煤礦電網(wǎng)無功補(bǔ)償方式的優(yōu)化選擇與計(jì)算

張會(huì)娜，梁曉紅

（平頂山工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 平頂山 467001）

煤礦電網(wǎng)無功補(bǔ)償方式的優(yōu)化選擇與計(jì)算

張會(huì)娜，梁曉紅

（平頂山工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 平頂山 467001）

隨著大量電感性設(shè)備在煤礦中應(yīng)用，造成功率因數(shù)降低，導(dǎo)致線路末端電壓遠(yuǎn)低于允許范圍，電器設(shè)備難以正常運(yùn)轉(zhuǎn)且經(jīng)常受損，影響安全生產(chǎn)。同時(shí)，無功功率導(dǎo)致電網(wǎng)電能傳輸能力下降、線損加劇及能源浪費(fèi)，提高了產(chǎn)煤成本。通過討論功率因數(shù)低的危害、提高功率因數(shù)的方法比較、采用補(bǔ)償電容器組補(bǔ)償?shù)难b設(shè)方法以及高壓集中無功補(bǔ)償?shù)挠?jì)算等，對(duì)煤礦電網(wǎng)進(jìn)行無功補(bǔ)償，保證煤礦的安全生產(chǎn)和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。

煤礦電網(wǎng)；功率因數(shù)；無功補(bǔ)償；補(bǔ)償電容器

0 引言

隨著大量感應(yīng)電動(dòng)機(jī)或其它感性用電設(shè)備的應(yīng)用及電感性用電設(shè)備不配套或使用不合理，設(shè)備長期輕載或空載運(yùn)行，使電網(wǎng)功率因數(shù)過低。電力部門對(duì)用戶的功率因數(shù)有明確的規(guī)定，要求高壓供電（6kV及以上）的工業(yè)及裝有帶負(fù)荷調(diào)壓設(shè)備的用戶，功率因數(shù)應(yīng)在0.95以上；要求其他電力用戶的功率因數(shù)應(yīng)為0.90以上；農(nóng)業(yè)用戶要求0.80以上。煤礦企業(yè)總變配電所6～10kV母線上的功率因數(shù)要求在0.95以上。

1 平均功率因數(shù)過低的危害

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

2 無功補(bǔ)償提高功率因數(shù)的方法及特點(diǎn)

（1）并聯(lián)移相電容器組。原理：利用電容器產(chǎn)生的無功功率與電感負(fù)載的無功功率相互交換，從而減少從電網(wǎng)吸收的無功功率，使得補(bǔ)償裝置處以前的電網(wǎng)無功負(fù)荷減少，提高了電網(wǎng)功率因數(shù)。

優(yōu)點(diǎn)：投資省、有功功率損耗小、運(yùn)行維護(hù)方便、故障范圍小、無震動(dòng)及噪聲、安裝地點(diǎn)靈活。缺點(diǎn)：只能有級(jí)調(diào)節(jié)，不能自動(dòng)進(jìn)行最佳補(bǔ)償。當(dāng)通風(fēng)不良或電網(wǎng)電壓超過額定電壓時(shí)，電容器容易損壞。

（2）采用同步調(diào)相機(jī)。原理：同步調(diào)相機(jī)實(shí)際為一臺(tái)大容量的空載運(yùn)行的同步電動(dòng)機(jī)，在過勵(lì)磁時(shí)，其相當(dāng)于一臺(tái)無功發(fā)電機(jī)。在欠勵(lì)磁時(shí)，相當(dāng)于一臺(tái)只消耗無功的電動(dòng)機(jī)。

優(yōu)點(diǎn)：可以根據(jù)電網(wǎng)需要無級(jí)調(diào)節(jié)無功功率。缺點(diǎn)：造價(jià)高，有功損耗大，需要專人管理維護(hù)、地面積大等。主要用于大型樞紐變電所。

（3）繞線式異步電動(dòng)機(jī)同步化。對(duì)于負(fù)荷率不大于0.7及最大負(fù)荷不大于90% 額定功率的繞線式異步電動(dòng)機(jī)，必要時(shí)可使其同步，即當(dāng)繞線式異步電動(dòng)機(jī)在起動(dòng)完畢以后，向轉(zhuǎn)子三相繞組中送入直流勵(lì)磁，即產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩把異步電動(dòng)機(jī)牽入同步運(yùn)行，其運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)與同步電動(dòng)機(jī)相似，在過勵(lì)磁的情況下，電動(dòng)機(jī)可向電網(wǎng)送出無功功率，從而達(dá)到改善功率因數(shù)的目的。適用于對(duì)繞線式異步電動(dòng)機(jī)進(jìn)行單獨(dú)補(bǔ)償、電動(dòng)機(jī)容量一般為95～1000kW。

3 補(bǔ)償電容器組的裝設(shè)方法及結(jié)線

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

圖1 無功補(bǔ)償?shù)脑O(shè)置點(diǎn)與補(bǔ)償區(qū)

補(bǔ)償點(diǎn)越多降損效果越好。但是，補(bǔ)償裝置的初期投資中，是包括與補(bǔ)償容量無關(guān)的 “固定費(fèi)用”和與補(bǔ)償容量成正比的 “設(shè)備費(fèi)用”兩部分組成，因此補(bǔ)償點(diǎn)越多，初期投資越高。因此從經(jīng)濟(jì)效益出發(fā)，正確選擇補(bǔ)償點(diǎn)數(shù)量的原則應(yīng)該是：多設(shè)一個(gè)補(bǔ)償點(diǎn)所增加的固定費(fèi)用，如果能從多降損所節(jié)省的電費(fèi)中，并在一定期限（一般定為五年）內(nèi)得到抵償，則應(yīng)增加一個(gè)補(bǔ)償點(diǎn)，否則就不應(yīng)增加。

（2）補(bǔ)償電容器組的裝設(shè)方法。根據(jù)裝設(shè)地點(diǎn)的不同，無功補(bǔ)償?shù)姆秶灿兴煌?duì)煤礦企業(yè)的供電系統(tǒng)，電力電容器組的設(shè)置如下：

高壓集中補(bǔ)償：高壓集中補(bǔ)償是將高壓電容器組集中裝設(shè)在煤礦變配電所的6～10kV母線上。這種補(bǔ)償方式只能補(bǔ)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(bǔ)償。

高壓集中補(bǔ)償?shù)膬?yōu)點(diǎn)是補(bǔ)償裝置根據(jù)負(fù)荷的大小自動(dòng)投切，從而合理地提高了用戶的功率因數(shù)，避免功率因數(shù)降低導(dǎo)致電費(fèi)的增加。同時(shí)便于運(yùn)行維護(hù)，補(bǔ)償效益高，在一些大中型煤礦應(yīng)用比較普遍。

低壓成組補(bǔ)償：低壓成組補(bǔ)償是將低壓電容器裝設(shè)在礦井變電所的低壓母線上。這種補(bǔ)償方式能補(bǔ)償變電所低壓母線前的無功功率。這種補(bǔ)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(wǎng)損，因而比較經(jīng)濟(jì)。而且低壓電容器柜可以安裝在變電所低壓配電室內(nèi)，運(yùn)行維護(hù)方便，因此這種補(bǔ)償方式應(yīng)用非常普遍。尤其對(duì)6～10kV供電的煤礦變電所大多數(shù)采用這種補(bǔ)償方式。

單獨(dú)就地補(bǔ)償：?jiǎn)为?dú)就地補(bǔ)償,又稱個(gè)別補(bǔ)償，是將補(bǔ)償電容器組裝設(shè)在需要運(yùn)行無功補(bǔ)償?shù)母鱾€(gè)用電附近。這種補(bǔ)償方式能夠補(bǔ)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(bǔ)償范圍最大，補(bǔ)償效果好。而且用電設(shè)備運(yùn)行時(shí)，無功補(bǔ)償投入，用電設(shè)備停運(yùn)時(shí)，補(bǔ)償設(shè)備也退出，因此不會(huì)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(hù)簡(jiǎn)單、事故率低等優(yōu)點(diǎn)。

（3）補(bǔ)償電容器組的結(jié)線方式。10kV及以下線路的補(bǔ)償電容器組采用三角形結(jié)線。原因如下：①三角形結(jié)線可以防止電容器容量不對(duì)稱而出現(xiàn)過電壓；②三角形結(jié)線若發(fā)生一相斷線，只是會(huì)使補(bǔ)償容量減少，不至于嚴(yán)重不平衡。而星形結(jié)線若發(fā)生一相斷線，就會(huì)使該相失去補(bǔ)償，影響電能質(zhì)量。

電容器補(bǔ)償容量與所加電壓的關(guān)系：

電容器采用三角形結(jié)線，每相電容承受線電壓與采用星形結(jié)線時(shí)，每相電容承受相電壓，補(bǔ)償容量分別為：

上述說明，相同條件下，三角形結(jié)線時(shí)補(bǔ)償容量是星形結(jié)線的三倍。

4 高壓集中無功補(bǔ)償?shù)挠?jì)算

（1）確定全礦6～10kV母線上的自然功率因數(shù)。設(shè)計(jì)階段：

cosφ1=Pca.6/Sca.6

其中：Pca.6—全礦 6～10kV母線上的計(jì)算有功功率（kW）；Sca.6—全礦 6～10kV 母線上的計(jì)算視在功率（kVA）。已經(jīng)生產(chǎn)的礦井中，功率因數(shù)計(jì)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(shù)由cosφ1提高到cosφ2所需的補(bǔ)償容量為：

其中：Pca—全礦6～10kV母線上的計(jì)算有功負(fù)荷（最大有功負(fù)荷，kW）。

（3）計(jì)算三相所需電容器的總臺(tái)數(shù)N和每相電容器的臺(tái)數(shù)n。三角形連接時(shí)，三相電容器總臺(tái)數(shù)N為：

每相電容器的臺(tái)數(shù)為：n=N/3。

（4）選擇實(shí)際臺(tái)數(shù)：計(jì)算出 N值后，考慮高壓電網(wǎng)為單相電容器，故實(shí)際取值N應(yīng)為三的整數(shù)倍。如果為單母線分段變電所，電容器組應(yīng)分為兩組安裝在每段母線上，因此N應(yīng)取六的整數(shù)倍。

5 應(yīng)用實(shí)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(shí)有功最大負(fù)荷 P30=3×103kW，平均負(fù)荷率0.8。求將功率因數(shù)提高到0.95時(shí)所需電容器的補(bǔ)償容量及電容器的臺(tái)數(shù) （該礦補(bǔ)償電容器組的接線如圖2所示）。

（1）求全礦自然功率因數(shù)：

圖2 補(bǔ)償電容器組的接線

（2）將功率因數(shù)提高到0.95所需電容器的補(bǔ)償。容量為：

其中：KlO—負(fù)荷系數(shù)。按電網(wǎng)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(shù)量和每相電容器數(shù)。按三角形結(jié)線，所需電容器總數(shù)N為：

每相電容器數(shù)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(shí)際電容器的數(shù)目應(yīng)為六的整數(shù)倍，故取N=96個(gè)。每段每相為16個(gè)。

6 結(jié)束語

無功補(bǔ)償作為保持煤礦電網(wǎng)系統(tǒng)無功功率平衡、降低網(wǎng)損、提高供電質(zhì)量的一種重要措施，已被廣泛應(yīng)用于各電壓等級(jí)電網(wǎng)中。合理選擇無功補(bǔ)償，能夠有效地維持系統(tǒng)的電壓水平，提高電壓穩(wěn)定性，避免大量無功的遠(yuǎn)距離傳輸，從而降低有功網(wǎng)損，減少發(fā)電費(fèi)用，提高設(shè)備利用率，無功補(bǔ)償?shù)暮侠響?yīng)用是煤礦企業(yè)提高經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益的重要措施。

[1]戴曉亮.無功補(bǔ)償技術(shù)在配電網(wǎng)中的應(yīng)用[J].北京:電網(wǎng)技術(shù),1999，6.

[2]劉介才.工廠供電[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2011.

[3]朱福橋，等.煤礦電網(wǎng)的無功補(bǔ)償裝置配置方案[J].沈陽:節(jié)能，2007，7.

[4]王秀蘭.煤礦井下電網(wǎng)無功補(bǔ)償與節(jié)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(huì)娜（1974-），女，河南許昌人，副教授，碩士研究生。1998年畢業(yè)于焦作工學(xué)院工業(yè)電氣自動(dòng)化專業(yè)。主要從事電器控制方面的教學(xué)和研究工作。