某煤礦無功補(bǔ)償系統(tǒng)改造

張滇　陳欣　張帆

摘 要：功率因數(shù)是電網(wǎng)考核用電企業(yè)的電能質(zhì)量的重要參數(shù)之一，功率因數(shù)低于電網(wǎng)要求，用戶需要從電網(wǎng)吸收多余的無功功率，損耗大，電能質(zhì)量差，還要面臨多使用的無功功率繳納的無功電費(fèi)，因此針對功率因數(shù)不達(dá)標(biāo)的工業(yè)用戶必須及時進(jìn)行無功補(bǔ)償改造。

關(guān)鍵詞：無功功率；功率因數(shù)；無功補(bǔ)償

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

某煤礦企業(yè)建設(shè)于十幾年前，采用集合式并聯(lián)電容器裝置，但限于負(fù)荷變化級差大，無功補(bǔ)償不是欠補(bǔ)就是過補(bǔ)，每年因?yàn)楣β室驍?shù)考核不達(dá)標(biāo)繳納了高額的無功電費(fèi)，也降低了該煤礦企業(yè)的電能質(zhì)量。受該煤礦企業(yè)委托，結(jié)合實(shí)際情況，筆者對該煤礦無功補(bǔ)償系統(tǒng)進(jìn)行的改造設(shè)計(jì)。

1 現(xiàn)有供電系統(tǒng)

煤礦35 kV變電站現(xiàn)有變電站內(nèi)裝有2臺主變（35/10 kV，

20 000 kVA），高低壓側(cè)均為單母線分段接線，母線均分列運(yùn)行。10 kV兩段母線分別為個負(fù)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(lián)電容器裝置，具體參數(shù)，見表1和表2。

兩套集合式并聯(lián)電容器無功補(bǔ)償裝置目前均采用手動投切方式對系統(tǒng)進(jìn)行無功補(bǔ)償，分1200、2400、3600三級投切。

2 現(xiàn)有供電系統(tǒng)電能質(zhì)量

通過實(shí)際調(diào)研發(fā)現(xiàn)，目前的無功補(bǔ)償無法實(shí)時跟蹤系統(tǒng)負(fù)荷變化，以1#變壓器10 kV側(cè)為例進(jìn)行采樣分析。煤礦35 kV變電站1#主變低壓側(cè)無功功率，如圖1所示。

從圖中負(fù)荷情況分析，目前煤礦早班為檢修班，負(fù)荷較少，中班與晚班為生產(chǎn)班，負(fù)荷偏大。經(jīng)調(diào)研，負(fù)荷主要有主井提升設(shè)備、副井提升設(shè)備、主通風(fēng)機(jī)、排水泵、采油泵等，部分為波動性負(fù)荷，2#變壓器系統(tǒng)與1#變壓器系統(tǒng)類似。

3 現(xiàn)有補(bǔ)償方式的弊端

采用手動投切的集合式并聯(lián)電容器無功補(bǔ)償裝置在對沖擊性負(fù)荷/動態(tài)負(fù)荷負(fù)荷補(bǔ)償時存在以下問題。

3.1 產(chǎn)生沖擊電流

投切時間不能控制，有沖擊電流，對電網(wǎng)產(chǎn)生沖擊，系統(tǒng)電壓波形產(chǎn)生缺口，嚴(yán)重時產(chǎn)生過電壓和過電流，降低供電質(zhì)量和干擾弱電設(shè)備的正常運(yùn)行。機(jī)械式開關(guān)如果多次動作會引起開關(guān)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(guān)投切電容器，開關(guān)動作速度慢，容易造成過補(bǔ)或欠補(bǔ)。

3.3 開關(guān)不能頻繁投切

重復(fù)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(bǔ)償失去控制。

3.4 電容器使用壽命短

對電容器在全壓狀態(tài)下的投切次數(shù)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(xiàn)過壓擊穿，甚至發(fā)生爆炸。

對于沖擊性負(fù)荷/動態(tài)負(fù)荷的系統(tǒng)，單純的采用靜態(tài)補(bǔ)償是無法滿足負(fù)荷對補(bǔ)償裝置無沖擊投切、頻繁投切、跟蹤補(bǔ)償?shù)囊蟮?。補(bǔ)償時必將出現(xiàn)無功欠補(bǔ)或無功到送。

4 改造方案

對現(xiàn)有的系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)測時發(fā)現(xiàn)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(bǔ)和欠補(bǔ)現(xiàn)象。從實(shí)際情況來看，要將現(xiàn)有的系統(tǒng)功率因數(shù)提高至0.95，采用3 600 kvar的補(bǔ)償容量不能滿足需求。

本次改造主要目的是：一是將現(xiàn)有無功補(bǔ)償裝置改造成動態(tài)跟蹤的無功補(bǔ)償方式，二是將無功補(bǔ)償容量提高，使系統(tǒng)功率因數(shù)高于0.95。

根據(jù)目前該煤礦供電系統(tǒng)負(fù)荷運(yùn)行情況計(jì)算，將功率因數(shù)提升至0.95時無功補(bǔ)償容量單套不能小于5 000 kvar，改造時還需要考慮到將系統(tǒng)中存留的部分諧波濾除。

4.1 動態(tài)無功補(bǔ)償

目前比較成熟的動態(tài)無功補(bǔ)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(shí)時監(jiān)測系統(tǒng)情況，由負(fù)荷選擇投切的電容器組容量，對系統(tǒng)進(jìn)行動態(tài)補(bǔ)償。但該補(bǔ)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(chǎn)生過電壓對系統(tǒng)造成危害，頻繁投切還容易造成電容擊穿的嚴(yán)重后果，危害系統(tǒng)安全，比較適合級差穩(wěn)定的補(bǔ)償需求。

第二種的MCR型動態(tài)無功補(bǔ)償裝置，采用無級調(diào)節(jié)（連續(xù)）實(shí)時對系統(tǒng)進(jìn)行補(bǔ)償，相應(yīng)速度快，采用自然冷卻方式，后期維護(hù)量小，技術(shù)成熟穩(wěn)定，是理想的補(bǔ)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(bǔ)償又可安裝相應(yīng)的濾波支路，MCR型動態(tài)無功補(bǔ)償裝置目前在煤礦供電系統(tǒng)中也大量應(yīng)用。但磁控電抗器補(bǔ)償容大時體積較大，容易受占地限制。

第三種的SVG型動態(tài)無功補(bǔ)償裝置，它由晶閘管通過電抗器連接在系統(tǒng)中，可對系統(tǒng)的感性無功和容性無功進(jìn)行補(bǔ)償，也可濾除系統(tǒng)諧波。在對系統(tǒng)進(jìn)行補(bǔ)償時，能實(shí)時跟蹤負(fù)荷變化，通過晶閘管調(diào)整補(bǔ)償?shù)娜萘?，響?yīng)速度快，補(bǔ)償效率高。該裝置優(yōu)點(diǎn)是占地小，補(bǔ)償速度快，動態(tài)跟蹤，實(shí)時響應(yīng)。

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(fù)荷變化較大的該煤礦使用。MCR型和SVG型動態(tài)無功補(bǔ)償裝置均能滿足礦井無功補(bǔ)償?shù)男枨?，改造成動態(tài)無功補(bǔ)償裝置后，有效補(bǔ)償容量與現(xiàn)有補(bǔ)償容量保持不變，以下將對該兩種方式提出相應(yīng)改造方案。

方案一：利用原有的電容器組，保持現(xiàn)有的電容器設(shè)備不變的同時再增加1 400 kvar的電容器組，在無功補(bǔ)償系統(tǒng)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(xiàn)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(diào)節(jié)感性無功的輸出，達(dá)到系統(tǒng)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(tài)無功補(bǔ)償裝置，SVG有效補(bǔ)償容量5 000 kvar。該方案中SVG裝置不設(shè)置電容器柜，考慮到設(shè)備自身損耗和濾波功能設(shè)備最終容量由設(shè)備廠家計(jì)算得出。無功補(bǔ)償改造方案對比表，見表3。

以上兩種方案均可滿足將現(xiàn)有補(bǔ)償方式改造成動態(tài)補(bǔ)償?shù)囊?，兩種方案各有利弊。

方案一能有效利用現(xiàn)有設(shè)備，投資較少，但該方案不具備濾波功能。

方案二中SVG不設(shè)置電容柜，補(bǔ)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(xiàng)目。

5 結(jié) 語

改造項(xiàng)目要基于現(xiàn)有的系統(tǒng)考慮，考慮因素眾多，往往比新建項(xiàng)目更難設(shè)計(jì)。目前的各種無功補(bǔ)償手段都可達(dá)到提高功率因數(shù)的要求，但具體采用哪種技術(shù)還需要針對負(fù)荷性質(zhì)、場地布局、設(shè)備投資、工程建設(shè)難易程度、對現(xiàn)有系統(tǒng)是否有影響等諸多因素來決定，各種技術(shù)都有適應(yīng)的區(qū)域，需要靈活運(yùn)用。

參考文獻(xiàn)：

[1] 羅強(qiáng).新安煤礦供電系統(tǒng)無功補(bǔ)償優(yōu)化改造[J].中州煤炭，2011，（1）.