＊王振業(yè)

（太原化學(xué)工業(yè)集團(tuán)工程建設(shè)有限公司 山西 030021）

大功率非線性負(fù)載的使用愈發(fā)頻繁，增加了礦井電網(wǎng)負(fù)荷，降低電纜和用電設(shè)備的絕緣性能，無(wú)法保障供電系統(tǒng)的安全運(yùn)行，可能引起設(shè)備絕緣失效、井下大面積停電等事故。無(wú)功補(bǔ)償技術(shù)是解決各類煤礦用電問(wèn)題的重要技術(shù)手段，在煤礦項(xiàng)目供電系統(tǒng)的優(yōu)化工作中取得廣泛應(yīng)用，因此深入研究無(wú)功補(bǔ)償技術(shù)具有重要意義，明確技術(shù)原理和應(yīng)用方法，采用此項(xiàng)技術(shù)可以提高礦井供電系統(tǒng)的安全運(yùn)行水平。

1.礦井概況

某礦井項(xiàng)目生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)配置較多的大功率裝置，并配備軟啟動(dòng)器、變頻器等輔助裝置，線路的載荷量大，電力系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)的高次諧波電流含量高，在礦井負(fù)荷頻繁變化的條件下，傳統(tǒng)的固定無(wú)功補(bǔ)償和靜態(tài)電容補(bǔ)償技術(shù)缺乏可行性。項(xiàng)目在10kV母線側(cè)采用MCR型靜止型動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置（MSVC），抑制電壓波動(dòng)，消除諧波，保證供電系統(tǒng)的功率因數(shù)穩(wěn)定在0.95以上，保障供電系統(tǒng)安全的同時(shí)減少電能損耗，延長(zhǎng)設(shè)備的使用壽命。

2.煤礦區(qū)電能質(zhì)量的測(cè)試及分析

(1)煤礦現(xiàn)狀

在煤礦運(yùn)營(yíng)初期，該煤礦采區(qū)的功率因數(shù)約為0.65，這導(dǎo)致電力系統(tǒng)需要支付額外的力率電費(fèi)。此外，還會(huì)導(dǎo)致10kV側(cè)的電壓發(fā)生畸變，對(duì)系統(tǒng)中其他裝置造成不利影響，因此，有必要對(duì)礦內(nèi)電力系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)測(cè)試。

(2)測(cè)試設(shè)備

裝置型號(hào)為CA8334，精度等級(jí)為±0.5%，F(xiàn)FT窗口數(shù)量為4個(gè)，采樣頻率為12.8kHz。監(jiān)測(cè)內(nèi)容有系統(tǒng)電壓、電流波形、無(wú)功功率、有功功率、系統(tǒng)電壓與電流峰值、功率因數(shù)、50次之內(nèi)諧波含量、系統(tǒng)電壓與電流有效值、系統(tǒng)電壓與電流相位的不平衡、系統(tǒng)總諧波的畸變率等。存儲(chǔ)內(nèi)容有瞬態(tài)值、波形記錄、長(zhǎng)時(shí)間趨勢(shì)曲線記錄及屏幕拷貝記錄。

(3)測(cè)試內(nèi)容

煤礦電能質(zhì)量測(cè)試分析主要涉及以下內(nèi)容：電網(wǎng)的次諧波電壓、電流以及其諧波含有率；電網(wǎng)的電壓和電流的總諧波畸變率；電網(wǎng)的諧波源定位；特定點(diǎn)的諧波流向；電網(wǎng)的頻率和電壓偏差；電網(wǎng)的電壓不平衡度；特定點(diǎn)電壓的波動(dòng)和瞬變；特定點(diǎn)電壓的暫降和短時(shí)間中斷，以及供電的連續(xù)性。通過(guò)這些測(cè)試分析，可以確定礦井供電系統(tǒng)中影響電能質(zhì)量的污染源。

(4)測(cè)試結(jié)果

在本次礦井供電系統(tǒng)的測(cè)試中，電流完成了三相測(cè)試。

①系統(tǒng)功率因數(shù)（PF）投運(yùn)后數(shù)據(jù)結(jié)果如下：

L1、L2、L3的最大值，95%最大值及平均值，在投運(yùn)后的PF系統(tǒng)功率因數(shù)的數(shù)值都相同，為0.7%、0.61%、0.67%；但L1、L2、和L3的最小值不同，分別為0.63、0.64、0.65。從上述結(jié)果得出，功率因數(shù)較小時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試PE（額定功率）運(yùn)行時(shí)的平均功率因數(shù)只有0.67%。

②總諧波電壓畸變率（Vthd）的數(shù)據(jù)結(jié)果如下：

L1、L2、L3的最大值分別為8.9%、8.6%、8.47%；95%最大值分別為5.6%、5.51%、5.66%；平均值分別為7.1%、6.88%、6.83%；最小值分別為8.9%、8.6%、8.47%。從上述數(shù)值可以看出，因其L1、L2、L3的平均數(shù)值相差較大，故無(wú)功數(shù)值波動(dòng)大且波動(dòng)頻繁。

(5)測(cè)試結(jié)果分析

礦區(qū)三相處于穩(wěn)定狀態(tài)，測(cè)試中表現(xiàn)出的主要電能質(zhì)量問(wèn)題為：

①無(wú)功波動(dòng)變化次數(shù)多、幅度大。因電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)受到諧波的影響，會(huì)使電壓出現(xiàn)畸變現(xiàn)象，從而影響系統(tǒng)的電壓質(zhì)量，使之偏低。針對(duì)此問(wèn)題，需采取控制措施以降低電網(wǎng)諧波畸變率，具體策略是用濾波補(bǔ)償進(jìn)行控制，在此技術(shù)策略下，逐步淘汰系統(tǒng)中的無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備。

②功率因數(shù)偏低，平均值僅為0.67%，有較大的提升空間。

3.無(wú)功補(bǔ)償技術(shù)在礦井供電系統(tǒng)中的應(yīng)用

(1)技術(shù)原理

無(wú)功功率動(dòng)態(tài)補(bǔ)償?shù)脑韴D，如圖1所示。

圖1 無(wú)功功率動(dòng)態(tài)補(bǔ)償原理圖

單相電路結(jié)構(gòu)由系統(tǒng)、補(bǔ)償器、負(fù)荷組成。圖1中，U—電壓；R—系統(tǒng)電阻；X—系統(tǒng)電抗，假設(shè)負(fù)荷基本維持穩(wěn)定，則△U＜＜U，若R＜＜X，系統(tǒng)電壓與無(wú)功功率的變化關(guān)系可通過(guò)圖1（b）中的實(shí)線進(jìn)行反映，原因在于系統(tǒng)電壓基本維持穩(wěn)定，圖形中的橫坐標(biāo)可以用無(wú)功電流替換。而根據(jù)圖中的特性曲線可知，其斜率為負(fù)，表明無(wú)功功率Q上升時(shí)，系統(tǒng)電壓有降低的變化趨勢(shì)，兩者為負(fù)相關(guān)關(guān)系。

根據(jù)圖1（b），確定其近似方程：

轉(zhuǎn)化成：

式中：U0—無(wú)功功率等于0時(shí)的系統(tǒng)電壓值；

SSC—系統(tǒng)短路時(shí)的容量。

對(duì)轉(zhuǎn)化前后的近似方程進(jìn)行分析可知，無(wú)功功率發(fā)生改變后，系統(tǒng)電壓隨之變化。若采用補(bǔ)償器，則具有Q=QL+Qr的關(guān)系，即無(wú)功功率等于負(fù)荷與補(bǔ)償器無(wú)功功率的總和。無(wú)功功率Qr向著QL反方向變化，Q維持恒定，則對(duì)應(yīng)的關(guān)系是△Q=0，并進(jìn)一步推出?U=0，在此條件下，能夠保證供電電壓維持恒定。

(2)煤礦無(wú)功補(bǔ)償需求

本煤礦項(xiàng)目供電系統(tǒng)的運(yùn)行條件復(fù)雜，常規(guī)的機(jī)械投切式濾波電容器組缺乏可行性，適宜的方案是采用動(dòng)態(tài)的靜止型無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備，例如TCR型、MCR型的SVC設(shè)備均具有代表性。若在無(wú)功補(bǔ)償中應(yīng)用TCR型SVC設(shè)備，需注意在使用時(shí)要與水冷系統(tǒng)共用，因水冷系統(tǒng)的冷卻力度強(qiáng)，可避免晶閘管閥組的溫度偏高。

采用MCR型的SVC晶閘管，其操作難度降低，在操作過(guò)程中只需使電壓達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)即可，可忽略因連接方式不合理引起的問(wèn)題，同時(shí)占據(jù)的空間較小，無(wú)論前期建造成本還是后期維修成本均較低，綜合應(yīng)用效果良好。

按電壓級(jí)別分類，低壓LC濾波器有0.4kV、0.66kV、1.0kV等類型。高壓濾波有6kV、10kV、35kV等類型，其中應(yīng)用較為廣泛的是6kV和10kV。內(nèi)部元器件的耐壓程度不同是低壓LC濾波器與高壓濾波的主要差異，各自可承受的電流、對(duì)安全距離的規(guī)定均存在差異。在無(wú)功補(bǔ)償中，根據(jù)電力系統(tǒng)中諧波電流值控制濾除的電流大小時(shí)，必須結(jié)合實(shí)際情況靈活地控制各系統(tǒng)中諧波濾除的量。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，以系統(tǒng)諧波含量的20%～50%較為合適，可聯(lián)合應(yīng)用多組濾波器，集多裝置的濾波優(yōu)勢(shì)于一體后，可以將濾波效果提升至70%左右，但若要達(dá)到此效果，必須同步進(jìn)行保護(hù)線路的強(qiáng)化設(shè)計(jì)。

根據(jù)前述分析，確定如下方案：在提升礦區(qū)電能質(zhì)量方面，采用MCR型磁閥電抗器與固定濾波電容器組的SVC設(shè)備；在無(wú)功補(bǔ)償與濾除諧波方面，選擇恒定的濾波電容器組。

(3)無(wú)功補(bǔ)償裝置的設(shè)計(jì)

通過(guò)無(wú)功補(bǔ)償裝置的應(yīng)用，能夠改善供電系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)。以電抗率為4.5%～6%的反應(yīng)器為例，則避免的是5倍及5倍以下含有大量諧波。濾波設(shè)備在無(wú)功補(bǔ)償裝置中具有調(diào)諧的功能，過(guò)濾特征諧振頻率的諧波，以保證對(duì)特定的特征諧波的吸收效果。根據(jù)現(xiàn)有硬件設(shè)施運(yùn)行能力和技術(shù)水平，單調(diào)諧濾波器的吸收效果約為80%。在設(shè)計(jì)無(wú)功補(bǔ)償裝置時(shí)，還需考慮濾波設(shè)備的調(diào)諧作用，進(jìn)行合理控制，以保證供電系統(tǒng)維持最佳運(yùn)行狀態(tài)。

恒定的FC設(shè)備主要包括3條濾波支路，諧振頻率有240Hz、340Hz、540Hz，與系統(tǒng)的5次、7次、11次諧波相對(duì)應(yīng)，其中5次支路為單調(diào)諧式結(jié)構(gòu)模式，7次、11次為二階高通模式，對(duì)11次及其以上的諧波有濾除效果。設(shè)計(jì)時(shí)，根據(jù)電力系統(tǒng)的最大無(wú)功需求控制系統(tǒng)的容量，并保證選擇的MCR型磁閥式可調(diào)電抗器的容量保持一致，才可使組合應(yīng)用正常，具體組合方式根據(jù)系統(tǒng)中負(fù)荷波動(dòng)造成的無(wú)功大小靈活調(diào)整，直至無(wú)功功率可達(dá)到電力系統(tǒng)的運(yùn)行要求為止。

高壓開(kāi)關(guān)柜作為系統(tǒng)的電源，還可提供過(guò)電壓保護(hù)、過(guò)流保護(hù)、不平衡保護(hù)等保護(hù)功能。配置隔離開(kāi)關(guān)，使FC設(shè)備與MCR設(shè)備相互獨(dú)立。FC各支路中的組成設(shè)備較多，各自承擔(dān)不同的功能，例如：噴逐式熔斷器，可快速切斷電容器與電網(wǎng)的連通狀態(tài)，以免因電容器的故障向周邊蔓延而造成大范圍的不良影響；隔離開(kāi)關(guān)，具有隔離功能，通過(guò)此開(kāi)關(guān)做隔離處理，方便員工安全地檢查和維修線路；濾波電容器和濾波電抗器，兩類裝置相互配合，濾除線路中的諧波電流，也可以調(diào)節(jié)支路中的諧振；放電線圈，與電容器并聯(lián)，若在FC支路的運(yùn)行中存在電容脫離線路的情況，將對(duì)電容器實(shí)行不平衡保護(hù)，減小該情況引起的不良影響。

(4)TCR型SVC和MCR型SVC的測(cè)試

以并聯(lián)的方式連接高壓TCR型SVC動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備與電容器組，可采用感性無(wú)功QL與容性無(wú)功QC共同確保功率因數(shù)的穩(wěn)定性，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)的無(wú)功補(bǔ)償。測(cè)試中，重點(diǎn)關(guān)注電流總諧波畸變率，即諧波與基波的電流方均根值的比值的百分?jǐn)?shù)。此項(xiàng)指標(biāo)可反映電流正弦波受諧波影響程度，電流正弦的畸變將由于電流總諧波畸變率的提高而加大，不利于供電系統(tǒng)及與之相關(guān)聯(lián)用電設(shè)備的正常運(yùn)行，存在如下危害：

①電流與電壓正弦波形的畸變率較高時(shí)，電能質(zhì)量降低，電力系統(tǒng)的供電服務(wù)效果變差，礦井生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的用電設(shè)備可能因供電服務(wù)差而難以穩(wěn)定運(yùn)行。

②與電力系統(tǒng)相關(guān)的用電設(shè)備存在明顯的損耗，造成資源浪費(fèi)。

③系統(tǒng)的功率因數(shù)將由于電流總諧波畸變率的提高而降低。

針對(duì)電流總諧波畸變率異常引起的各類問(wèn)題，可以采取如下解決措施：通過(guò)TCR+FC動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備和MCR+FC動(dòng)態(tài)無(wú)功設(shè)備對(duì)某條母線進(jìn)行動(dòng)態(tài)補(bǔ)償，在確定此方案后，測(cè)試電能指標(biāo)，評(píng)價(jià)兩種方式的應(yīng)用效果。測(cè)試結(jié)果如表1、表2所示。

表1 高壓TCR電流總畸變率測(cè)試數(shù)據(jù)

表2 高壓MCR電流總畸變率測(cè)試數(shù)據(jù)

根據(jù)表1、表2可知，高壓TCR電流總諧波畸變率三相的測(cè)試數(shù)據(jù)平均值分別為28.50%、28.81%、29.59%，高壓MCR分別為13.90%、12.10%、11.81%，相比之下，高壓MCR電流總諧波畸變率更低（各相均是如此），表明MCR+FC動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備的應(yīng)用方式能夠取得更加良好的動(dòng)態(tài)補(bǔ)償效果。對(duì)于電力系統(tǒng)的無(wú)功補(bǔ)償，可以優(yōu)先考慮MCF+FC動(dòng)態(tài)無(wú)功設(shè)備的方式，以此來(lái)減弱諧波對(duì)供電系統(tǒng)產(chǎn)生的不良影響，使供電系統(tǒng)維持穩(wěn)定的運(yùn)行狀態(tài)。

4.結(jié)語(yǔ)

綜上所述，煤礦開(kāi)采項(xiàng)目對(duì)井下供電系統(tǒng)的運(yùn)行性能提出較高的要求，需要通過(guò)技術(shù)手段優(yōu)化井下供電系統(tǒng)，提高此系統(tǒng)的運(yùn)行水平。在采用無(wú)功補(bǔ)償技術(shù)后，可以解決供電系統(tǒng)電網(wǎng)質(zhì)量差、電能損耗量大等問(wèn)題，提供高品質(zhì)的供電服務(wù)，滿足煤礦開(kāi)采設(shè)備的用電需求，幫助煤礦企業(yè)提高經(jīng)濟(jì)效益。經(jīng)過(guò)本文的研究，提出無(wú)功補(bǔ)償技術(shù)在煤礦供電系統(tǒng)中的應(yīng)用方式，希望對(duì)同仁有參考意義。