無功補償技術在煤礦井下電網中的應用研究

李曉杰

（晉煤集團陽城晉圣固隆煤業有限公司，山西 晉城 048100）

隨著礦井綜合自動化設備不斷投入，變頻設備及大容量、大功率的非線性負載使用越來越多，造成礦井電網負荷持續增加，電網諧波污染、電網電壓波動加劇，嚴重時，可以導致井下大面積停電、設備絕緣失效、漏電等安全生產事故[1-2]。因此，針對上述煤礦用電問題產生的原因進行分析，研究適合煤礦供電特性的無功補償技術，對于提高礦井電網供電的穩定可靠性、避免供電事故的發生具有重要意義。

1 礦井供電問題分析及解決辦法

隨著國內高科技設備的不斷研發，煤礦設備也逐漸向自動化、變頻化、智能化發展。與此同時，變頻化、自動化設備的使用也使得礦井供電工況越來越復雜[3-4]。由于煤礦井下復雜惡劣的環境、各設備之間配合技術不成熟，導致礦井供電系統的供電質量及設備的正常運行受到影響，經對現場出現的供電問題進行分析，井下主要存在無功功率、電網諧波、大型設備瞬間啟動三種問題，雖然三種影響礦井供電質量的問題同時存在，但以無功功率問題為最主要問題。所謂無功功率問題，即諸如礦井所使用的非線性電子設備、電動機都需要無功功率來維持運行，大量此類設備的投入使用導致電網的無功功率增加，對供電電網產生負載電流增大、電能消耗增加、供電電壓波動增加、用電設備無法正常啟動運等危害。

無功補償裝置的應用在降低電網中電能損耗、補償供電線路的無功功率的同時，可以降低供電電網諧波，提高電纜和設備的使用年限與電網電能質量，有效解決上述礦井電網供電中所出現的問題，提高電能利用效率。因此，針對上述問題，晉圣固隆煤業有限公司利用無功補償技術的原理，對適合礦井供電實際情況的無功發生器進行設計，以改善礦井供電質量。

2 無功補償裝置原理及設計

2.1 無功補償裝置原理

無功補償裝置由自換相橋式電路組成，通過電抗器將自換相橋式電路與電網并聯。該電路主要由電力電子器件IGBT構成，通過CT控制器對電網中的電流進行檢測，而后控制器驅動自換相橋式電路吸收或發出對應相位與幅值的無功電流，實現電網的無功補償（圖1為無功補償裝置的工作原理）。通過控制自換相橋式電路電壓實現無功補償裝置吸收與發出無功電流。

圖1 無功補償裝置工作原理圖

2.2 無功發生器設計

無功發生器主要由上位機、散熱器、鍵盤、控制電路等結構組合而成，主要對缺相、三相不平衡、過流、過壓、短路、單元故障、欠壓等軟硬件進行保護。

該裝置的硬件主要有控制回路和主回路兩個部分，主回路主要由放電回路、采樣電路、逆變器、熔斷器、充電電路、濾波器等組成，圖2為主電路的拓撲結構。裝置的控制回路采用先進的SPWM技術，主要結構包括電流跟蹤控制與檢測兩個部分，兩部分的功能分別是實現控制電路所需的無功補償電流與供電線路電流檢測。該裝置的運用可以實現對電網諧波和無功的即時檢測，并對諧波和無功電流進行補償，滿足補償功能及時、準確的要求。

裝置利用光學電壓互感器對供電線路發出的大電流、高電壓信號進行轉換，該互感器是利用在外加電場的作用下光學晶體可以產生效應的原理，有效地避免了電容式互感器在煤礦井下精度低、隔離不完全等缺點，真正實現高低壓側的電氣設備隔離，且光學信號不受電磁波的影響，可以保證所采集的信號的精度與準確度。

3 應用效果分析

晉圣固隆煤業有限公司井下低壓供電線路功率因數在補償之前≤0.7，線路電流為1000 A，加裝無功補償發生器后，功率因數為0.95，線路電流為700 A，線路電流減少30%。根據電路原理，線路的損耗與負荷電流的平方成正比，根據DP =3I2R，所以補償后的線路損耗為補償前線路損耗值的49%，線路損耗降低了大約51%左右，降低線損效果明顯。且無功補償發生器應用以后，電網諧波問題、大型設備啟動問題大大減少，有效地提高了礦井的供電質量，保證了礦井安全生產及節支降耗的目的。

圖2 無功補償裝置主電路的拓撲結構

4 結論

（1）經對現場出現的供電問題進行分析，井下主要存在無功功率、電網諧波、設備瞬間啟動等三種供電問題，且三種影響礦井供電質量的問題是同時存在的，只有對問題進行同時治理，才能達到改善礦井供電環境，提高電能利用效率的目的。

（2）針對煤礦供電中出現的問題，設計出無功補償裝置，裝置主要由主回路與控制回路組成，控制回路采用先進的SPWM技術，通過電抗器將該裝置與電網并聯，實現對電網諧波和無功的即時檢測，并對諧波和無功電流進行補償，滿足補償功能及時、準確的要求，有效避免井下供電安全事故的發生。