摘 要:为了减少无功功率，提高功率因数、供电效率和电压质量，降低线路损耗和成本，在煤矿电网供配电系统中，采用并联电容器无功补偿装置来实现。
关键词：煤矿；供配电系统；无功补偿
前 言：在矿山、煤矿采煤机、真空泵、大量的异步电动机、变压器、阻感性负荷无功功率,产生的无功功率,在很大程度上,增加了输电和配电线路,变压器、电气和机械设备运行电压水平的电能转换效率较低,将直接影响到煤矿供电安全、矿井机电设备的可靠性和稳定高效运行。
1 煤矿无功功率产生的危害
在煤矿机械设备的感性负荷由变压器和三相异步电动机产生的,做了很多不必要的工作中,并消耗大量的功率,从而降低了系统的功率因数和电路中会造成重大损失。与此同时，设备产生的无反应冲击载荷会引起剧烈的波动，降低供电质量，甚至对发动机造成一定程度的损坏，这在大功率设备中更为常见。此外，无功电流的产生会导致电路故障，降低材料的绝缘，导致泄漏、短路等。目前我国矿山无功事故较多，例如西山煤电集团发生过一次事故，由于无功负荷过大，设备无法启动。最后，有关人员必须提高系统的电压水平，使设备能够正常工作。因此，有必要采取适当的措施来减少无功功率的损害，通过补偿无功功率、减少相关损失和增加系统功率因数来优化网络运行。
2 无功功率补偿问题的提出
在交流电路中，有两种负载，有功功率和无功功率。有功是指电力设备正常运行所必需的电能，即电能转化为机械能、光能、热能等。无功功率是在电路中交换电场和磁场，在电气设备中建立和维持磁场的电能。它不从事非农工作，而是转化为其他形式的能源。任何带有电磁线圈的电气设备都需要无功功率来产生磁场。无功功率是电压或电动势与无功电流的乘积。一般情况下，电气设备不仅要接受电源的有功功率，还要接受电源的无功功率。如果电网的无功功率需求超过需求,电气设备的无功功率,并不拥有电磁场足以证明电器两端的电压和额定条件设备不能正常运行的减少,从而影响他们的正常运行。无功功率会降低发电机的有功功率，对电网产生不利影响。减少运输和设备的供应能力;导致线路电压损耗增大，功率损耗增大;其结果是低功率因数运行和低电压，使电力设备的容量未得到充分利用。无功功率分配器和高压输电线路负荷的供应远远不够，因此需要在网络中安装一些无功补偿装置来完成无功功率，以保证用户的无功功率需求，保证电力设备的额定电压运行。因此，电网必须配备无功补偿装置。无功功率补偿是指感性负载与容性功率器件在同一电路中连接。当电容性器件释放能量时，感应负载吸收能量，感应负载释放能量，电容性器件吸收能量，能量相互转换。感应负载吸收的无功功率在电容器装置的无功输出中得到补偿。无功补偿不仅可以改善矿井供电环境，提高电网电压质量，减少或消除过涌电流的影响，而且可以节约大量的线路损耗，提高经济效益。
3 各种无功补偿方式的比较
3.1 TOR型静止型动态无功补偿装置(svc)
（1）TCR+FC型SVC设备的原理。设备由TCR和Fc两部分组成，Fc向系统提供固定的容性无功并滤除高压母线上的各次谐波；TCR为晶闸管串联电抗器装置，由控制系统实时跟踪负荷变化来改变晶闸管触发角从而向系统提供实时可变的感性无功。容性无功和感性无功的相位相反，二者相加将改变无功变化量，从而达到抑制电压波动、提高功率因数等作用。Fc是直挂于高压母线下多组固定不变的滤波器，其滤波阻抗曲线固定不变，能将负荷变化过程产生的变化的谐波有效滤除，达到国标要求：TCR快速跟踪负荷变化(响应时间小于lO啊s)。（2）响应速度。TCR+FC型SVC设备动态部分为采用的是晶闸管相控电抗器，SVC设备采用专用算法及DSP控制芯片等专有技术，可以保证SVC动态部分的响应时间小于lOms，且为平滑调节，足以满足负荷动态无功补偿快速、精确的要求。（3）谐波的治理。TCR+FC型SVC设备，通过FC部分设置与电网特征谐波相同的滤波器对谐波进行滤除。（4）三相不平衡的治理。将不对称的电流进行分解，可以得到正序和负序电流，其中负序电流将使电力系统中以负序电流为起动元件的许多保护及自动装置产生误动作。由于负序及正序的相序相反，注入旋转电机后产生附加电动力，引起振动及附加损耗。（5）设备损耗。SVC设备直接安装在高压侧，工作电流小。经统计，TCR型SVC设备的平均损耗为设备补偿容量的0．2％'--0．3％。
3.2 McR型动态无功补偿装置
（1）设备原理。上世纪60年代由英国GEC公司制成第一台自饱和电抗器型SVC，后期演变为可控饱和电抗器(CSR)型，也可称为MCR型动态无功补偿装置。其原理是三相饱和电抗器的工作绕组并联在电网上，通过改变饱和电抗器的直流控制绕组的励磁电流，借以改变铁心的饱和特性，从而改变工作绕组的感抗，达到改变其所吸收的无功功率的目的。（2）响应速度。控制回路时间常数大(达O．2S)，动态的响应速度慢。（3）损耗。可控电抗器在额定负载时。铁芯工作在磁饱和区域，在这种结构下，磁饱和时的边缘效应显著，由于磁阀交替饱和，在磁阀附近铁芯区域存在较大的横向磁场分量，因此增加了电抗器铁芯和绕组的附加损耗，约为4％～7％。以武钢热轧三段为例，其容量为60000k'VA，单线圈电阻为0．056欧姆，全载电流为3470A。则直流电阻损耗为：3×I×I×R=3×3470×3470×0．056=2022．9kW为补偿容量的3．37％。铁损和励磁损耗与之相当，则全载总损耗为6．7％～7％，就此设备损耗的统计值为4％--7％。（4）谐波电流。如电抗器部分投入，电抗器与负荷产生的谐波将同时出现。（5）运行噪音大、振动大。热轧三段MCR噪音实测达140分贝。（6）无功控制范围小。饱和电抗器属于非线性元件，使得工作绕组的电流不能有效跟随控制绕组(励磁绕组)电流的变化而交化，也即补偿的无功功率有过补和欠补现象发生。为了抑制过补偿现象，设计时把控制电流限制为铁心完全饱和时电流的O．85以下，也就是说MCR的无功控制范围在0--一85％之间，而不是0～100％之间。
3.3 高压T$O型sVC
（1）TSC设备的原理。设备由主回路和控制系统组成，主回路是一般由铁芯电抗器与电容器组和反并联低压晶闸管串联组成可投切的电容器组，反并联低压晶闸管作为投切开关；控制系统对功率因数进行检测，根据功率因数高低向品闸管投切开关发出投切指令，从而起到提高功率因数的作用，其理论上响应时间为30ms(超过一个周波)。（2）电压波动的治理。TSC型SVC设备，动态部分为晶闸管投切电容器组，理论上TsC型的响应速度可以达至-tJ30ms，根本无法达到电炉快速补偿的要求(如果补偿设备响应时间大于25ms，就起不到对电炉的补偿作用)，实际上因为低压动补(TsC)是晶闸管投切，晶闸管承受电流冲击能力较差，必须做到无过渡投切，这就要求在电网电压与电容器上的残余电压相等时，瞬间给晶闸管发出脉冲，做到理论上的无过渡投切，但实际上电网电压在不断变化，电容器也在不断放电。所以无过渡投切是不可能的，只能是有过渡投切，有过渡投切最终造成晶闸管和电容器寿命缩短或损坏，工程中为了避免设备损坏，一般采用放电电阻对电容器组进行放电，待电容器组放电结束后再投入。根据国家要求即使采用外放电线圈对电容器组进行放电，对其的要求是5s内降低至25V。实际上TSC型的电容器组的重新投入时间约在数百毫秒，这远远不能满足电炉快速补偿的需要。（3）谐波的治理。TSC型补偿设备基本不能治理谐波问题。它一般串有6％的电抗器，其谐振点在4．08次，这是矿井提升机含量很少的谐波，我国原水利电力部提出“当网络有谐波源(如整流负荷)影响到电容器安全运行时，建议在电容器回路中串6％电抗器”，由此可见TSC设备中的电抗器是防止谐波危害自身设备，它并不治理谐波，即使串4％、12～13％的电抗器也是防止谐波损坏本身设备。实际工程中如果谐波含量较大，TSC型设备是不适合采用的。TSC的投切组合是以补偿无功功率为首要目标的，其多种组合同样有可能引起并联谐振，造成谐波放大，危害设备。（4）设备损耗。高压TsC型SVC与TCR+FC型SVC相比，虽然少了相控电抗器，但是晶闸管的数量至少增加了一倍。所以综合来说，两者的损耗基本相同。一般来说，SVC设备的平均损耗约为0．3％，高压TSC型设备的损耗与之基本相同。（5）调节特性。只能投入或者切除并联电容器组，无功变化较大。无法平滑线性调节无功输出。
补偿无功功率的动力系统和配电系统的煤矿有很大帮助,以减少无功功率损耗、提高功率因数,确保网络正常运作并提高公司盈利能力。因此，我们必须改进技术，及时更新无功补偿设备，使其效率最大化，促进煤炭企业的发展。
参考文献：
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