，相控閥采用晶閘管，通過調節晶閘管導通角α來改變電抗器感性電流的大小,以實現調節無功功率輸出。③上述二種形式的補償裝置都能實現無功功率的自動調節，但無論那種型式都是通過改變電抗（或容抗）參數，來調節無功功率的輸出。因此運行中都產生高次諧波，功耗大，造價高。

4 電壓型SVC構成原理簡介

電壓型SVC由自耦變壓器、有載調壓裝置、補償濾波支路和計算機測控系統構成，見圖1。

圖1 電壓型SVC原理圖

電壓型SVC是由自耦變壓器和有載調壓裝置構成電壓分級調節電路，電壓分級調節電路的輸出接入補償濾波支路，調節補償濾波支路兩端的工作電壓，可以改變補償濾波支路發出的無功功率。根據補償容量的需求和濾波要求，可設置濾除不同次數諧波的固定補償濾波支路FC和動態補償濾波支路SVC，從而實現無功功率的動態補償和諧波治理。

5 電壓型SVC的技術特點

①它是通過改變電容器受電電壓來調節電容器輸出的無功功率，而施加給電容器的端電壓則是根據母線無功功率實際消耗量隨機調節；且其級差量較小，補償量既不會過補，也不會欠補，始終保持在一個預先設置的水平。②調節換檔過程中由于過渡電阻的作用，電路不會處于斷路換路狀態。自耦變壓器為全程有載調壓，電容器的投入或切除均可實現零電壓投切，不會產生合閘涌流或操作過電壓。③自耦變壓器（比同容量的普通變壓器容量）小，有功損耗小，與TCR型SVC相比，只有其有功損耗的10%。④裝置運行中自身不產生諧波，不會給用電系統造成諧波污染，并可根據要求設計成具有濾除各次諧波的功能。⑤補償電容器只有在最大補償容量時才會達到其額定電壓運行，多數情況處于低于額定電壓的工作狀態，電容器運行可靠性高、壽命長。

6 結束語

本文探討煤礦用電進行動態補償的必要性，介紹無功功率靜止補償裝置（SVC）的工作原理及其存在問題，指出電壓型SVC的工作原理和技術特點。重視和采用無功功率動態補償，對煤礦的節能降耗將會做出積極貢獻。

[1]劉介才.工廠供電[M].北京:機械工業出版社，2005.

[2]陸安定.功率因數與無功補償[M].上海:上海科學普及出版社，2004.