某煤礦無功補償系統改造

張滇　陳欣　張帆

摘 要：功率因數是電網考核用電企業的電能質量的重要參數之一，功率因數低于電網要求，用戶需要從電網吸收多余的無功功率，損耗大，電能質量差，還要面臨多使用的無功功率繳納的無功電費，因此針對功率因數不達標的工業用戶必須及時進行無功補償改造。

關鍵詞：無功功率；功率因數；無功補償

中圖分類號：TB1531.4 文獻標識碼：A 文章編號：1006-8937（2016）23-0022-02

某煤礦企業建設于十幾年前，采用集合式并聯電容器裝置，但限于負荷變化級差大，無功補償不是欠補就是過補，每年因為功率因數考核不達標繳納了高額的無功電費，也降低了該煤礦企業的電能質量。受該煤礦企業委托，結合實際情況，筆者對該煤礦無功補償系統進行的改造設計。

1 現有供電系統

煤礦35 kV變電站現有變電站內裝有2臺主變（35/10 kV，

20 000 kVA），高低壓側均為單母線分段接線，母線均分列運行。10 kV兩段母線分別為個負荷中心提供電源，10 kV出線二十六回。在10 kV兩段母線上分別掛接一套集合式并聯電容器裝置，具體參數，見表1和表2。

兩套集合式并聯電容器無功補償裝置目前均采用手動投切方式對系統進行無功補償，分1200、2400、3600三級投切。

2 現有供電系統電能質量

通過實際調研發現，目前的無功補償無法實時跟蹤系統負荷變化，以1#變壓器10 kV側為例進行采樣分析。煤礦35 kV變電站1#主變低壓側無功功率，如圖1所示。

從圖中負荷情況分析，目前煤礦早班為檢修班，負荷較少，中班與晚班為生產班，負荷偏大。經調研，負荷主要有主井提升設備、副井提升設備、主通風機、排水泵、采油泵等，部分為波動性負荷，2#變壓器系統與1#變壓器系統類似。

3 現有補償方式的弊端

采用手動投切的集合式并聯電容器無功補償裝置在對沖擊性負荷/動態負荷負荷補償時存在以下問題。

3.1 產生沖擊電流

投切時間不能控制，有沖擊電流，對電網產生沖擊，系統電壓波形產生缺口，嚴重時產生過電壓和過電流，降低供電質量和干擾弱電設備的正常運行。機械式開關如果多次動作會引起開關燒毀，降低使用壽命，影響了裝置自身的正常工作。

3.2 投切速度慢

采用開關投切電容器，開關動作速度慢，容易造成過補或欠補。

3.3 開關不能頻繁投切

重復投切電容器需要較長的放電過程，必須保證一定的時間間隔，無功補償失去控制。

3.4 電容器使用壽命短

對電容器在全壓狀態下的投切次數直接影響到電容器的使用壽命，頻繁投切會加快電容器容值衰減，出現過壓擊穿，甚至發生爆炸。

對于沖擊性負荷/動態負荷的系統，單純的采用靜態補償是無法滿足負荷對補償裝置無沖擊投切、頻繁投切、跟蹤補償的要求的。補償時必將出現無功欠補或無功到送。

4 改造方案

對現有的系統進行監測時發現1#變壓器無功功率在 -1 744～+3 696 kvar之間變化，2#變壓器無功功率在-2 855～

3 710 kvar之間變化，存在過補和欠補現象。從實際情況來看，要將現有的系統功率因數提高至0.95，采用3 600 kvar的補償容量不能滿足需求。

本次改造主要目的是：一是將現有無功補償裝置改造成動態跟蹤的無功補償方式，二是將無功補償容量提高，使系統功率因數高于0.95。

根據目前該煤礦供電系統負荷運行情況計算，將功率因數提升至0.95時無功補償容量單套不能小于5 000 kvar，改造時還需要考慮到將系統中存留的部分諧波濾除。

4.1 動態無功補償

目前比較成熟的動態無功補償主要分為三類，一是自動分組投切的電容器組，二是MCR型，三是SVG型。

第一種的自動分組投切的電容器組可實時監測系統情況，由負荷選擇投切的電容器組容量，對系統進行動態補償。但該補償形式存在明顯弊端，即自動投切的電容器組多采用接觸器投切，多次頻繁切斷、閉合容易產生過電壓對系統造成危害，頻繁投切還容易造成電容擊穿的嚴重后果，危害系統安全，比較適合級差穩定的補償需求。

第二種的MCR型動態無功補償裝置，采用無級調節（連續）實時對系統進行補償，相應速度快，采用自然冷卻方式，后期維護量小，技術成熟穩定，是理想的補償形式。該裝置通常采用磁控電抗器和FC支路組合的形式，既可無功補償又可安裝相應的濾波支路，MCR型動態無功補償裝置目前在煤礦供電系統中也大量應用。但磁控電抗器補償容大時體積較大，容易受占地限制。

第三種的SVG型動態無功補償裝置，它由晶閘管通過電抗器連接在系統中，可對系統的感性無功和容性無功進行補償，也可濾除系統諧波。在對系統進行補償時，能實時跟蹤負荷變化，通過晶閘管調整補償的容量，響應速度快，補償效率高。該裝置優點是占地小，補償速度快，動態跟蹤，實時響應。

4.2 改造方案

綜合來看，第一種的自動式分組投切電容器組明顯弊端較大，不適合負荷變化較大的該煤礦使用。MCR型和SVG型動態無功補償裝置均能滿足礦井無功補償的需求，改造成動態無功補償裝置后，有效補償容量與現有補償容量保持不變，以下將對該兩種方式提出相應改造方案。

方案一：利用原有的電容器組，保持現有的電容器設備不變的同時再增加1 400 kvar的電容器組，在無功補償系統中在增加兩臺單臺容量為5 000 kvar的磁控電抗器。工作時將現有的 5 000 kvar電容器組全部投入，配合新增的兩臺測控電抗器調節感性無功的輸出，達到系統無功平衡。

方案二：將原有的集合式電容器組完全拆除。安裝2套高壓SVG動態無功補償裝置，SVG有效補償容量5 000 kvar。該方案中SVG裝置不設置電容器柜，考慮到設備自身損耗和濾波功能設備最終容量由設備廠家計算得出。無功補償改造方案對比表，見表3。

以上兩種方案均可滿足將現有補償方式改造成動態補償的要求，兩種方案各有利弊。

方案一能有效利用現有設備，投資較少，但該方案不具備濾波功能。

方案二中SVG不設置電容柜，補償效果好。整體造價較高，但占地面積小，改造簡單，比較適合本次占地受限的改造項目。

5 結 語

改造項目要基于現有的系統考慮，考慮因素眾多，往往比新建項目更難設計。目前的各種無功補償手段都可達到提高功率因數的要求，但具體采用哪種技術還需要針對負荷性質、場地布局、設備投資、工程建設難易程度、對現有系統是否有影響等諸多因素來決定，各種技術都有適應的區域，需要靈活運用。

參考文獻：

[1] 羅強.新安煤礦供電系統無功補償優化改造[J].中州煤炭，2011，（1）.