煤矿井下低压无功补偿技术探析

郭辉，兰志恒，宋建成

(1．太原理工大学，山西 太原 030024;2．山西汾西机电有限公司，山西 太原 030027)

煤矿井下低压无功补偿技术探析

郭辉1，2，兰志恒2，宋建成1

(1．太原理工大学，山西 太原 030024;2．山西汾西机电有限公司，山西 太原 030027)

煤矿井下电网普遍存在功率因数偏低的问题，造成供电系统电压降加大和无功电流增大，使得电气设备启动困难，无功损耗严重。论述了煤矿井下低压供电系统无功现状以及无功补偿技术在井下的发展应用情况，并且阐述了TSC井下低压无功补偿装置的设计思想。

煤矿井下;无功补偿;无功功率;TSC

1 引言

煤矿井下电网供电系统由于线路长、用电负荷大、存在大量感性负荷，这些感性负荷在配电系统中大量消耗无功功率，从而导致了系统功率因数的降低，造成供电线路电压降加大和无功电流增大，使电动机起动困难，供电质量恶化。井下各用电设备长期在功率因数较低的情况下运行，电网的无功损耗极大。

2 煤矿井下低压供电系统无功现状

由于井下机械化设备不断增加，煤矿已成为工业系统耗能大户，电力消耗在煤矿生产成本中占有很大比例。从节电情况看，虽然加强了用电管理，推广了部分节电产品，但远远没有达到国家对重点煤矿企业节能降耗的要求。

煤矿井下采、掘、开、运、通系统，功率因素长期运行在0．4～0．7之间。随着煤炭产量增加，巷道延伸，负荷增加，井下电能损耗相当严重，这种状况在全国煤炭系统带有普遍性，而且相当多的矿井没有采取节电措施。

尽管目前煤矿地面中央变电所通常装设高压集中无功补偿装置来提高功率因数，但只能补偿母线补偿点之前供电线路上的无功功率，而该母线后即负荷方向的电网没有得到有效补偿。

3 煤矿井下低压无功补偿技术的发展应用

地面无功补偿技术已经由传统的同步调相机、并联电容器发展为占主导地位的静止无功补偿装置(SVC)，SVC可分为接触器投切电容器(MCC)、晶闸管投切电容器(TSC)、晶闸管控制电抗器(TCR)以及两者组合(TSC+TSR)、磁控电抗器(MCR)等多种类型，在不同应用场合都有大量的应用。比SVC更为先进的静止无功发生器(SVG)近年来也开始应用于一些场合，技术不断发展成熟。

无功补偿技术近几年开始应用于煤矿井下低压供电系统，由于环境的特殊性，需要综合考虑补偿装置的安装空间、防爆性能、设备成本、散热等问题。目前国内井下低压无功补偿装置大多采用交流接触器投切电容器组的方式，该方式价格低廉、控制简单，有一定的推广优势。但此类产品在应用中有明显的弊端，一是合闸涌流大，易烧损接触器触头，缩短电容器的使用寿命;二是开关工作频率低，难以快速跟踪补偿，切换周期一般为10～30s，在两次切换之间，无论用户负载电流如何变化，补偿装置仍按原数据补偿，容易造成过补或欠补。

近年来，晶闸管投切电容器(TSC)得到了普遍重视。由于具有过零检测、过零触发的优点，响应速度快，合闸涌流小，无操作过电压，无电弧重燃，从而基本上解决了交流接触器投切时经常拉弧甚至于烧结而损坏的不良情况。但其自身也存在着明显的不足，主要为成本较高;对晶闸管过零触发控制电路性能有较高的要求;晶闸管运行中的电能损耗和发热问题不可忽视，必须采用相应的散热降温措施。目前一般采用晶闸管和交流接触器并联的复合开关对电容器组进行投切控制，既充分利用了晶闸管的过零投切无涌流、快速跟踪补偿等优点，也充分利用了接触器导通功耗低、容量大及工作安全可靠等优点。

4 TSC低压无功补偿装置

4．1 TSC 关键技术

TSC的关键技术是投切电容器时，主回路无电流冲击。选取投入时刻的总原则是，电容器投入的时刻即晶闸管开通的时刻，必须是电网电压与电容器预先充电电压相等的时刻。因为根据电容器的特性，当加在电容器上的电压有阶跃变化时，将产生冲击电流，很可能破坏晶闸管或给电网带来高频振荡等不利影响。

4．2 晶闸管阀组电路结构

煤矿井下供电为中性点不直接接地的三相三线制，为了使电容器在投入前与切除后始终保持在电网电压峰值，形成电容器预充电回路，从而选用“2控3”的晶闸管电路结构。“2控3”结构(如图1所示)为:用两组半导体开关器件控制三相电容器的投入或切除。在“2控3”电路中，每路晶闸管阀组可以由两个反并联的晶闸管或者一只晶闸管和一只二极管反并联组成，但在三相三线制供电系统中，采用两个反并联的晶闸管形不成上述的电容器预充电回路。

图1 “2控3”电路结构示意图

采用晶闸管与二极管反并联的“2控3”结构方式，电容器投入前其电压总是维持在电网电压的峰值，一旦电容器电压比电网电压峰值有所降低，二极管都会将其电压充电至电网峰值电压。只要在电网电压峰值时触发晶闸管，就可避免电流冲击，但是，由于二极管是不可控的，当要切除电容器支路时，最大的时间滞后为一个周波，因此其响应速度比两晶闸管反并联方式稍慢。

5 结语

在煤矿井下低压供电系统(1140V、660V)装设无功补偿装置，可用在综采工作面移动变电站二次侧对线路进行集中补偿，也可用在井下变电所干式变压器二次侧或掘进、开拓等系统供电变压器二次侧对大容量用电设备进行单独补偿。使用补偿装置对供电网络进行补偿后，可以提高功率因数，减少线路无功电流，降低线路损耗和变压器损耗，节约电费。同时也以提高线路端电压，解决用户电气设备启动困难的问题。

［1］ 王兆安，杨君，等著．谐波抑制和无功功率补偿［M］．北京:机械工业出版社，2005．

［2］ 陆安定．功率因数与无功功率［M］．上海科学普及出版社，2004．

［3］ 崔智明，白宏峰，田文科．煤矿井下防爆动态无功补偿装置的研发与应用［J］．2008(11):74－75．

［4］ 张银宝．浅谈煤矿井下供电系统无功补偿技术应用［J］．山西焦煤科技，2008(5):19－21．

Discussion on Low Voltage Reactive Com pensation Technology for Coal M ine Underground

GUO hui1，2，LAN zhi-heng2，SONG jian-cheng1
(1．Taiyuan University of Science and Engineering，Taiyuan 030024，China;2．Fenxi Electromechanical Co．，Ltd．，Taiyuan 030027，China)

The problems of lower power factor exist in the electric network of coalmine underground，which leads to the power supply system increase and reactive current increase，make electric equipment start difficultly and reactive loss serious．The paper discribes the reactive conditions of the low voltage powper supply system for coalmine underground and the development of reactive compensation technlogy and give a design idea of the low voltage reactive comcpensation detvice for TSC underground．

coalmine underground;reactive compensation;reactive power;TSC

TM56

B

1004－289X(2013)05－0009－03

2013－08－22

郭辉，男，山西文水人，工学/管理学学士，工程师，主要研究方向煤矿井下供电设备的开发与设计;

兰志恒(19－)，男，山西山阴人，硕士，工程师，主要研究方向煤矿井下下节能设备的开发与设计;

宋建成(19－)，男，山西太原人，教授，博导，主要研究方向为电力系统自动化和智能电器技术。