一、行業(yè)簡(jiǎn)介

煤 礦工業(yè)是我國目前最主要的能源行業(yè)。由于井下機械化設備不斷增加，已成為工業(yè)系統耗能大戶(hù)，電力消耗在煤礦生產(chǎn)成本中占有很大比例。從節電情況看，雖然加 強了用電管理，推廣了部分節電產(chǎn)品，但遠遠沒(méi)有達到國家對重點(diǎn)煤礦企業(yè)節能降耗的要求，尤其是井下采、掘、開(kāi)、運、通系統，功率因素長(cháng)期運行在0.4-0.7之 間，隨著(zhù)煤炭產(chǎn)量增加，巷道延伸，負荷增加，井下電能損耗相當嚴重，這種狀況在全國煤炭系統帶有普遍性，而且大部分礦井沒(méi)有采取任何節電措施。目前煤礦井 下大量使用變頻設備、整流設備，以及廣泛應用電力電子設備，這些電器設備產(chǎn)生諧波電流、諧波電壓，正在嚴重污染井下電網(wǎng)，導致諧波問(wèn)題日益嚴重的主要原因 是：對無(wú)功、諧波、三相不平衡等問(wèn)題不能實(shí)施有效，靈活的控制，進(jìn)而不能改善電壓質(zhì)量，降低諧波含量，使電網(wǎng)運行環(huán)境日趨惡劣。礦用井下無(wú)補償主要是針對 解決以上問(wèn)題而被提出的。

目前國內煤礦行業(yè)無(wú)功補償設備現狀

針對煤炭行業(yè)的電力負荷特點(diǎn)，國內外對動(dòng)態(tài)無(wú)功補償技術(shù)都進(jìn)行研究，主要類(lèi)型分為如下幾種：

1、分組投切電容器方式。真空接觸器(或斷路器)投切方式，投切時(shí)開(kāi)關(guān)觸頭間會(huì )產(chǎn)生電弧，因電容回路的通斷過(guò)程中會(huì )產(chǎn)生較高的操作過(guò)電壓和沖擊電流。所以往往在回路中串聯(lián)電抗器來(lái)抑制投切涌流，并能治理相應諧波。原理簡(jiǎn)單，成本低是其特點(diǎn)。

2、靜止型動(dòng)態(tài)無(wú)功補償裝置(SVC)。該裝置為晶閘管控制電抗器+濾波裝置(TCR+FC)方式或者晶閘管投切電容器（TSC）。其功能具有平滑調節無(wú)功補償容量、系統響應速度快，并能綜合治理諧波，普遍應用在煤礦系統、冶金行業(yè)、電力系統和電氣化鐵路等。

3、磁閥式補償方式。裝置由補償電容器和并聯(lián)可調電抗器組成，通過(guò)高阻抗電抗器磁通的調節，使其與并聯(lián)電容器中多余的容性無(wú)功容量平衡。這是自飽和電抗器補償方式的一種變型產(chǎn)品，因其損耗大，運行成本高，調節速度慢，補償范圍有一定的限制，屬于淘汰技術(shù)。

這些補償方式都存在一些不足之處，結合煤礦配電形式，研發(fā)適合于煤礦應用的無(wú)功補償設備是當務(wù)之急，也是響應國家政策。

目前煤礦配電網(wǎng)普遍采用的無(wú)功補償方式有三種:分別為集中補償、分散補償和就地補償。

1、集中補償

集中補償是將電容器裝設在用戶(hù)專(zhuān)用變電所或配電室的低壓母線(xiàn)上，對無(wú)功進(jìn)行統一補償。這種補償方式比較適合在負荷集中、離變電所較近，無(wú)功補償容量較大的場(chǎng)合。

徐州新集煤礦就采用了集中補償方式，此礦分析了分組投切電容器組，調壓調無(wú)功容量補償，動(dòng)態(tài)無(wú)功補償(SVC)。三種方案的經(jīng)濟性，確定了采用分組投切電容器組代替原有固定投切電容器，保證了該礦的供電質(zhì)量和功率因數。

集中補償的優(yōu)點(diǎn)是:可以就地補償變壓器的無(wú)功功率損耗。由于減少了變壓器的無(wú)功電流，相應地減少了變壓器的容量，也就是說(shuō)，可以增加變壓器所帶的有功負荷;可以補償變電所母線(xiàn)、變壓器和受電線(xiàn)路的功率損耗，節約能源;當負荷變化時(shí)，能對母線(xiàn)電壓起一定的調節作用，從而改善電壓質(zhì)量;便于管理、維護、操作及集中控制。

缺點(diǎn)是:它只能減少裝設點(diǎn)以上線(xiàn)路和變壓器因輸送無(wú)功功率所造成的損耗，而不能減少用戶(hù)內部通過(guò)低壓線(xiàn)路向用電設備輸送無(wú)功功率所造成的損耗。

2、分散補償

分散補償是將電容器組按低壓配電網(wǎng)的無(wú)功負荷分布分組裝設在相應的母線(xiàn)上，或者直接與低壓干線(xiàn)相聯(lián)接，形成低壓電網(wǎng)內部的多組分散補償方式，適合負荷比較分散的補償場(chǎng)合。

雞西礦業(yè)集團就采用了分散補償方式，具體做法是應用礦用隔爆型無(wú)功功率自動(dòng)補償裝置安裝在某礦綜采工作面移動(dòng)變電站低壓側。

分散補償的優(yōu)點(diǎn):對負荷比較分散的電力用戶(hù)，有利于對無(wú)功進(jìn)行分區控制，實(shí)現無(wú)功負荷就地平衡，減少配電網(wǎng)絡(luò )和配電變壓器中無(wú)功電流的損耗和電壓損失，使線(xiàn)損顯著(zhù)降低;在負載不變的條件下，可增加網(wǎng)絡(luò )的輸出容量;補償方式靈活，易于控制。

分散補償的缺點(diǎn)是:如果裝設的電容器無(wú)法分組，則補償容量無(wú)法調整，運行中可能出現過(guò)補償或欠補償;補償設備的利用率較集中補償方式低;安裝分散，維護管理比較不方便。

3、就地補償

這種方法是就地補償用電設備(主要是電動(dòng)機)所消耗的無(wú)功功率，將電容器組直接裝設在用電設備旁邊，與用電設備的供電回路并聯(lián)，以提高用電系統的功率因數，從而獲得明顯的降損效益。

就地補償的優(yōu)點(diǎn)是:無(wú)功電流僅僅與附近的用電設備相互交換，不流向網(wǎng)絡(luò )其它點(diǎn)，在網(wǎng)絡(luò )中無(wú)功電流的無(wú)功損耗和電壓損耗小，既對系統補償，也對用戶(hù)內部無(wú)功損耗補償，大大減少了電能損失，被補償網(wǎng)絡(luò )運行最經(jīng)濟;在配電設備不變的情況下，可增加網(wǎng)絡(luò )的供電容量，導線(xiàn)截面可相應減小;適應性好，既可三相補償，對容量較大的電動(dòng)機個(gè)別補償，也可進(jìn)行兩相、單相補償，并且單臺補償裝置的容量較小，電容器投切沖擊電流小，對于賓館、大樓等無(wú)功補償特別適合。

就地補償的缺點(diǎn)是:對于電網(wǎng)內公用負荷，與集中補償和分散補償相比，補償相同容量的無(wú)功負荷所需的補償電容器總容量和補償裝置總數量增加，由此引起投資較大，補償裝置利用率較低。同時(shí)由于井下現場(chǎng)環(huán)境惡劣，維護、保養跟不上，極易造成設備損壞。[26]

由于以上缺點(diǎn)的存在，國內很多煤礦按照經(jīng)濟運行原則，對礦井的電容器無(wú).功補償采用集中補償與分散補償相結合的方式。在礦井地面變電站主變母線(xiàn)上設置電容器，補償全礦的無(wú)功功率。電容器分組設置，需要時(shí)設自動(dòng)跟蹤補償裝置，以調節全礦功率因數;在井下中央變電所或采掘工作面移變二次側裝設電容器，作為分散補償;對于容量大，長(cháng)期穩定運行且不需反轉或反接制動(dòng)的電動(dòng)機，采用就地個(gè)別補償。

焦作煤業(yè)有限公司采用了集中與就地結合補償的補償方式，采取的具體方法是，將離礦井地面變電所近且用電量小的負荷，如地面生活用電，壓氣機房的負載采用集中補償。對于負荷相對集中的場(chǎng)地，如機修車(chē)、風(fēng)井等采用分散補償。對于距離遠，且負荷較大的電動(dòng)機(如采煤機、水泵等)采用個(gè)別補償。

通過(guò)對國內煤礦常用補償方式的分析，可以看到雖然都采取各種補償方式盡量降低網(wǎng)損，但很多煤礦配電網(wǎng)絡(luò )的無(wú)功補償依舊存在很多問(wèn)題，具體體現如下:

1、補償方式單一

通過(guò)對充州礦區各大煤礦補償方式的研究，方式單一，大都只采取一種補償方式。有些煤礦采用高壓集中補償，發(fā)現煤礦無(wú)功補償方在6kV側裝設高壓這種方式只能對6kV母線(xiàn)進(jìn)行補償，對煤礦內部的補償幾乎沒(méi)有效果。

2、補償位置選擇不理想

由于煤礦大型電力電子裝置很多，如提升機功率680kw，很多煤礦直接對其就地補償，但這種對大容量量晶閘管電源供電的重型負荷的補償，會(huì )致使電網(wǎng)波形畸變，諧波分量增大，功率因素降低。更由于此類(lèi)負載經(jīng)常是快速變化，諧波次數增高，危急供電質(zhì)量，同時(shí)對通訊設備影響也很大，所以此類(lèi)負載采用就地補償是不安全，不恰當的。

3、補償容量不足

一般煤礦遠離供電變電所，供電電壓波動(dòng)很大，正常設計的電容器在電壓升高超出自動(dòng)裝置的設定范圍時(shí)，就會(huì )退出運行失去補償作用。

通過(guò)以上分析，可以發(fā)現現在的煤礦配電網(wǎng)無(wú)功補償容量計算和補償地點(diǎn)的選擇都存在著(zhù)諸多問(wèn)題，必須采用無(wú)功優(yōu)化的方式，對全礦配電網(wǎng)進(jìn)行潮流計算，才能有效地確定補償容量和補償方式。

二、煤礦行業(yè)無(wú)功補償設備發(fā)展趨勢——靜止無(wú)功發(fā)生器

靜 止無(wú)功發(fā)生器的主體是一個(gè)電壓源型逆變器，由可關(guān)斷晶閘管適當的通斷，將電容上的直流電壓轉換成為與電力系統電壓同步的三相交流電壓，再通過(guò)電抗器和變壓 器并聯(lián)接入電網(wǎng)。適當控制逆變器的輸出電壓，就可以靈活地改變其運行工況，使其處于容性、感性或零負荷狀態(tài)。與靜止無(wú)功補償器相比，靜止無(wú)功發(fā)生器響應速 度更快，諧波電流更少，而且在系統電壓較低時(shí)仍能向系統注入較大的無(wú)功。

隨著(zhù)電力電子技術(shù)的日新月異以及各門(mén)學(xué)科的交叉影響，靜止無(wú)功補償的發(fā)展趨勢主要有以下幾點(diǎn)：

1、在城網(wǎng)改造中，運行單位往往需要在配電變壓器的低壓側同時(shí)加裝無(wú)功補償控制器和配電綜合測試儀，因此提出了無(wú)功補償控制器和配電綜合測試儀的一體化的問(wèn)題。

2、快速準確地檢測系統的無(wú)功參數，提高動(dòng)態(tài)響應時(shí)間，快速投切電容器，以滿(mǎn)足工作條件較惡劣的情況（如大的沖擊負荷或負荷波動(dòng)較頻繁的場(chǎng)合）。隨著(zhù)計算機數字控制技術(shù)和智能控制理論的發(fā)展，可以在無(wú)功補償中引入一些先進(jìn)的控制方法，如模糊控制等。

3、 目前無(wú)功補償技術(shù)還主要用于低壓系統。高壓系統由于受到晶閘管耐壓水平的限制，是通過(guò)變壓器接入的，如用于電氣化鐵道牽引變電所等。研制高壓動(dòng)態(tài)無(wú)功補償 的裝置則具有重要意義，關(guān)鍵問(wèn)題是要解決補償裝置晶閘管和二極管的耐壓，即多個(gè)晶閘管元件串聯(lián)及均壓、觸發(fā)控制的同步性等。

4、 由單一的無(wú)功功率補償到具有濾波以及抑制諧波的功能。隨著(zhù)電力電子技術(shù)的發(fā)展和電力電子產(chǎn)品的推廣應用，供電系統或負荷中含有大量諧波。研制開(kāi)發(fā)兼有無(wú)功 補償與電力濾波器雙重優(yōu)點(diǎn)的晶閘管開(kāi)關(guān)濾波器，將成為改善系統功率因數、抑制諧波、穩定系統電壓、改善電能質(zhì)量的有效手段。