無功補(bǔ)償技術(shù)在礦井供電系統(tǒng)中的應(yīng)用

＊王振業(yè)

（太原化學(xué)工業(yè)集團(tuán)工程建設(shè)有限公司 山西 030021）

大功率非線性負(fù)載的使用愈發(fā)頻繁，增加了礦井電網(wǎng)負(fù)荷，降低電纜和用電設(shè)備的絕緣性能，無法保障供電系統(tǒng)的安全運(yùn)行，可能引起設(shè)備絕緣失效、井下大面積停電等事故。無功補(bǔ)償技術(shù)是解決各類煤礦用電問題的重要技術(shù)手段，在煤礦項目供電系統(tǒng)的優(yōu)化工作中取得廣泛應(yīng)用，因此深入研究無功補(bǔ)償技術(shù)具有重要意義，明確技術(shù)原理和應(yīng)用方法，采用此項技術(shù)可以提高礦井供電系統(tǒng)的安全運(yùn)行水平。

1.礦井概況

某礦井項目生產(chǎn)現(xiàn)場配置較多的大功率裝置，并配備軟啟動器、變頻器等輔助裝置，線路的載荷量大，電力系統(tǒng)運(yùn)行時的高次諧波電流含量高，在礦井負(fù)荷頻繁變化的條件下，傳統(tǒng)的固定無功補(bǔ)償和靜態(tài)電容補(bǔ)償技術(shù)缺乏可行性。項目在10kV母線側(cè)采用MCR型靜止型動態(tài)無功補(bǔ)償裝置（MSVC），抑制電壓波動，消除諧波，保證供電系統(tǒng)的功率因數(shù)穩(wěn)定在0.95以上，保障供電系統(tǒng)安全的同時減少電能損耗，延長設(shè)備的使用壽命。

2.煤礦區(qū)電能質(zhì)量的測試及分析

(1)煤礦現(xiàn)狀

在煤礦運(yùn)營初期，該煤礦采區(qū)的功率因數(shù)約為0.65，這導(dǎo)致電力系統(tǒng)需要支付額外的力率電費(fèi)。此外，還會導(dǎo)致10kV側(cè)的電壓發(fā)生畸變，對系統(tǒng)中其他裝置造成不利影響，因此，有必要對礦內(nèi)電力系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)測試。

(2)測試設(shè)備

裝置型號為CA8334，精度等級為±0.5%，F(xiàn)FT窗口數(shù)量為4個，采樣頻率為12.8kHz。監(jiān)測內(nèi)容有系統(tǒng)電壓、電流波形、無功功率、有功功率、系統(tǒng)電壓與電流峰值、功率因數(shù)、50次之內(nèi)諧波含量、系統(tǒng)電壓與電流有效值、系統(tǒng)電壓與電流相位的不平衡、系統(tǒng)總諧波的畸變率等。存儲內(nèi)容有瞬態(tài)值、波形記錄、長時間趨勢曲線記錄及屏幕拷貝記錄。

(3)測試內(nèi)容

煤礦電能質(zhì)量測試分析主要涉及以下內(nèi)容：電網(wǎng)的次諧波電壓、電流以及其諧波含有率；電網(wǎng)的電壓和電流的總諧波畸變率；電網(wǎng)的諧波源定位；特定點(diǎn)的諧波流向；電網(wǎng)的頻率和電壓偏差；電網(wǎng)的電壓不平衡度；特定點(diǎn)電壓的波動和瞬變；特定點(diǎn)電壓的暫降和短時間中斷，以及供電的連續(xù)性。通過這些測試分析，可以確定礦井供電系統(tǒng)中影響電能質(zhì)量的污染源。

(4)測試結(jié)果

在本次礦井供電系統(tǒng)的測試中，電流完成了三相測試。

①系統(tǒng)功率因數(shù)（PF）投運(yùn)后數(shù)據(jù)結(jié)果如下：

L1、L2、L3的最大值，95%最大值及平均值，在投運(yùn)后的PF系統(tǒng)功率因數(shù)的數(shù)值都相同，為0.7%、0.61%、0.67%；但L1、L2、和L3的最小值不同，分別為0.63、0.64、0.65。從上述結(jié)果得出，功率因數(shù)較小時，現(xiàn)場測試PE（額定功率）運(yùn)行時的平均功率因數(shù)只有0.67%。

②總諧波電壓畸變率（Vthd）的數(shù)據(jù)結(jié)果如下：

L1、L2、L3的最大值分別為8.9%、8.6%、8.47%；95%最大值分別為5.6%、5.51%、5.66%；平均值分別為7.1%、6.88%、6.83%；最小值分別為8.9%、8.6%、8.47%。從上述數(shù)值可以看出，因其L1、L2、L3的平均數(shù)值相差較大，故無功數(shù)值波動大且波動頻繁。

(5)測試結(jié)果分析

礦區(qū)三相處于穩(wěn)定狀態(tài)，測試中表現(xiàn)出的主要電能質(zhì)量問題為：

①無功波動變化次數(shù)多、幅度大。因電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)受到諧波的影響，會使電壓出現(xiàn)畸變現(xiàn)象，從而影響系統(tǒng)的電壓質(zhì)量，使之偏低。針對此問題，需采取控制措施以降低電網(wǎng)諧波畸變率，具體策略是用濾波補(bǔ)償進(jìn)行控制，在此技術(shù)策略下，逐步淘汰系統(tǒng)中的無功補(bǔ)償設(shè)備。

②功率因數(shù)偏低，平均值僅為0.67%，有較大的提升空間。

3.無功補(bǔ)償技術(shù)在礦井供電系統(tǒng)中的應(yīng)用

(1)技術(shù)原理

無功功率動態(tài)補(bǔ)償?shù)脑韴D，如圖1所示。

圖1 無功功率動態(tài)補(bǔ)償原理圖

單相電路結(jié)構(gòu)由系統(tǒng)、補(bǔ)償器、負(fù)荷組成。圖1中，U—電壓；R—系統(tǒng)電阻；X—系統(tǒng)電抗，假設(shè)負(fù)荷基本維持穩(wěn)定，則△U＜＜U，若R＜＜X，系統(tǒng)電壓與無功功率的變化關(guān)系可通過圖1（b）中的實(shí)線進(jìn)行反映，原因在于系統(tǒng)電壓基本維持穩(wěn)定，圖形中的橫坐標(biāo)可以用無功電流替換。而根據(jù)圖中的特性曲線可知，其斜率為負(fù)，表明無功功率Q上升時，系統(tǒng)電壓有降低的變化趨勢，兩者為負(fù)相關(guān)關(guān)系。

根據(jù)圖1（b），確定其近似方程：

轉(zhuǎn)化成：

式中：U0—無功功率等于0時的系統(tǒng)電壓值；

SSC—系統(tǒng)短路時的容量。

對轉(zhuǎn)化前后的近似方程進(jìn)行分析可知，無功功率發(fā)生改變后，系統(tǒng)電壓隨之變化。若采用補(bǔ)償器，則具有Q=QL+Qr的關(guān)系，即無功功率等于負(fù)荷與補(bǔ)償器無功功率的總和。無功功率Qr向著QL反方向變化，Q維持恒定，則對應(yīng)的關(guān)系是△Q=0，并進(jìn)一步推出?U=0，在此條件下，能夠保證供電電壓維持恒定。

(2)煤礦無功補(bǔ)償需求

本煤礦項目供電系統(tǒng)的運(yùn)行條件復(fù)雜，常規(guī)的機(jī)械投切式濾波電容器組缺乏可行性，適宜的方案是采用動態(tài)的靜止型無功補(bǔ)償設(shè)備，例如TCR型、MCR型的SVC設(shè)備均具有代表性。若在無功補(bǔ)償中應(yīng)用TCR型SVC設(shè)備，需注意在使用時要與水冷系統(tǒng)共用，因水冷系統(tǒng)的冷卻力度強(qiáng)，可避免晶閘管閥組的溫度偏高。

采用MCR型的SVC晶閘管，其操作難度降低，在操作過程中只需使電壓達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)即可，可忽略因連接方式不合理引起的問題，同時占據(jù)的空間較小，無論前期建造成本還是后期維修成本均較低，綜合應(yīng)用效果良好。

按電壓級別分類，低壓LC濾波器有0.4kV、0.66kV、1.0kV等類型。高壓濾波有6kV、10kV、35kV等類型，其中應(yīng)用較為廣泛的是6kV和10kV。內(nèi)部元器件的耐壓程度不同是低壓LC濾波器與高壓濾波的主要差異，各自可承受的電流、對安全距離的規(guī)定均存在差異。在無功補(bǔ)償中，根據(jù)電力系統(tǒng)中諧波電流值控制濾除的電流大小時，必須結(jié)合實(shí)際情況靈活地控制各系統(tǒng)中諧波濾除的量。根據(jù)經(jīng)驗，以系統(tǒng)諧波含量的20%～50%較為合適，可聯(lián)合應(yīng)用多組濾波器，集多裝置的濾波優(yōu)勢于一體后，可以將濾波效果提升至70%左右，但若要達(dá)到此效果，必須同步進(jìn)行保護(hù)線路的強(qiáng)化設(shè)計。

根據(jù)前述分析，確定如下方案：在提升礦區(qū)電能質(zhì)量方面，采用MCR型磁閥電抗器與固定濾波電容器組的SVC設(shè)備；在無功補(bǔ)償與濾除諧波方面，選擇恒定的濾波電容器組。

(3)無功補(bǔ)償裝置的設(shè)計

通過無功補(bǔ)償裝置的應(yīng)用，能夠改善供電系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)。以電抗率為4.5%～6%的反應(yīng)器為例，則避免的是5倍及5倍以下含有大量諧波。濾波設(shè)備在無功補(bǔ)償裝置中具有調(diào)諧的功能，過濾特征諧振頻率的諧波，以保證對特定的特征諧波的吸收效果。根據(jù)現(xiàn)有硬件設(shè)施運(yùn)行能力和技術(shù)水平，單調(diào)諧濾波器的吸收效果約為80%。在設(shè)計無功補(bǔ)償裝置時，還需考慮濾波設(shè)備的調(diào)諧作用，進(jìn)行合理控制，以保證供電系統(tǒng)維持最佳運(yùn)行狀態(tài)。

恒定的FC設(shè)備主要包括3條濾波支路，諧振頻率有240Hz、340Hz、540Hz，與系統(tǒng)的5次、7次、11次諧波相對應(yīng)，其中5次支路為單調(diào)諧式結(jié)構(gòu)模式，7次、11次為二階高通模式，對11次及其以上的諧波有濾除效果。設(shè)計時，根據(jù)電力系統(tǒng)的最大無功需求控制系統(tǒng)的容量，并保證選擇的MCR型磁閥式可調(diào)電抗器的容量保持一致，才可使組合應(yīng)用正常，具體組合方式根據(jù)系統(tǒng)中負(fù)荷波動造成的無功大小靈活調(diào)整，直至無功功率可達(dá)到電力系統(tǒng)的運(yùn)行要求為止。

高壓開關(guān)柜作為系統(tǒng)的電源，還可提供過電壓保護(hù)、過流保護(hù)、不平衡保護(hù)等保護(hù)功能。配置隔離開關(guān)，使FC設(shè)備與MCR設(shè)備相互獨(dú)立。FC各支路中的組成設(shè)備較多，各自承擔(dān)不同的功能，例如：噴逐式熔斷器，可快速切斷電容器與電網(wǎng)的連通狀態(tài)，以免因電容器的故障向周邊蔓延而造成大范圍的不良影響；隔離開關(guān)，具有隔離功能，通過此開關(guān)做隔離處理，方便員工安全地檢查和維修線路；濾波電容器和濾波電抗器，兩類裝置相互配合，濾除線路中的諧波電流，也可以調(diào)節(jié)支路中的諧振；放電線圈，與電容器并聯(lián)，若在FC支路的運(yùn)行中存在電容脫離線路的情況，將對電容器實(shí)行不平衡保護(hù)，減小該情況引起的不良影響。

(4)TCR型SVC和MCR型SVC的測試

以并聯(lián)的方式連接高壓TCR型SVC動態(tài)無功補(bǔ)償設(shè)備與電容器組，可采用感性無功QL與容性無功QC共同確保功率因數(shù)的穩(wěn)定性，實(shí)現(xiàn)動態(tài)的無功補(bǔ)償。測試中，重點(diǎn)關(guān)注電流總諧波畸變率，即諧波與基波的電流方均根值的比值的百分?jǐn)?shù)。此項指標(biāo)可反映電流正弦波受諧波影響程度，電流正弦的畸變將由于電流總諧波畸變率的提高而加大，不利于供電系統(tǒng)及與之相關(guān)聯(lián)用電設(shè)備的正常運(yùn)行，存在如下危害：

①電流與電壓正弦波形的畸變率較高時，電能質(zhì)量降低，電力系統(tǒng)的供電服務(wù)效果變差，礦井生產(chǎn)現(xiàn)場的用電設(shè)備可能因供電服務(wù)差而難以穩(wěn)定運(yùn)行。

②與電力系統(tǒng)相關(guān)的用電設(shè)備存在明顯的損耗，造成資源浪費(fèi)。

③系統(tǒng)的功率因數(shù)將由于電流總諧波畸變率的提高而降低。

針對電流總諧波畸變率異常引起的各類問題，可以采取如下解決措施：通過TCR+FC動態(tài)無功補(bǔ)償設(shè)備和MCR+FC動態(tài)無功設(shè)備對某條母線進(jìn)行動態(tài)補(bǔ)償，在確定此方案后，測試電能指標(biāo)，評價兩種方式的應(yīng)用效果。測試結(jié)果如表1、表2所示。

表1 高壓TCR電流總畸變率測試數(shù)據(jù)

表2 高壓MCR電流總畸變率測試數(shù)據(jù)

根據(jù)表1、表2可知，高壓TCR電流總諧波畸變率三相的測試數(shù)據(jù)平均值分別為28.50%、28.81%、29.59%，高壓MCR分別為13.90%、12.10%、11.81%，相比之下，高壓MCR電流總諧波畸變率更低（各相均是如此），表明MCR+FC動態(tài)無功補(bǔ)償設(shè)備的應(yīng)用方式能夠取得更加良好的動態(tài)補(bǔ)償效果。對于電力系統(tǒng)的無功補(bǔ)償，可以優(yōu)先考慮MCF+FC動態(tài)無功設(shè)備的方式，以此來減弱諧波對供電系統(tǒng)產(chǎn)生的不良影響，使供電系統(tǒng)維持穩(wěn)定的運(yùn)行狀態(tài)。

4.結(jié)語

綜上所述，煤礦開采項目對井下供電系統(tǒng)的運(yùn)行性能提出較高的要求，需要通過技術(shù)手段優(yōu)化井下供電系統(tǒng)，提高此系統(tǒng)的運(yùn)行水平。在采用無功補(bǔ)償技術(shù)后，可以解決供電系統(tǒng)電網(wǎng)質(zhì)量差、電能損耗量大等問題，提供高品質(zhì)的供電服務(wù)，滿足煤礦開采設(shè)備的用電需求，幫助煤礦企業(yè)提高經(jīng)濟(jì)效益。經(jīng)過本文的研究，提出無功補(bǔ)償技術(shù)在煤礦供電系統(tǒng)中的應(yīng)用方式，希望對同仁有參考意義。