浅谈动态无功补偿装置在煤矿的推广与应用

戴文琦

（大同煤矿集团铁峰煤业有限公司，山西大同037200）

浅谈动态无功补偿装置在煤矿的推广与应用

戴文琦

（大同煤矿集团铁峰煤业有限公司，山西大同037200）

介绍了铁峰煤业有限公司为消除无功造成的危害，在110 kV变电站安装了一套有源动态无功补偿和谐波抑制装置（SVC），分析了无功补偿原理、该装置的基本性能及应用情况。实践证明，该装置稳定可靠，能够连续、平滑、动态、快速的进行无功功率补偿，同时动态抑制谐波，节能降耗效果显著，保证了供电的连续性、可靠性、电能质量、经济合理性，经济效益和社会效益可观，可在煤矿大规模推广应用，有着广阔的应用前景。

煤矿变电站；有源动态无功补偿；谐波抑制；SVC

大同煤矿集团铁峰煤业有限公司是一座现代化特大型矿井，建设产能规模为1 000万t。由于铁峰煤矿选用了大量的变频控制及直流拖动系统，该系统产生的谐波电流对电源质量造成污染。为消除诸多大功率变频、直流设备产生的谐波及无功冲击，减少无功能耗，铁峰煤矿在110 kV变电站安装了一套有源动态无功补偿和谐波治理装置（SVC），在10 kV高压侧集中进行无功补偿。与传统的无功补偿装置相比，SVC具有调节速度快和无级可调的特点，其还具有运行范围宽、占地面积小、运行成本低、使用寿命长及可靠性高、免维护等特点，是动态无功补偿及谐波治理装置的发展方向。铁峰煤业经过两年的运行，证明了该装置稳定可靠，可在煤矿大规模推广应用，有着广阔的应用前景。

1 无功带来的危害

近年来，随着铁峰煤业有限公司电动机软启动及变频器在电气传动控制系统中的广泛应用和容量的不断增加，极大地影响了电网的运行和效率，同时也影响到该公用电网中运行的其他电气设备。电气传动自动化装置是由电力电子器件构成的，而电力电子器件具有非线性和波形非正弦的特点，因而在电源侧（网侧）的电流既含有基波，又包含有其它的谐波，在启动过程中，无功冲击较大，会使电网电压发生较大的波动，给电网和其他用电设备带来的危害越来越大。所以，在设计或安装大型电气智能化控制系统时，必须考虑谐波治理和功率因数及无功功率补偿问题。

综上所述，电气智能化控制系统对电网的影响主要表现在以下几个方面：大功率电气设备启动时，无功冲击非常大，电网中平均功率因数偏低，电网中有谐波电流存在。

1）无功冲击会造成以下几方面的影响。

a）无功冲击使变电站供电母线的电压产生波动，从而影响电气设备的运行效率。

b）电网中存在大量无功功率，导致系统功率因数较低，大量能源被无端消耗。一般变流设备的自然功率因数只有0.7左右，直接影响供配电系统利用率，导致用电单位电费支出增加，增大生产成本，降低经济效益。

2）电网中存在的谐波电流对煤矿电气设备的危害。

a）供电变压器存在谐波电流的危害。

供电变压器在运行过程中存在谐波电流，主要会产生附加损耗，温度升高，出力下降，绝缘降低，缩短使用寿命。

b）旋转电机存在谐波电流的危害。

旋转电机中存在谐波电流，主要会产生附加损耗，机械振动增大，噪声增强，同时也会产生谐波过电压。

c）电缆及并联电容器存在谐波的危害。

电力电缆以及并联电容器中谐波增大时，会因产生的过电流和过电压使电容器损坏，甚至危及整个供电系统的安全可靠运行。

通过以上分析，变流设备产生的大量谐波电流和无功冲击会对用电单位、公共电网等造成较严重的电压波动和谐波污染。这不仅降低用电单位效率，同时严重威胁电网的安全可靠运行，还会对公共电网的其它用电设备造成危害，因此，在煤矿变电站安装无功动态补偿装置有着十分重要的意义。

图1 简单的负荷连接示意图

图2 带有可调相控电抗器无功补偿的系统示意图

2 无功补偿原理分析

1）铁峰110 kV变电站用户负荷吸收有功功率PL和无功功率QL。简单的负荷连接示意图见图1。

在煤矿电网中，电源提供有功功率PS和无功功率QS，如果忽略变压器本身损耗和电网线路损耗，则有PS=PL，QS=QL。电网在没有无功吸收的情况下存在以下几个问题：

a）煤矿电网将从远端传送无功。

b）电气设备的无功冲击将直接影响本地电网和上级电网的供电质量。

由此可见，煤矿对用电负荷进行必要的无功补偿能有效地提高电力系统的带载能力，净化电网，从而提高功率因数，提高电网的电能质量，对煤矿企业的合理高效供用电有着十分重要的意义。

2）铁峰110 kV变电站运用可调电抗器补偿无功。带有可调相控电抗器无功补偿的系统示意图见图2。

铁峰110 kV变电站有效地运用可调电抗器动态补偿无功功率，系统先将负荷的最大感性无功用电容进行补偿，假设负荷消耗感性无功QL，负荷的最大感性无功为Qlmax，则若取QC=Qlmax，即系统先将负荷的最大感性无功用电容补偿。当负荷变化时，电容与负载共同产生一个容性无功冲击，QP=QC-QL，这时，用一个可调电抗（电感）来产生相对应的感性无功QB，抵消容性无功冲击，这样在负荷波动过程中，就可以保证：QS=QC-QB-QL=0。

铁峰110 kV变电站通过运用可调电抗器补偿无功，功率因数由原来的0.82提高到0.97，效果显著。

3）运用FC滤波器有效地抑制谐波。

铁峰110 kV变电站运用FC滤波器有效地抑制谐波。滤波器接线原理图见图3，图3中电阻R为系统中电感等效电阻，阻值非常小；电感L的电感值也较小，所以整个系统中滤波器发出的无功呈容性。对于整个滤波器进行分析，滤波器对n次谐波（ωn=nωs）的阻抗为：Zfn=Rfn+j（nωsL-1/nωsC），式中，fn表示第n次单谐调滤波器，得出的滤波器阻抗随频率变化的曲线见图4，从而系统可达到抑制谐波的目的。

图3 滤波器接线原理图

3 设计方案

设计参数：铁峰煤矿（含选煤厂）电力总负荷

总有功功率：42 860 kW，总无功功率：33 967.73 kVar，功率因数：0.95，无功补偿总容量：2×10 000kVar，补偿后无功功率：13 967.7 kVar，视在功率：45 078.6 kVa，全矿年耗电量：180 012 000 kWh，吨煤电耗：18.0 kWh/3.1。

主变参数额定容量：31 500 kVA

数量：2台

运行方式：单母分段，一用一备

110 kV母线最大短路容量：3 058 MVA

10 kV母线最大短路容量：451 MVA

补偿容量计算:

根据计算，10 kV母线上设计安装1套SVC-10/ 10000、14 000 kVar、TCR+FC型SVC高压动态无功补偿及谐波治理成套装置，TCR容量为10 MVar，滤波器基波有效补偿容量14 MVar。

图4 滤波器阻抗随频率变化的曲线图

4 SVC的组成

SVC由TCR及FC滤波器两大部分组成。

1）TCR装置。

TCR装置主回路晶闸管元件的选用，应留有足够的电压、电流裕度，当每相有1只元件发生故障时装置仍能正常运行，元件应有良好的dv/dt，di/dt特性，晶闸管元件选用优质原装进口产品，晶闸管阀组采用单元结构，要求开通及关断的一致性好，并同时具备以下保护：

a）阻容保护。

为了对晶闸管换向过电压的吸收，同时能够实现动态、静态的均压作用，反并联晶闸管的每一组两端并阻容器件，使各相的每只晶闸管上的电压差<5%，实现对晶闸管的保护作用，保障晶闸管不会发生击穿或损坏。

b）晶闸管击穿保护。

晶闸管击穿信号由光纤将击穿信号传至控制柜，同时送出本地及远程的报警信号。当每一相击穿的晶闸管超过1只时，应封锁脉冲并同时送出分断高压开关的信号。

c）丢脉冲保护。

一相脉冲丢失时将引起相控电抗器三相电流不平衡。每相中的正向或反向脉冲丢失时，将引起相控电抗器中电流为直流，使晶闸管阀及相抗电抗器严重过载，所以，一旦出现丢脉冲时控制系统应能立即封锁脉冲，同时给出本地及远方报警信号。

d）晶闸管采用光电触发方式。

2）电抗器采用晶闸管相控技术。

a）电抗器接成三角形接法，晶闸管串在电抗器中间实现对每一项进行相控，电抗器分为两部分接在晶闸管的上面和下面，两部分电感值相等。

b）相控电抗器的安装位置：户外。

3）FC装置。

a）FC装置的安装位置：户外。

b）滤波电抗器。空心、铝导体电抗器，电感值制造偏差<1%，具有不小于±5%无级平滑调节范围，方便调节，绝缘水平：B级绝缘。

c）滤波电容器。应采用全膜介质，电容器的温度系数的绝对值应不超过5×10-4/K，电容器的损耗角正切值需满足：≤0.000 5，对电容器外壳的要求是：耐爆裂能量≥12 kJ。

电容器应在每台内附放电电阻及内熔丝保护；应采用对环境和人体无害的产品。

4）SVC系统。

a）SVC系统必须具备通讯功能。

b）SVC控制系统必须具备事故记录、就地和远方事故声光报警和事故打印功能。

c）在系统不同运行工况下，所设计的滤波器不能与系统产生并联谐振和谐波放大，应由计算机仿真程序计算来证明。

d）必须采用DSP全数字控制系统，具有自诊断和多种故障指示功能。

e）晶闸管散热器必须采用高效自冷散热装置，投标方应承诺，在SVC装置正常使用寿命期间内，散热系统完全免维护。

5 SUV应用情况

铁峰110 kV变电站动态无功补偿装置（SUV）设计满足国家及行业规程规范的要求，设备选型先进，整体布局合理、紧凑，运行稳定，性能良好。该装置能够连续、平滑、动态、快速地进行无功功率补偿，同时动态抑制谐波，并能进行不对称负荷平衡补偿，节能降耗效果显著，保证了供电的连续性、可靠性、电能质量、经济合理性等，可为煤矿的安全生产提供保障，经济效益和社会效益可观，推广应用前景广阔。

Popularization and Application of Dynamic Reactive Power Compensation Device in Coal Mine

Dai Wen-qi

Introduces Tiefeng coal co.，LTD installed a set of active dynamic reactive power compensation and harmonic suppression device（SVC）in 110 kV substation to eliminate the damage of reactive.Analyze the reactive power compensation principle，fundamental characteristics and application situation of the device.The practice proves that the device is stable and reliable，can continuous，smooth，dynamic，fast to compensate the reactive power and dynamic suppress harmonics.Energy saving effect is remarkable.Ensure the continuity，reliability and quality of power supply.Economic and social benefit is considerable.Large-scale popularization and application in coal mine have a broad application prospect.

Coal mine substation；Active dynamic reactive power compensation;Harmonic suppression;SVC

TD63

B

1672-0652（2014）11-0010-03

2014-10-26

戴文琦（1974—），男，山西繁峙人，1993年毕业于山西省机械工业学校，工程师，主要从事煤矿技术管理工作（E-mail）18635999056@126.com