无功补偿装置在矿井供配电系统中的应用

[摘 要]本文简要分析并联电容器、静止无功补偿器、静止无功发生器三种无功补偿装置的原理、特点，总结矿井如何合理配置各类无功补偿装置，以提高电网的功率因数，降低电能损耗，稳定电网电压，确保矿井安全生产。

[关键词]并联电容器；静止无功补偿器；无功补偿装置

中图分类号：TD6 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2017）10-0330-02

0 引言

安全、可靠的矿井供电系统是确保煤矿安全、高效生产的前提，无功补偿装置作为供电系统中改善电网质量、节能降损最经济有效的方法之一，其发挥的作用是重要的。考虑到矿井内的电力负荷如电动机、变压器、电焊机等，大部分属于感性负荷，在运行过程中需向这些设备提供相应的无功功率，这样会使电网中的功率因数降低，达不到规定的功率因数要求，影响电网系统的稳定，导致煤矿用电的不安全及能耗的增加。通常在矿井内采用集中和分散设置无功补偿装置两种方式相结合，以降低线路损耗和电压损失，提高电网的功率因数、稳定电网电压，确保煤矿用电的安全、可靠。

1 无功补偿装置的分类

无功补偿装置可分为无源补偿和有源补偿，无源补偿又可分为静态补偿和动态补偿。静态补偿是指采用电磁型交流接触器作为电容投切开关的无功补偿装置，该补偿装置投切间隔较长，最快5ms左右。动态补偿是指采用晶闸管作为电容器、电抗器投切开关的无功补偿装置，该补偿装置反应速度可提高到毫秒级，跟踪负载的变化，几乎达到同步补偿。有源补偿是指不仅能够发出无功功率，而且也能够吸收无功功率，具有双向调节能力。下面介绍几种矿井供配电系统常见的无功补偿方式。

1.1 并电容器补偿

并联电容器补偿装置属于静态补偿，作为传统无功补偿装置的最重要种类，并联电容器占据绝对使用比例。并联电容器在电力系统常用的无功功率补偿设备中费用最低、有功功率损耗最小、运行维护最简便、可集中安装，也可分散安装在用户处或近负荷中心的地点，实现无功的就地补偿，因此应用广泛。并联电容器装置一次系统原理接线图详见图1。

1.2 SVC静止无功补偿

静止无功补偿（Static Var Compensator）简称SVC，属于动态补偿，固定开关多采用晶闸管，通过控制晶闸管的导通角对系统接入的电抗器和电容器的实际容量进行控制。其典型代表是晶闸管控制电抗器+固定电容器（TCR+FC），磁控电抗器+固定电容器（MCR+FC）两种形式。

TCR晶闸管控制电抗器是指单个电抗器串联两个反并联晶闸管可构成一个单相电抗器，在电网上并联单相电抗器，形成交流调压回路，具体如图2所示。

MCR磁控电抗器是一种基于磁饱和原理的可控电抗器，通过改变铁芯中的直流励磁来实现对电抗器感抗的连续调节。MSVC静止无功补偿装置主要由滤波补偿支路、MCR支路、控制系统组成，将其连接到系统中，电容器能够提供固定的容性功功率，磁控电抗器的电流决定了从磁控电抗器输出的感性无功值，感性无功与容性无功相抵消，具有快速响应、高可靠性的特点。MSVC一次系统原理接线图详见图3。

1.3 SVG静止无功发生器

静止无功发生器（Static Var Generator）简称SVG，属于有源补偿，它可分为电压型和电流型两种，其既可提供滞后的无功功率，又可提供超前的无功功率。简单地说，SVG的基本原理就是由可关断电力电子器件IGBT组成自换相桥式电路，通过电抗器或者直接并联在电网上，适当调节桥式电路交流侧输出电压的相位和幅值，或者直接控制其交流侧电流，就可以使该电路吸收或者发出满足要求的无功电流，实现功率无功补偿的目的。SVG属于有源滤波，可为电网或用电负荷提供快速有源动态无功补偿和谐波滤波，有效提高电网电压暂态稳定性、抑制电压闪变、消除谐波、补偿不平衡负荷。SVG一次系统原理接线图如图4。

2 无功补偿装置在矿井中的应用

2.1 并联电容器补偿装置在矿井中的应用

并联电容器装置在无功功率补偿设备中费用最低、有功功率损耗最小、运行维护最简便、可集中安装，也可分散安装在用户处或近负荷中心的地点，实现无功的就地补偿。并联电容器补偿装置在早期建设的煤矿中应用较为广泛，尤其是对那些机械化、自动化程度不高、设备相对落后的矿井，冲击性负荷、动态变化快的负荷相对较少，为了节省投资和减少运行维护工作量，矿井变电所高、低压侧采用并联电容器进行集中补偿；对于容量较大，负荷平稳且经常使用的用电设备的无功功率，单独就地补偿。当无功功率补偿的并联电容器容量较大时，应根据补偿无功和调节电压的需要分组投切。

当对电动机进行就地补偿时，首先应选用长期连续运行，且容量较大的电动机配用电容器。电容器的容量可根据接到电动机控制器负荷侧电容器的总千乏数不超过提高电动机空载功率因数到0.9所需的数值选择。当电动机投入快速反向、重合闸、频繁启动或其他类似操作产生过电压或超转矩影响时，应允许将不超过电动机输入千伏安容量的50%电容器投入运行。在三相异步电动机单独补偿的方式中，为了避免在减速情况下产生自励或过补偿，所安装的电容器容量应为电动机空载功率因数补偿到0.9所需的数值。对于能产生过电压或超转矩的情况，仍可采用50%。当电动机与电容器同时投切，电动机可作放电设备，不需再设其他放电设备。

煤矿中使用较多的主、副斜井或立井等用电设备，在重物下降时，电机运行于第四象限，为了避免过电压，不宜单独用电容器补偿。对于多速电动机，如不停电进行变压及变速，也容易产生过电压，也不宜单独用电容器补偿。如对这些用电设备需要采用电容器单独补偿，应为电容器单独设置控制设备，操作时先停电再进行切换，避免产生过电压。

随着煤矿工业的发展，煤矿科技水平的提高，冲击性负荷、动态变化快的负荷及三相不平衡负荷占煤矿用电负荷较大比例，传统的并联电容器补偿装置已不能满足煤矿供电系统动态补偿无功功率的要求，往往会出现过补或欠补现象。因此，在高压侧采用无功自动补偿方式，使用动态补偿装置如SVC、SVG。但煤矿低压设备的补偿可仍使用并联电容器补偿装置，如煤矿行政福利区10kV变电所、各厂房10kV变电所的低压侧均可采用并联电容器补偿方式。

2.2 SVC在矿井中的应用

2.2.1 TSVC与MSVC比较

TCR型SVC（TSVC）装置占地面积大，晶闸管发热量大，需要辅助冷却设备；自身产生的谐波量大，需要配备专用滤波设备；成本高、价格昂贵；电子元器件寿命短，维护费用大。TSVC优点在于响应速度快，适用于电弧炉等要求响应时间的设备。

MCR型SVC（MSVC）装置具有自身损耗小（磁控电抗器自身损耗1%左右）、可靠性高、占地面积小等优点。该装置为无级调节，能实现无功的连续补偿；既能有效滤除谐波，又能取得良好补偿效果。其响应速度为20ms-100ms，能及时跟踪负载变化，另外它还可以维持补偿点电压不出现大幅波动，稳定系统电压，显著提高矿井供电质量。

TSVC相比MSVC具有响应速度快的特点，但TCR是晶闸管控制电抗器，并入高压电网的晶闸管故障率较高。矿井用机电设备要求无功补偿响应速度不需要很快，加上TSVC占地面积大，并入高压侧的晶闸管故障率高等因素，在煤矿企业中TSVC渐渐被MSVC取代。

2.2.2 MSVC在矿井中的应用

矿井用电设备中对电压敏感的设备，如主井胶带式运输机，绞车等在轻载时由于电容器的作用，线路电压往往升得很高，会造成这种用电设备的损坏和严重影响其寿命及使用效能。由于矿井采用软启动器或变频调速装置中的晶闸管电路或蓄电池充电装置等大型整流装置等设备，以致造成电网中高次谐波的百分比很高。当分组投切大容量电容器组时，由于其容抗的变化范围较大，如果系统的谐波感抗与系统的谐波容抗相匹配，就会发生高次谐波谐振，造成过电压和过电流，严重危及系统及设备的安全运行，所以必须防止。

针对上述情况，煤矿企业在选择高压侧的无功补偿装置时既要考虑动态自动补偿、稳定补偿电压，又要滤除影响电网质量的谐波，MSVC无功补偿装置满足了上述要求。MSVC装置在新疆大多煤矿企业已得到应用，如：呼图壁东沟煤矿35kV变电所10kV侧、小白杨沟煤矿35kV变电所10kV侧、石梯子西沟35kV变电所10kV侧、塔什店一号矿井35kV变电所10kV侧等。在开展煤矿质量验收工作时，对MSVC在矿井使用效果进行了考查，均取得较好的补偿效果，且提高了电网质量，满足在矿井高峰负荷时主变压器高压侧功率因数不低于0.95的要求，为煤矿安全生产提供有力保障。

2.2.3 MSVC装置容量选择

MSVC无功补偿装置容量选择首先要根据无功补偿容量计算公式①确定补偿容量，磁控电抗器容量和补偿滤波电容器容量均等于补偿容量，若补偿容量较大，可考虑将补偿滤波电容器分组，以减少一次性投切带来的损耗，满足投产、达产情况下对电网功率因数的要求。

举例：小白杨沟35kV变电所10kV侧采用MSVC装置，10kV侧为单母线分段形式，单侧补偿容量为1800kvar，单侧MSVC装置磁控电抗器的容量1800kvar，补偿滤波电容器分两组，一组容量为800kvar，另一组容量为1000kvar。目前，该装置在煤矿使用良好。

2.3 SVG在矿井中的应用

SVG装置响应速度不超过90us，对于变化频繁的设备能够实行快速补偿，在钢铁企业和风电场企业广泛应用。对于煤矿企业，满足毫秒级的响应速度即可实现补偿，SVG的优势就显得不那么突出，另SVG投资预算大于MSVC，结合这两点，SVG在煤矿企业使用较少。

3 结语

无功补偿技术发展经历了几个不同的阶段，在电器市场上无功补偿装置种类和型号层次不穷，煤矿机械化改造进程也在不断提升，大量新技术、新设备的应用对煤矿电网电能质量提出更高的要求，因此，熟悉、掌握各无功补偿装置的原理、应用特点、优势是很有必要的，这样才能根据煤矿企业用电负荷特点、运行工况、工艺要求等，选择性能好、补偿效果好、投资造价低的无功补偿装置，达到提高煤矿电网电能质量、煤矿安全用电，减少电能损耗的目的。

参考文献（References）

[1] 靳龙章.配电网无功补偿实用技术[M] 北京：水利水电出版社，1997.

[2] 栗时平.静止无功补偿技术[M]北京：中国电力出版社，2007.

[3] 丁纯. 浅谈矿井无功补偿技术在煤炭工业中的应用[J].节能与新能源，2016，10-0057-05.

作者简介

艾尔肯・阿布都热合曼，副教授，高级工程师；一级监督工程师，在职研究生，现就职于新疆煤炭工业工程质量监督中心站副站长；主要从事煤矿机电设备安装质量监督认证。