無功補(bǔ)償在煤礦供配電系統(tǒng)中的應(yīng)用

李國(guó)策

貴州興源煤礦科技有限責(zé)任公司 貴州省 550081

摘要：本文就煤礦供電系統(tǒng)方面存在的不足之處，從高次諧波對(duì)煤礦供電系統(tǒng)所造成的危害角度著手，對(duì)有效濾波治理無功補(bǔ)償?shù)挠行ё饔眠M(jìn)行簡(jiǎn)單的分析，進(jìn)而闡述無功補(bǔ)償?shù)膽?yīng)用效果，希望能夠?qū)γ旱V的供電系統(tǒng)工作提供可供借鑒的經(jīng)驗(yàn)。

關(guān)鍵詞：無功補(bǔ)償；煤礦；供電系統(tǒng)

0引言

煤礦的日產(chǎn)量隨著煤礦資源的需求量不斷增加，其生產(chǎn)作業(yè)過程少不了大型電動(dòng)機(jī)等大功率電氣設(shè)備的使用，這些電氣設(shè)備的使用自然會(huì)帶來巨大的電動(dòng)機(jī)消耗，統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，在煤炭的全年生產(chǎn)中，有超過一半以上的電能是來自這些電動(dòng)機(jī)。需要特別提到的是，在煤礦的供電系統(tǒng)中，大部分情況都存在著非線性感性負(fù)載的情況，這個(gè)時(shí)候，如果我們不能采取適當(dāng)?shù)臒o功率補(bǔ)償措施，會(huì)降低整個(gè)供電系統(tǒng)的功率，而且設(shè)備運(yùn)行過程中，必然會(huì)產(chǎn)生一定的諧波污染，這些諧波污染不僅會(huì)給供電功率帶來更負(fù)面的影響，還會(huì)導(dǎo)致電壓畸變。這些問題的出現(xiàn)帶來的能源浪費(fèi)不可小覷，更嚴(yán)重的是會(huì)降低供電水平，影響煤炭作業(yè)的生產(chǎn)安全。

1煤礦供配電系統(tǒng)無功補(bǔ)償原則和方式

1.1無功補(bǔ)償原則

在煤礦的實(shí)際應(yīng)用中，選擇無功補(bǔ)償方式時(shí)應(yīng)當(dāng)結(jié)合煤礦供電系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、電氣負(fù)荷容量等因素進(jìn)行合理選擇。相關(guān)的規(guī)定表明，配電變壓器的無功補(bǔ)償裝置容量應(yīng)當(dāng)結(jié)合配電變壓器最大負(fù)載率大于75%：在通過無功補(bǔ)償之后，配電變壓器在最大負(fù)荷工況的條件下，其高壓側(cè)功率應(yīng)當(dāng)大于0.95。

1.2無功補(bǔ)償方式

（1）變電站集中無功補(bǔ)償。集中式無功補(bǔ)償通常在煤礦變配電站中使用，其主要功能是利用合理的無功補(bǔ)償而對(duì)配電系統(tǒng)中的配電線路的功率因素進(jìn)行改善。其中，該無功補(bǔ)償裝置的安裝位置通常是在10kv母線上，并通過有載調(diào)壓接頭進(jìn)行供配電系統(tǒng)電壓的有效調(diào)節(jié)，達(dá)到節(jié)能，減少耗能的效果。

（2）低壓側(cè)集中無功補(bǔ)償。可以再煤礦配電變壓器低壓側(cè)中采用無功集中補(bǔ)償方式，同時(shí)結(jié)合微機(jī)控制技術(shù)。從而對(duì)幾十至幾百KV范圍進(jìn)行補(bǔ)償。目前，該種補(bǔ)償方式在我國(guó)煤礦生產(chǎn)中得到了廣泛的使用。

上面我們提到的無功補(bǔ)償技術(shù)，是在煤礦供電系統(tǒng)中非常成熟，也是非常常見的一種技術(shù)，主要是應(yīng)用在供電系統(tǒng)的節(jié)能減排中，可以最大限度地將單位電能利用起來。但是在實(shí)際煤炭供電系統(tǒng)中，這種技術(shù)的應(yīng)用也需要提高，直接影響到了供電質(zhì)量，進(jìn)而給整個(gè)煤炭生產(chǎn)帶來損失。因此，我們需要在無功補(bǔ)償技術(shù)上多做思考和改進(jìn)，將煤礦供電系統(tǒng)發(fā)揮起來，來保證大型電氣設(shè)備的運(yùn)行。下面從三個(gè)主要方面就這個(gè)問題進(jìn)行分析。

2.高次諧波對(duì)煤礦供電系統(tǒng)的危害

在煤炭供電系統(tǒng)中，往往會(huì)由于非線性負(fù)荷容量的增加而產(chǎn)生高次諧波，這些諧波的產(chǎn)生會(huì)影響到供電系統(tǒng)的正常運(yùn)行，會(huì)產(chǎn)生電壓畸變，這些畸變直接影響到供電質(zhì)量，也就無法滿足大型電氣設(shè)備的用電需要。這時(shí)所需要用到的無功補(bǔ)償裝置，常常由安裝在電容器柜中的補(bǔ)償電容器構(gòu)成，這些電容器容量的計(jì)算是由系統(tǒng)固定的，一般情況下是根據(jù)處于基波頻率條件下所需的無功功率來獲得。在這個(gè)過程中，會(huì)產(chǎn)生大量并聯(lián)高次諧波。其電流量甚至超過了基波電流的幾十倍，如此強(qiáng)大的高次諧波，會(huì)導(dǎo)致電壓畸變，造成無功補(bǔ)償裝置的補(bǔ)償啟用，進(jìn)入一種非良性補(bǔ)償循環(huán)中。針對(duì)這個(gè)問題，我們可以在補(bǔ)償電容器中安裝如下圖1所示的裝置，來緩解高次諧波給供電系統(tǒng)帶來的危害。

安裝了圖1中的無功補(bǔ)償后，會(huì)讓原來單一容器的容抗特性轉(zhuǎn)換為感抗特性，這種轉(zhuǎn)變帶來的變化是明顯的，會(huì)使得原來無功補(bǔ)償裝置對(duì)高次諧波放大消失，讓供電系統(tǒng)得到凈化，保證大功率電氣供電設(shè)備的正常使用和運(yùn)行，從而提高整個(gè)煤炭作業(yè)的生產(chǎn)效率。

3.有源濾波治理無功補(bǔ)償?shù)木唧w技術(shù)分析

無功補(bǔ)償裝置在煤礦供電系統(tǒng)的應(yīng)用，主要從有源濾波治理無功補(bǔ)償?shù)慕嵌热胧株U述。無功補(bǔ)償裝置主要由電容器組成，在補(bǔ)償電力容器時(shí)，要通過配電網(wǎng)進(jìn)行切投，不過由于其設(shè)備本身并不具有抗諧波能力，非常容易受到系統(tǒng)中非線性感性負(fù)載影響而產(chǎn)生諧振團(tuán)。這些在電容器內(nèi)部形成的諧振，基本上超過了額定電流的數(shù)倍，如此強(qiáng)大的諧振電流對(duì)電容器本身會(huì)造成很負(fù)面的影響，甚至?xí)a(chǎn)生損毀的情況。同時(shí)這些諧振電流也會(huì)導(dǎo)致無功補(bǔ)償柜中的其它設(shè)備原件過熱，進(jìn)而導(dǎo)致原件和設(shè)備的燒毀，給生產(chǎn)安全和生產(chǎn)質(zhì)量帶來巨大影響。針對(duì)這個(gè)問題，在煤礦供電系統(tǒng)的無功補(bǔ)償中，需要首先解決諧波帶來諧振過大的情況，對(duì)其控制是至關(guān)重要的。

在煤礦的供電系統(tǒng)中，針對(duì)諧振過大問題一般采取清波方案，而清波治理無功補(bǔ)償主要包括了有源濾波治理無功補(bǔ)償和無源濾波治理無功補(bǔ)償兩種方案。其中，有源濾波治理無功補(bǔ)償方案的局限性是很大的，對(duì)施用設(shè)備也有很高要求，要求設(shè)備功率比較小，諧振污染也要比較小，比如一些精密儀器和通信設(shè)備等，但是這個(gè)方案運(yùn)用在這些設(shè)備上的成本比較大田，在煤礦開采和挖掘作業(yè)中，大多數(shù)是功率巨大的電氣設(shè)備，且諧振污染很大，在這樣系統(tǒng)中，很難發(fā)揮其應(yīng)有作用。

而無源濾波治理無功補(bǔ)償方案則比有源濾波治理方案運(yùn)用廣泛，從上圖2中我們可以看出，自動(dòng)控制器經(jīng)過內(nèi)部的DSP數(shù)據(jù)處理單元分析處理判斷系統(tǒng)需要進(jìn)行無功補(bǔ)償時(shí)，其容器內(nèi)部會(huì)有一套動(dòng)態(tài)命令來控制K 1-K 4電容器開關(guān)，與所需的無功補(bǔ)償是相應(yīng)的，所形成電容器的切投也是相應(yīng)的，這樣，不僅完成了供電系統(tǒng)的無功補(bǔ)償，還解決諧振波問題，達(dá)到濾波功能，對(duì)于整個(gè)供電系統(tǒng)的運(yùn)行都有十分重要的作用。另外，無源濾波治理無功補(bǔ)償?shù)臒o功補(bǔ)償作用有針對(duì)性，特別是對(duì)于會(huì)產(chǎn)生較大波含量電氣設(shè)備的補(bǔ)償作用比較好，從圖2中可以看出，這種無功補(bǔ)償作用的形成，主要是通過連接電感，同時(shí)并聯(lián)電容之間的匹配，使得諧波所經(jīng)的并聯(lián)低阻力，形成了一條低阻通道，為濾波電流展開通道，將諧波電流的流入降低到最小，完成無功補(bǔ)償?shù)膭?dòng)態(tài)運(yùn)行。

4.無功補(bǔ)償?shù)膽?yīng)用效果

通過上文的具體技術(shù)分析，我們了解到無功補(bǔ)償?shù)膽?yīng)用，其應(yīng)用效果十分明顯，一方面，這種應(yīng)用可以提高煤礦供電系統(tǒng)的供電功率，提高其負(fù)載電能的功率，另一方面，還可以大大降低相應(yīng)系統(tǒng)的能耗，將配電電壓穩(wěn)定在一定數(shù)值之內(nèi)，從而提高整個(gè)供電系統(tǒng)的供電質(zhì)量。同時(shí)，這種無功補(bǔ)償，會(huì)減少有功功率對(duì)配電系統(tǒng)帶來的不良影響，減少?zèng)_擊，也就能夠保證大型電氣設(shè)備的用電需求，使得整體的煤礦供電系統(tǒng)有效運(yùn)行。

5.結(jié)語

文中提到的無功補(bǔ)償，一般來講是針對(duì)大型煤礦電氣設(shè)備所進(jìn)行的無功補(bǔ)償，一方面是對(duì)煤礦中配電系統(tǒng)的補(bǔ)償，另一方面也可以解決供電系統(tǒng)中諧波過大問題，給大型電氣設(shè)備運(yùn)行提供一個(gè)良好的環(huán)境。無功補(bǔ)償?shù)倪\(yùn)用可以有效地減少高次諧波的產(chǎn)生，減少高次諧波給供電系統(tǒng)帶來的沖擊，進(jìn)而也就減少了系統(tǒng)過熱等問題，延長(zhǎng)電氣設(shè)備使用壽命，需要特別提到的是，這種技術(shù)的應(yīng)用，對(duì)于節(jié)能減排的作用也是非常有效和明顯的，降低了單位煤炭的生產(chǎn)成本，起到了一個(gè)減少消耗的作用。就礦井供電系統(tǒng)方面的問題，從高次諧波對(duì)煤礦供電系統(tǒng)的危害入手，分析了有源濾波治理無功補(bǔ)償?shù)挠行ё饔?，進(jìn)而對(duì)無功補(bǔ)償?shù)膽?yīng)用效果進(jìn)行了闡述，希望對(duì)實(shí)際工作中煤礦供電系統(tǒng)的改善提出有益的思考。

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