煤矿无功功率的动态补偿技术分析

刘建光

（山西煤矿设备安全技术检测中心，太原 030045）

1 无功功率补偿的概念

许多用电设备是根据电磁感应原理工作的，它们依靠交变磁场进行能量转换和传递，为建立交变磁场和感应磁通所需的电功率称为无功功率；所谓“无功”并不是“无用”功率，只是该功率并不转化为机械能和热能，故在供电系统中除需有功电源外，还需无功电源。在功率三角形中，有功功率P与视在功率S的比值，称为功率因数cos：

式中：P为无功功率，kW；S为视在功率，kW；Q为无功功率，kW。在电力网的运行中，功率因数反映了电源输出的视在功率被有效利用的程度，希望功率因数越高越好，希望无功功率降到最小，视在功率的大部分用来供给有功功率，从而提高输电能力。

1.1 影响功率因数的主要因素

1）大量的电感性设备（如异步电动机、感应电炉，交流电焊机等）是无功功率的主要消耗者。据统计，工矿企业消耗的无功功率中，异步电动机的无功消耗占60%～70%，而在异步电动机空载时所消耗的无功又占到异步电动机总无功消耗的60%～70%。故要改善异步电动机的功率因数，就要减少异步电动机的空载运行并要提高负载率。

2）变压器在输电中的无功损耗Q：

式中：Se为变压器的额定容量，kVA；I为变压器的负荷电流，A；Ie为变压器的额定电流，A；Uk%为变压器阻抗电压百分数。变压器的无功损耗与其额定容量、负载率、短路阻抗有关。一般约为其额定容量的10%～15%，它的空载无功损耗约为额定时的1/3。因此，变压器不应长期处于低负载运行状态。

3）供电电压超出额定范围，会对功率因数造成很大影响，据统计，由于磁饱和及阻抗的影响，当供电电压为额定电压的110%时，无功消耗将增加35%左右，故应采取有效措施尽力保持供电电压稳定。

1.2 用电功率因数低时带来的不良后果

2）增加电网中输配电线路中的功率损耗和电能损耗。线路中的有功功率损耗ΔP：

式中：P为有功功率，kW；Q为无功功率，kW；U为电压，V；r为电阻，Ω。

在输送相同有功功率P的情况下，若功率因数低，Q就大，有功损耗增大。

3）增加电网中输配线路中的电压损耗，会使受电端电压降低。若输配电线路的电阻为r，电抗为x，其电压损失ΔU为：

式中：P为有功功率，kW；Q为无功功率，kW；U为电压，V；r为电阻，Ω；x为电抗，Ω。

功率因数低，Q就大，ΔU就大，会使受电端电压降低。若电压低于容许值，将严重影响异步电动机及其它用电设备的正常运行；特别在用电高峰时，因功率因数低而造成大面积电压偏低，很多设备将无法启动。

综合上述，提高功率因数必须提高电网中各环节的功率因数，才能充分利用供电设备的有效容量，减少网损，降低线路的电压损耗，达到节约电能和提高供电质量的目的。

2 煤矿用电的特点及无功补偿现状

近年来，煤矿机械化程度有了新的提高，大型采、掘、运设备的投入，使煤矿用电负荷逐年增加。就目前大型煤矿而言，其用电特点如下：①煤矿安全规程要求，矿井供电电源必须是来自不同电源点的双回路供电，主变压器和主供电线路必须是一用一备，供电设施的安全可靠是煤矿供电的基本要求。②煤矿用电负荷变化大，频次高。由于大型采、掘、运设备的投入，在交接班和井下检修时，有功负荷只有正常生产时的30%，有功负荷的大幅度变化，会造成用电功率因数低；而在正常生产时由于无功功率不能达到跟踪补偿而造成井下电压低，会给生产设备的正常启动和运行带来很大困难。③目前煤矿用的无功补偿装置还有很大一部分采用手动投切，在矿井负荷变化大、变化频次高的情况下，频繁投切电容器组几乎是不可能做到的。即便补偿容量能够满足最大无功补偿量的要求，但因无功补偿为分组投切，在有功负荷变化而需要无功负荷跟踪增减时，很容易出现过补或欠补现象。④随着煤矿开采的不断延升，供电系统逐年加大，原有的供电系统将越来越不适应大负荷长距离供电要求，引起最突出的问题是无功损耗增加和受电端电压下降。除了用改变电力网参数来减少电压损失和功率损耗外，改变电网中的传输功率是减少电压损失和降低网损的有效途径。

3 无功功率动态补偿技术概况

静止无功补偿装置（SVC）是相对于调相机而言的利用电容器和各种电抗器组成的一种无功补偿装置（提供可变的容性和感性无功），利用先进的控制技术，不依靠断路器能平滑控制动态无功功率。目前无功功率动态补偿装置较多，但能实现真正意义上的无功功率动态补偿装置，可有以下两种：①FCDCMSR直流励磁饱和电抗器型。实际是个大型功率磁放大器，是通过改变直流励磁电流ic的大小，来改变工作绕组感抗XL，以实现调节输出无功功率的目的。②FC-TCR型静补装置：它是将线性电抗器XL直接或通过中间变压器接入电网母线，电抗XL是通过相控阀调节其感性电流，相控阀采用晶闸管，通过调节晶闸管导通角α来改变电抗器感性电流的大小,以实现调节无功功率输出。③上述二种形式的补偿装置都能实现无功功率的自动调节，但无论那种型式都是通过改变电抗（或容抗）参数，来调节无功功率的输出。因此运行中都产生高次谐波，功耗大，造价高。

4 电压型SVC构成原理简介

电压型SVC由自耦变压器、有载调压装置、补偿滤波支路和计算机测控系统构成，见图1。

图1 电压型SVC原理图

电压型SVC是由自耦变压器和有载调压装置构成电压分级调节电路，电压分级调节电路的输出接入补偿滤波支路，调节补偿滤波支路两端的工作电压，可以改变补偿滤波支路发出的无功功率。根据补偿容量的需求和滤波要求，可设置滤除不同次数谐波的固定补偿滤波支路FC和动态补偿滤波支路SVC，从而实现无功功率的动态补偿和谐波治理。

5 电压型SVC的技术特点

①它是通过改变电容器受电电压来调节电容器输出的无功功率，而施加给电容器的端电压则是根据母线无功功率实际消耗量随机调节；且其级差量较小，补偿量既不会过补，也不会欠补，始终保持在一个预先设置的水平。②调节换档过程中由于过渡电阻的作用，电路不会处于断路换路状态。自耦变压器为全程有载调压，电容器的投入或切除均可实现零电压投切，不会产生合闸涌流或操作过电压。③自耦变压器（比同容量的普通变压器容量）小，有功损耗小，与TCR型SVC相比，只有其有功损耗的10%。④装置运行中自身不产生谐波，不会给用电系统造成谐波污染，并可根据要求设计成具有滤除各次谐波的功能。⑤补偿电容器只有在最大补偿容量时才会达到其额定电压运行，多数情况处于低于额定电压的工作状态，电容器运行可靠性高、寿命长。

6 结束语

本文探讨煤矿用电进行动态补偿的必要性，介绍无功功率静止补偿装置（SVC）的工作原理及其存在问题，指出电压型SVC的工作原理和技术特点。重视和采用无功功率动态补偿，对煤矿的节能降耗将会做出积极贡献。

[1]刘介才.工厂供电[M].北京:机械工业出版社，2005.

[2]陆安定.功率因数与无功补偿[M].上海:上海科学普及出版社，2004.