礦井供電系統(tǒng)無功補償技術(shù)研究

楊國華 韓文康 蓋森亮

摘要：隨著對礦山全面自動化設(shè)備的持續(xù)投資，變頻器及大容量、大功率非線性負載的應(yīng)用日益廣泛。這些設(shè)備在提升礦山工作效能的同時，也增加了礦山電網(wǎng)的負荷，引發(fā)電網(wǎng)諧波污染、電壓波動以及電纜和用電設(shè)備的絕緣性能下降等問題，導(dǎo)致供電供應(yīng)的安全性和可靠性降低，造成大面積停電、設(shè)備絕緣失效、漏電等安全生產(chǎn)事故。基于此，本文主要介紹煤礦井下供電的系統(tǒng)特征，從無功功率、電網(wǎng)諧波和設(shè)備瞬間起動三個方面入手研究無功補償技術(shù)，探索適用于礦山用電特點的供電系統(tǒng)無功補償方法，以供參考。

關(guān)鍵詞：井下供電系統(tǒng)；無功功率；無功補償技術(shù)

DOI：10.12433/zgkjtz.20240450

礦井供電在煤礦的供電供應(yīng)中發(fā)揮著重要的作用。在煤炭企業(yè)的安全工作中，供電網(wǎng)絡(luò)的能量因數(shù)對經(jīng)濟效益和供電網(wǎng)絡(luò)的安全運營同樣具有重要作用。由于礦山供電供應(yīng)的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，電網(wǎng)在遭受強烈擾動時可能會出現(xiàn)薄弱環(huán)節(jié)，導(dǎo)致電壓失穩(wěn)。對無功進行適當(dāng)?shù)难a償可以有效防護電網(wǎng)電壓，提升電壓的穩(wěn)定性，同時避免大范圍的無功功率長程輸送，降低有功功率損失和發(fā)電成本，有利于我國電力事業(yè)發(fā)展。

一、煤礦井下供電系統(tǒng)特征及無功補償優(yōu)勢概述

（一）煤礦井下供電系統(tǒng)特征

礦井下的工作條件復(fù)雜，用電負載波動較大，會導(dǎo)致輕載率較高、功率因數(shù)較低、供電線路較長、電能損耗較高，再加上近年來礦井的綜合開采工作對自動化程度的要求越來越高，這些都給礦井下的供電系統(tǒng)提出了很高的要求。在礦井的綜采工作面，隨著供電裝置的單機功率和機組的總體積越來越大，供電裝置與各種用電裝置之間的距離也越來越遠，由于供電設(shè)備的損耗，電力供應(yīng)出現(xiàn)故障的概率會大大增加。

（二）無功補償技術(shù)在煤礦井下供電系統(tǒng)中的應(yīng)用優(yōu)勢

隨著現(xiàn)代科技的進步和自動化程度的提高，礦井下使用的機械裝備也日益趨向于大型化、綜合化、自動化和智能化。在這種條件下，電力供應(yīng)的無功將會增加，不僅造成大量的電力損耗，還會嚴(yán)重威脅礦井的供電安全。對此，礦井下供電系統(tǒng)采用一種有效的無功補償技術(shù)，旨在降低電力損耗，改善供電方式，保證供電安全，這對煤炭行業(yè)的健康發(fā)展和整體經(jīng)濟水平的提升具有重要的現(xiàn)實意義。

二、無功補償設(shè)計原理

近年來，隨著我國煤礦技術(shù)的快速發(fā)展，各個礦井引進了大量的新技術(shù)、新設(shè)備，正朝著機械化、現(xiàn)代化的方向發(fā)展，例如，大功率變頻提升設(shè)備、采掘設(shè)備等，其中許多設(shè)備都屬于感性非線性設(shè)備，當(dāng)它們開始運轉(zhuǎn)時，要從系統(tǒng)中獲取大量的有功功率和延遲無功功率。如果電網(wǎng)中的無功功率大幅下降，就會影響網(wǎng)絡(luò)的安全與穩(wěn)定。為了使網(wǎng)絡(luò)的無功功率消耗得到快速補償，需要在消耗的部分中添加無功，從而提升系統(tǒng)的功率因數(shù)，進而維持系統(tǒng)的電壓穩(wěn)定。

三、無功補償裝置設(shè)計

在減少電網(wǎng)電能損耗和補償供電線路無功功率的同時，無功補償裝置還能減少供電電網(wǎng)的諧波，延長電纜和設(shè)備的使用壽命，提高電網(wǎng)的電能質(zhì)量。該系統(tǒng)采用自換相橋型線路，經(jīng)過一次電感連接后，與供電系統(tǒng)并聯(lián)在一起，構(gòu)成了一種新型的供電系統(tǒng)的無功功率補償系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用一種新的自換相橋型線路作為無功功率補充。這種線路由功率電子設(shè)備IGBT組成，利用CT控制器探測電網(wǎng)中的電流，然后在控制器的作用下，由一個自動切換相橋的線路吸收或釋放相應(yīng)無功，達到對電網(wǎng)的無功補償。通過自動切換相橋的方式，對所設(shè)計的無功進行調(diào)節(jié)，能使無功補償器有效地對無功進行吸收和輸出。

在系統(tǒng)運行過程中，如果發(fā)生90°的先導(dǎo)無功流，系統(tǒng)將進入電容運行狀態(tài)；如果網(wǎng)絡(luò)電壓比系統(tǒng)的輸入電壓高，系統(tǒng)將形成90°的回路，使系統(tǒng)工作處于感應(yīng)模式。無功補償設(shè)備可以利用控制器探測供電電網(wǎng)的諧波成分，在此基礎(chǔ)上，控制單位電路產(chǎn)生與電網(wǎng)諧波幅度相同、頻率相同但極性相反的補償電流，以此消除電網(wǎng)諧波，有效治理供電系統(tǒng)。

四、無功發(fā)生器設(shè)計

無功發(fā)生器主要包括上位機、散熱器、鍵盤、控制電路等核心部件。該裝置能有效應(yīng)對缺相、三相不平衡、過流、過壓、短路、單元故障、欠壓等各種問題。無功發(fā)生器的主要包括一個主回路和兩個控制回路，其中，主回路包括放電回路、采樣電路、逆變器、保險絲、充電電路、過濾器等元件；控制回路使用了先進的SPWM技術(shù)，包括電流追蹤控制和檢測。這兩個方面可以分別完成對控制電路所需要的無功補償電流與供電線路電流檢測的功能，從而實現(xiàn)對電網(wǎng)諧波和無功的及時檢測，以及對諧波和無功電流的補償。該設(shè)備使用光電電壓變壓器變換大電流、高壓以及從電源線輸出的信號。在施加磁場的情況下，互測器可以使用光學(xué)水晶生成效應(yīng)，解決礦井下精度低、隔離不完全的問題，從而實現(xiàn)高電壓側(cè)的電能設(shè)備隔離，使光信號不受電磁波的干擾，確保信號的準(zhǔn)確性。

五、礦井供電系統(tǒng)中常用的靜止無功補償裝置SVC

針對礦井供電系統(tǒng)中經(jīng)常出現(xiàn)的負載變化所導(dǎo)致的無功損失，其對應(yīng)的無功補償也應(yīng)做到實時改變。而靜態(tài)無功補償裝置SVC固定開關(guān)多使用晶閘管，控制系統(tǒng)插入的電抗器與電容器的實際體積，從而實現(xiàn)對電網(wǎng)系統(tǒng)無功功率的連續(xù)快速可變補償。

（一）靜止無功補償裝置SVC的基本原理

TCR可控電抗是靜態(tài)電壓調(diào)節(jié)系統(tǒng)中的關(guān)鍵部件。單一可控電抗可以通過兩個反向并聯(lián)可控電抗組成一個單相可控電抗。而將其與供電系統(tǒng)中的其他可控電抗進行并列，可以組成一個電壓調(diào)節(jié)回路。調(diào)整系統(tǒng)中的電容值，可以調(diào)整可控硅的開路角度，使其承受持續(xù)變化的無功。在實際應(yīng)用中，一般需要與并聯(lián)的電容相匹配，在用可控硅做電容的投切開關(guān)時，一般將這組靜止無功補償設(shè)備稱為TCR+TSC型靜止無功補償設(shè)備。將兩臺逆并聯(lián)的可控硅與一臺電容相串接，可以組成可控硅開關(guān)。將可控硅開關(guān)與供電系統(tǒng)的并聯(lián)設(shè)備連接，利用TCR+TSC型SVC，可以對電網(wǎng)系統(tǒng)的無功進行實時調(diào)整，具體如圖1所示。

圖1? 與并聯(lián)電容器配合使用的TCR

（二）SVC的應(yīng)用

SVC能實現(xiàn)對電網(wǎng)系統(tǒng)的無功功率的快速、動態(tài)和連續(xù)調(diào)節(jié)。在煤礦變電站中使用SVC后，可以動態(tài)地對系統(tǒng)的無功功率進行補償。利用SVC補償后的功率因數(shù)，可以在系統(tǒng)許可的范圍內(nèi)，對其進行動態(tài)維護，使其保持穩(wěn)定，從而有效控制整個系統(tǒng)的電壓，提升礦山的電力供應(yīng)質(zhì)量。此外，SVC的使用還可以有效控制沖擊性負載波動下的系統(tǒng)電壓與閃變，避免發(fā)生電壓坍塌，綜合治理部分諧波。但SVC對系統(tǒng)參數(shù)的改變較敏感，如果系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置不合理，或因為出現(xiàn)短路而導(dǎo)致參數(shù)發(fā)生改變，SVC就很容易將系統(tǒng)的諧波放大，引起共振，從而影響自身和其他電器裝置。除此之外，SVC的維修成本很高，其應(yīng)用能否降低帶來的損失將成為日后研究的方向與動力。

六、礦井供電系統(tǒng)無功補償技術(shù)的應(yīng)用

（一）無功補償技術(shù)在煤礦供電系統(tǒng)中的應(yīng)用

在實際生產(chǎn)環(huán)節(jié)，電力供電系統(tǒng)設(shè)備包括三相異步電機和變壓器等。這些設(shè)備在電力供應(yīng)中經(jīng)常產(chǎn)生感應(yīng)負載，負載會在電力供應(yīng)中進行無用功，給電力供應(yīng)系統(tǒng)造成沖擊性的無功負載，從而影響供電供應(yīng)。另外，在無功電流的影響下，還可能造成礦山內(nèi)的供電線路發(fā)生漏電、短路等問題，從而影響采礦工作正常開展，嚴(yán)重時，還可能威脅施工人員的生命安全。因此，要通過合理的方法，最大程度上減少礦山電力供應(yīng)對電網(wǎng)的沖擊，確保礦山生產(chǎn)順利進行。

（二）無功補償技術(shù)在功能損耗方面的應(yīng)用

在煤炭礦山供電系統(tǒng)中，交流線路中的功率因是一個度量指標(biāo)。無功功率不僅對供電企業(yè)有著顯著的影響，在滿足企業(yè)需求的同時也會產(chǎn)生相應(yīng)的作用。因此，供電企業(yè)也會受到一定的影響。

第一，在煤礦機械設(shè)備運行過程中，為確保煤礦安全生產(chǎn)，必須保障供電設(shè)備的穩(wěn)定運行。通過科技手段，有效防止電力過高的情況發(fā)生，從而提升線路的供電質(zhì)量，減少電力損失。

第二，降低供電線路對電流的運輸，保護體積較小的變壓設(shè)備，確保變壓器負荷穩(wěn)定，加強對并聯(lián)電容的管理。

第三，在運轉(zhuǎn)過程中，可能出現(xiàn)一些無功功率，甚至引發(fā)其他的潛在問題，影響煤礦供電系統(tǒng)的電壓波動，導(dǎo)致礦井供電系統(tǒng)不穩(wěn)定。因此，將無功功率技術(shù)運用到煤礦供電系統(tǒng)中，可以抑制諧波，保護電力供應(yīng)中的設(shè)備和線路，從而確保電力供應(yīng)的穩(wěn)定性。因此，煤炭企業(yè)應(yīng)加強對煤炭資源的利用，確保其科學(xué)性、安全性和高效性。

第四，當(dāng)規(guī)劃煤炭資源的礦山供電線路時，應(yīng)遵循國網(wǎng)的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)定，確保供電資源合理配置。

第五，在電力供應(yīng)的實際操作中，科學(xué)規(guī)劃電力供應(yīng)中變電所的位置，同時借助無功補償技術(shù)，實現(xiàn)對供電系統(tǒng)的最優(yōu)補償。

（三）合理選擇濾波電抗器及電容器的接線方式

在礦井供電系統(tǒng)中，采用空心電抗技術(shù)時，應(yīng)選用空心電抗器。空心電抗器的優(yōu)勢在于，磁路磁導(dǎo)率為常數(shù)，不受負荷電流的影響，且電感值平穩(wěn)，因此，在礦井這樣的大規(guī)模供電系統(tǒng)中，尤其適用于與該系統(tǒng)的電容相配合，形成一個串聯(lián)共振裝置。更重要的是，該設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單、工藝簡便，且具有良好的發(fā)熱性能，使用起來很方便。

過去使用的電力供應(yīng)方式基本上都采用三角接地方式，但此種接地方式容易產(chǎn)生不安全的問題。因此，在礦井中不能使用三角接線，而應(yīng)采用星形接線的電容器，以此穩(wěn)定電容器組的工作狀態(tài)，避免出現(xiàn)安全問題。

七、礦井供電系統(tǒng)應(yīng)用無功補償技術(shù)的具體案例

（一）某礦井供電系統(tǒng)的具體情況

10kV低壓側(cè)以及220kV高壓側(cè)組成了某礦井的主要供電系統(tǒng)，提升、輸送、通風(fēng)、照面等設(shè)施是該礦井供電的主導(dǎo)荷載，其中，提升設(shè)施較易頻繁啟停，存在較大的荷載變化，無功功率較易形成。在沒有應(yīng)用無功補償技術(shù)時，礦井的電力能效低、能耗大，并且因為缺少較好的電力網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量，會出現(xiàn)電壓瞬時減小或電壓改變的情況，嚴(yán)重影響生產(chǎn)和設(shè)施的正常應(yīng)用。

（二）應(yīng)用無功補償技術(shù)的改善

對于礦井供電系統(tǒng)面臨的不足，在布設(shè)動態(tài)與靜態(tài)無功補償裝置之后可以提升電力運行的穩(wěn)定性。

（三）應(yīng)用靜態(tài)無功補償裝置

將靜態(tài)無功補償裝置（一臺50kvar的）安裝在低壓側(cè)，此裝置滲透了數(shù)字化控制技術(shù)，其特點是自動保護、穩(wěn)定、反饋迅速等，在應(yīng)用此裝置之后，電力的功率因素和能效得以有效提升，電力成本支出得以減小。同時，電力運行中的電壓減小，電壓變化情況得到控制，電力設(shè)施可以穩(wěn)定應(yīng)用，生產(chǎn)安全性和效率得以有效提升。

（四）應(yīng)用動態(tài)無功補償裝置

基于頻繁啟停電力設(shè)施的影響下，很多無功功率較易形成。為此，動態(tài)無功補償裝置（一臺10Mvar的）具備迅速反饋技術(shù)、智能控制算法等優(yōu)勢，安裝在低壓側(cè)，可以對電力的荷載改變做出迅速反饋，從而優(yōu)化電力功率因數(shù)，確保無功損耗減少，提升電力系統(tǒng)的能效。應(yīng)用動態(tài)無功補償裝置，不但實時補償了電力的無功功率，提升了電力功率因數(shù)水平，而且提高了電力應(yīng)用穩(wěn)定性和安全性，從而提高生產(chǎn)效率，降低成本。

（五）具體應(yīng)用效果

應(yīng)用無功補償技術(shù)顯著提升了煤礦的電力能耗以及穩(wěn)定性，具體體現(xiàn)在：提升了電力功率，降低了無功損耗，節(jié)省了15%的電力成本投入。同時，電力系統(tǒng)明顯提升了可靠性，很好地抑制了電壓的瞬時改變或波動情況，確保了電力設(shè)施的正常使用。總之，此礦井在應(yīng)用無功補償裝置實現(xiàn)了理想效果。

八、結(jié)語

綜上所述，無功補償技術(shù)不但能夠從各方面降低井下配電網(wǎng)的線路損失和變壓器的無功損失，提高供電質(zhì)量，還能夠讓礦井在開采過程中達到節(jié)約能源的目的。然而，工作人員在煤礦供配電中使用無功補償設(shè)備時，要結(jié)合礦山的無功功率以及具體的實際狀況認真選擇，在技術(shù)上和經(jīng)濟上都要進行最優(yōu)補償，優(yōu)先采用準(zhǔn)確可靠的自動投切無功補償設(shè)備。

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作者簡介：楊國華（1979），男，山東省菏澤市定陶區(qū)人，本科，高級技師，主要研究方向為礦井供電。