盾构机无功功率补偿系统分析

郇利民 杨金虎 韩佳霖

摘 要：在盾构机电网系统中，无功功率补偿是一个被忽略的问题，在现场运行过程中，无功补偿装置故障率非常高。表现在回路熔断器烧毁或者补偿电容烧毁。我们的盾构机所采用的都是标准型补偿方式，这种补偿方式在盾构机这个存在严重谐波污染的电网中所起作用利弊难以权衡。文章以一项目为例，通过计算系统功率因数及污染程度，结合现场问题，提出调谐型补偿方式。并详述计算过程。

关键词：盾构机；功率因数；无功功率；调谐补偿

引言

在盾构机电网系统中存在大量的感性负载，感性负载消耗着大量的无功功率，无功功率的存在对电网的影响主要有以下几个方面：无功功率增加，导致电流增大和视在功率增加，从而使变压器、控制设备和导线等电器设备容量增加；供电设备及线路损耗增加；变压器及线路的电压降增大，使电网电压产生波动。

1 盾构施工现场存在的问题

在现场运行过程中，几乎所有设备上的无功功率补偿系统都存在以下的问题：现场检测功率因数值偏低；始发不久就会出现补偿回路的熔断器烧坏，甚至有的工地电容器烧坏。针对此现象，对此问题做了以下分析。

1.1 项目分析

以直径6.28m土压盾构机项目为例，数据如表1所示。

表1 满载运行功率参数

按照如上计算结果，除拼装模式功率因数低于0.9外。整个电网系统无需补偿就可以达到用电标准。但现场会发现实际检测功率因数值有时候会低至0.6。出现这种现象是因为在计算过程中忽略了一个很重要的因素：电机负载。上述计算结果是在电机满载运行时候的功率因数计算出来的。实际上，在掘进模式还是拼装模式下，不是所有运行中的电机都能在额定功率下运行。电机在额定功率下的功率因数在0.9左右。小于额定功率运行时的功率因数为额定运行条件下的50%左右。空载运行则更低只有20%左右。所以，如果按此情况根据现场实际电机使用率做个估算，其结果如下表2所示：（下列结果都以满载功率因数的50%计算）

表2 50%负载运行功率参数

由表2可以看出，计算结果中功率因数已经小于0.9。这就说明，现场设备运行时，所有参与工作的电机都不在满负载状态工作，甚至有些电机长时间处于空载。所以导致现场检测功率因数值比估算结果还要低。这就说明了前面提到的现场检测功率因数偏低的现象。

2 补偿原则

2.1 盾构机电网无功补偿原则

盾构机上存在着非线性负载如刀盘主驱动变频器。非线性负载产生大量谐波电流并注入到系统电网中。当电网存在谐波时，单纯并联电容器组的无功补偿方式有如下弊端：并联电容对谐波有放大作用，易发生串联谐振或并联谐振，使系統电压及电流的畸变更加严重；由于谐波电流叠加在电容器基波电流上，使电容器的电流有效值增大，造成温度升高，烧坏回路熔丝甚至烧坏电容器。

从表1可知，整个系统在掘进模式下的谐波污染大约为57%。无功功率补偿原则为，当谐波污染大于25%时，就应该采取调谐型补偿。调谐型补偿即在补偿回路中串联电抗器。它可以有效抑制谐波，防止发生谐振。而盾构机的电网系统全部采用标准补偿，这种补偿方式在谐波污染如此严重的系统中无疑会出现谐振，放大谐波。导致电容器过载，产生发热或烧坏。

2.2 调谐型补偿算法

盾构机电网系统的谐波次数一般为5次。根据并联电容装置设计规范对调谐补偿装置的电抗率规定。背景谐波为5次及以上时，电抗率K取4.4%～6%。

3 结束语

与纯电容补偿回路相比，串联电抗器后，电容器端电压会升高，高于电网电压，并使无功功率补偿容量增加。所有选取电容器的设计电压需要高于电网电压，选择与之匹配的电抗器。同时电抗率是该装置的重要参数，这一参数需根据电网频谱特性选择。此种补偿方式能使回路的调谐频率低于网络中产生的最低次谐波频率。这样，该装置在工频时呈容性，改善功率因数；在谐波频率时呈感性，防止谐波放大，防止产生过大的冲击电流。烧坏回路的元器件。所以，串联进电抗器后的补偿回路不会出现上面所说的烧坏回路断路器或者电容器的现象。

提高整个系统的功率因数，有利于充分利用电源设备容量，改善供电质量，同时也是响应国家节能环保号召的实际体现。

参考文献

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