铁矿供电系统无功补偿优化

乌兰巴特 牛 成 马亚平

（河北钢铁集团矿业有限公司承德柏泉铁矿）

供电部门对工业用户功率因数规定0.9为不奖不惩的界限，当用户进行无功补偿将功率因数提高到0.9以后，每提高1%，供电部门按月电量0.15%奖励用户。低于0.9时，增收功率因数调整电费。当地电力部门只能监测到用户总进线的功率因数并进行考核，而从企业角度来讲，单纯的总进线功率因数提高并不是企业最优运行方案。无功补偿通常分为集中补偿、分散补偿和就地补偿。若能够从下至上从单体运行电机至总进线进行全方位无功补偿，能够实现效益最大化［1-6］。

无功补偿需要从供电系统进行综合考虑。低压系统进行无功补偿后，高压系统可能出现过补的现象，因此需将高压无功补偿进行统一考虑。改造前柏泉铁矿高压总进线功率因数为0.92，有较大优化空间。

1 项目实施

矿山企业电力传动设备多为异步电动机，异步电动机均属于感性负荷，在处于运行的状态下，因生产需求，部分异步电机存在大马拉小车的现象，有一定的无功损耗。因此，减少无功损耗，提高电网的功率因数，可提高供电设备的有效容量，增加输电能力，同时可提高电压质量，减少变损和线路损耗，提高线路前端功率因数。

1.1 就地补偿

柏泉铁矿采选扩能完成后因选一作业区是老车间，原有部分无功补偿不合理。按照不同的补偿对象，无功补偿容量有不同的计算方法。

（1）按照功率因数的提高计算。补偿前功率因数为cosϕ1，补偿后功率因数为cosϕ2，补偿前后的平均有功功率为P，则需要补偿的无功功率容量为

（2）按照躲开电动机空载电流计算。单台异步电动机进行就地无功补偿时，若电动机突然与电源断开，电容器将对电动机放电而产生自励磁现象。如果补偿容量过大，可能因电动机惯性转动而产生过电压损坏电动机。为防止这种情况的发生，不宜使电容器补偿容量过大，应以电容器组在此时的放电电流不大于电动机空载电流为限，即

式中，UN为供电系统额定线电压，kV；I0为电动机额定空载电流，A；Qc为补偿电容器容量，kvar。

电动机空载电流的数值若在产品样本中查不到，可通过下面两个估算公式推算出。按电动机最大转矩倍数推算公式为

经验公式为

式中，I0为电动机的空载电流，A；IN为电动机的额定电流，A；cosϕN为电动机的功率因数；K为计算参数，当cosϕN≤0.85时，K=2.1，当cosϕN>0.85时，K=2.15。

已知中矿泵电机和分级机电机型号及实测功率因数见表1。

（3）补偿电容的选定。若进行无功补偿后功率

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因数按0.98计，按公式（1）计算。中矿泵补偿电容Qcz=22.63 kvar，按公式验算Qcz≤27.26 kvar，所以选取补偿电容容量为20 kvar。分级机补偿电容Qcf=10.44 kvar，按公式验算Qcf≤12.60 kvar，所以选取补偿电容容量为10 kvar。

（4）就地补偿效果。以此类推对选一作业区除因工艺原因无法加装补偿电容的电机外，对额定功率7.5 kW以上的电机全部加装就地补偿。陆续对环水泵电机、过滤机电机、二段球磨机电机进行就地补偿改造，总容量1 616 kW。加装就地补偿的电机功率因数均达到0.95以上。因设备运行方式不同，有些电机即使功率因数很低也不能加装就地补偿。比如部分事故泵电机，矿浆回收泵电机等。由于负荷波动非常大，若运行负荷很小时加装就地补偿会发生过补的现象，不利于电网的稳定运行。

1.2 分组补偿

该种补偿是将电容器组按低压配电网的无功负荷分布情况，分组装设在相应的母线上，或直接与低压干线相连接，形成低压电网内部的多组分散补偿方式。电容器分散装设可以就近补偿用电设备所消耗的无功功率。由于这部分无功功率不再通过主干线以上线路输送，从而使变压器和配电主干线路的无功功率损耗相应减少，因而分组补偿比集中补偿降损节电效益显著。尤其对于用电负荷点较多，且距离较远的低压配电网，这种补偿效益更高。

由于大多数负载是随时间及季节变化的，采用自动补偿较好。分组电容器的投切可随总的负荷水平而变化。柏泉铁矿低压母线上全部安装了分组补偿装置且全部为自动补偿，对全部分组自动补偿柜进行了检测，运行效果较好，只对部分损坏的电容进行更换。

1.3 集中补偿

柏泉铁矿35 kV变电站建设时在10 kV母线和6 kV母线上安装了集中补偿装置，但随着车间负荷的变化，6 kV母线负荷逐渐减少，6 kV母线的集中补偿装置无法满足实际需求。

1.3.1 6 kV母线电容补偿柜优化改造

柏泉铁矿高压供电有10 kV和6 kV供电系统。由于生产需求，原6 kV用电设备不断减少，10 kV用电设备增加，导致6 kV母线补偿电容不匹配。6 kV供电系统的用电设备主要为采矿的潜孔钻机，同时采矿作业区潜孔钻机避峰就谷运行，只在夜间进行钻孔作业，6 kV母线负荷变化较大。原电容补偿柜设计容量为1 500 kvar电容器组，串联电抗器为90 kvar。补偿电容若投入，6 kV母线有时会出现过补现象，若不投入，功率因数一般在0.84左右。

该矿6 kV供电系统的谐波含量不高，以5次谐波为主，电压、电流的波形畸变不大。这样对谐波的治理可暂不考虑，主要任务是提高系统的功率因数。

考虑到经济情况，为了最大程度地减少投资，只将原补偿柜进行改造，更换电抗器，拆除1组电容，将原电容柜补偿电容由1 500 kvar（2组每组3块电容）投入一半，容量改为750 kvar，只需采购1台45 kvar电抗器代替原90 kvar电抗器。改造后6 kV母线功率因数达到0.98，效果非常显著。

1.3.2 选一尾矿砂泵加装补偿电容优化改造

对柏泉铁矿全部高压配电室功率因数进行测定，详细数据见表2。

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由表2可知，选一砂泵、高压辊磨、破碎综合功率因数偏低。因工艺原因，高压辊磨和破碎综合所带设备每日均需停车检修，所带的主体设备旋回破碎机、圆锥破碎机、高压辊磨机负荷波动非常大，不适合进行无功补偿。选一砂泵属于选矿设备，除计划检修外均连续运转，适合进行无功补偿。

选一作业区尾矿泵分支共有尾矿泵电机4台，其中2台电机功率为315 kW，2台电机功率450 kW，2用2备（1台315 kW和1台450 kW同时运行），平均功率在0.82左右，有较大的优化空间。在选一砂泵高压室母线增加电容补偿柜。

补偿容量计算方法为Q=P()，补 偿 目 标 值cosϕ2=0.82，cosϕ1=0.98，P=685 kW，计算结果Q=356.4 kvar。依据补偿容量的计算结果，选一砂泵分支供电系统10 kV母段选用300 kvar补偿电容，按6%电抗率选型，电抗器容量为18 kvar，按该容量选取配套电容柜。补偿柜投入运行后，选一砂泵进线功率因数由0.82提高到0.97以上，电流降低6 A以上，节能效果显著。

对全矿供电系统进行全方位无功补偿优化后，小柏线总进线功率因数达到0.98以上，每年受当地电力部门奖励60万元以上。

2 成本投入与效益测算

选一作业区按全部加装就地补偿电机进行测算，就地补偿电容采购费25.84万元，年创效75.5万元；6 kV补偿柜电抗器采购成本2.2万元，年创效121.54万元；选一砂泵高压补偿柜采购成本18.5万元，年节约电费62.17万元；柏泉铁矿年受当地电力部门奖励增加60万元，合计年创效255.67万元。

3 结语

通过研究发现，对供电系统进行系统性的无功补偿，可提高功率因数，随着功率因数的提高可减少电能损耗，减少线路损耗，减少变压器的有功功率损耗，减少线路及变压器的电压损失，增加发配电设备的供电能力等，经济效益及节能效果明显。进行无功补偿时，需对整个供电系统从下至上，从单体运行电机至总进线进行无功补偿，对不适合加装无功补偿的部位或设备严禁加装补偿电容，避免出现过补影响供电质量。该研究尚未实现柏泉铁矿所有适合无功补偿电机的全覆盖，如碎矿个别软启动电机、选二1系列浮选电机等，实现后可进一步提高经济效益。