无功补偿装置在煤矿的应用分析

2012-08-22张亚科高俊英景俊伟

科学之友 2012年18期

张亚科，高俊英，景俊伟

（1.煤炭工业郑州设计研究院股份有限公司，河南郑州 450000；2.河南省许平煤业有限公司，河南许昌 461000）

煤矿企业的负荷以各种形式的电力拖动为主，且多为间歇性工作方式，如主井提升设备、副井提升设备、排水设备、压风设备及大功率采掘设备等。这类设备的启动电流大，启动频繁，引起了电网的电压降落和电压波动，给煤矿供电系统造成了很大的冲击。

特别是近年来，随着电力电子技术的飞速发展，煤矿企业不断引入大型的交-交变频提升设备、风机变频节能设备等，获得了优良的调速特性，节约了电能，但同时也引入了高次谐波，造成了电网功率因数的进一步下降，直接威胁到煤矿供电系统的安全。而无功补偿装置正是解决这个问题的有效手段，它主要有以下几个功能：①补偿无功功率，提高供电网络的功率因数；②减小线路损失，提高电网的运行效率；③减小供、变电设备的容量，从而减少投资；④滤除电网的高次谐波，减小设备的附加损耗，延长设备寿命等。

正因为如此，煤矿企业普遍采用无功补偿装置作为提高供电系统功率因数、降低谐波干扰的主要措施。但是，目前无功补偿装置种类繁多，不一而足。如何从众多的产品中选择出适合不同规模煤矿供电的无功补偿装置值得探讨。

1 无功补偿装置的分类

无功补偿装置一般分为静止型和非静止型两大类。在工矿企业中，静止型无功补偿装置应用比较多，而非静止型无功补偿装置（如同步调相机等）一般用于枢纽变电站，在此不予论述。

静止型无功补偿装置按投切方式分为两类：延时投切方式和瞬时投切方式。

1.1 延时投切方式

延时投切方式即所谓的“静态”补偿方式。在这种投切方式中，通过设置一定的延时，可以防止接触器频繁动作、触头过热烧结、电容器损坏，更重要的是防止供电系统振荡。

1.2 瞬时投切方式

瞬时投切方式即所谓的“动态”补偿方式。它能快速响应系统无功的变化，及时进行无功补偿，应该说是半导体电力器件与数字技术综合的结晶。按照开关类别，大致又分两种：一种是有触点的动态无功补偿装置，如接触器分组投切方式、复合开关分组投切方式、同步开关分组投切方式等均属于此类；另一种是无触点的动态无功补偿装置，如晶闸管投切方式、电压调节型补偿方式等均属于此类。下面笔者结合自己的设计经历，就煤矿常用的几种无功补偿装置的特点及应用范围浅谈一下自己的看法。

2 各种无功补偿装置的特点及应用范围

2.1 FC（固定电容器补偿方式）

在以前，煤矿供电曾采用过固定投切电容器组的方式来补偿供电网络的功率因数。该投切方式通过人工判断系统是否需要补偿，然后手动执行开关（接触器）投入或切除电容器组。通过实践经验表明，该种补偿方式落后，不能及时补偿线网的功率因数，且容易出现过补现象，甚至导致供电系统谐振的发生。

现在对煤矿企业旧供电系统的改造，已经不再使用固定投切电容器组的方式了，而是采用自动补偿方式。例如，《平禹煤电公司三矿35 kV变电站改造工程》关于6 kV电压无功补偿装置的改造就是由原来的人工投切补偿方式改造为电压调节型无功补偿装置，该装置的固定电容器组采用诺基亚公司生产的电容器：PILP6.95 kV，456 kvar，6 组；配套电抗器：XKIB1000/10/6，2 台；调节变压器及控制器等采用北京思能达的产品。该类型无功补偿装置已经在多家煤矿企业运用，效果良好。

2.2 接触器分组投切方式

接触器分组投切方式属于有触点的动态无功补偿装置，有如下特点：①该方式属于机械开关投切方式，响应时间慢；②靠接触器触点的开闭实现投切，触头容易烧结损坏；③可根据负荷的变化投入或切除部分电容器，有合闸涌流；④结构相对简单，价格便宜。

以上特点决定了接触器分组投切方式不适合用于容量大、电压高的供、配电系统。实践表明，该投切方式用于低压0.38 kV、0.66 kV供电系统的动态补偿中比较占优势，维护简单、价格便宜、事故率小，其接线如图1所示。焦煤集团赵固二矿选煤厂0.66 kV配电系统（准备车间变电所、生产系统变电所及主厂房低压变电所）的动态无功补偿就是一例，从2010年5月份投产至今，设备运行状况良好。

当然，接触器分组投切方式在6 kV、10 kV供电系统也有应用，但由于频繁投切造成触头过热黏结、拒动的事故多有发生，实际应用逐渐减少。

2.3 TSC（晶闸管投切方式）

晶闸管投切动态补偿装置采用大功率晶闸管组成无触点开关，对多级电容器组进行快速无过渡投切，克服了传统无功补偿装置因采用机械开关投切导致投切涌流大，开关触点烧损，对电容器损害大的缺点。实现了电容器组无冲击、无涌流及无过渡过程投切。该投切方式与接触器分组投切方式相比，主要区别在于TSC的执行元件由晶闸管取代了接触器，其典型接线如图2所示。投切的基本原理是控制器K实时跟踪母线功率因数的变化，通过电信号（电压、电流）的采集与逻辑处理，发出控制信号，确保晶闸管过零触发，实现无触点投切。

TSC动态无功补偿装置近些年来发展很快，广泛应用于低压供电系统及小容量中压供电系统中。最近，笔者为义马一水厂进行供电系统改造时，在6 kV两分段母线上分别采用了一组该补偿装置（补偿容量300 kvar），无论在产品价格上还是在应用性能上均为甲方所接受。该装置与接触器投切方式相比，更具有快速性，并且由于没有合闸涌流，对母线上其他设备的影响也很小，只是价格上比其稍高。实际选型设计时，可以从技术、经济上综合考虑确定。

图1 低压供电系统中的接触器分组投切方式接线图

图2 TSC型动态无功补偿装置接线图（I段母线）

2.4 VQC（电压调节型补偿方式）

电压调节型补偿方式不同于以上3种补偿方式（均为分组投切方式），它有如下特点：①电容器组整体投入；②电容器在额定电压以下工作，大大延长了使用寿命；③通过分档调节电容器的端电压来调整补偿容量。它解决了分组投切方式带来的过电压及涌流问题。控制器通过不断采集母线电压、电流等信号，计算出母线实际功率因数，并与预先设定值进行比较，动态调节有载分接头的位置来实现无功补偿，其典型接线如图3所示。

图3 VQC型动态无功补偿装置接线图（I段母线）

对于大容量6 kV、35 kV中压供电系统，一般采用VQC型，主要原因是电压调节型无功补偿方式与MCR、TCR相比，不采用晶闸管，运行可靠、故障率低且价格适中。平煤香山矿新建6 kV混合提升井变电所及上述提及的平禹三矿35 kV变电站改造即是笔者采用的该类补偿方式。

2.5 TCR+FC（晶闸管控制电抗器补偿方式）

晶闸管控制电抗器补偿方式是20世纪末发展起来的先进补偿装置，它主要由两部分组成：一部分是FC支路（无功补偿部分）；另一部分是TCR支路（阀组控制部分）。FC支路的主要作用是提供容性无功功率及滤除高次谐波；TCR支路则是通过控制反并联的两个晶闸管的导通角调节电抗器感性无功电流的输出，根据预先设置的控制算法，使负荷感性无功电流、电抗器感性无功电流和电容器组的容性无功电流维持在某种平衡状态，从而使矿区供电网络的功率因数稳定在某一数值附近（＞0.9）。

由于此类补偿装置价格较高，在整个电气设备的投资中，占有相当大的比例。因此，低压供电系统一般不采用，小规模的6kV、10 kV中压供电系统也很少采用，而大容量的35 kV、110 kV中高压供电系统应用较多。比如，鹤煤集团的大胡110kV变电站的6kV配电系统改造时就采用了株洲变流中心生产的TCR+FC型动态无功补偿装置，具体接线如图4所示。其中固定电容器－FC支路安装容量为4 200 kvar，晶闸管控制电抗器－TCR支路，安装容量2 400 kvar.

图4 TCR型动态无功补偿装置接线图

2.6 MCR+FC（磁控制电抗器补偿方式）

磁控制电抗器补偿装置也由两部分组成：一部分是FC支路（无功补偿部分），可以根据实际需要，选择相应的滤波支路；另一部分是MCR支路（磁控电抗器部分）。它的工作原理大致与TCR+FC型动态无功补偿装置相同，也是通过控制晶闸管的导通角实现无功调节，所不同的是，晶闸管处于低压电路中，通过调节导通角的大小来控制电抗器励磁电流的大小，进而控制电抗器输出感性无功电流的大小，其典型接线如图5所示。从技术上讲，磁控制电抗器补偿装置可用于0.38～110 kV等交流电力系统中，但同样受投资因素的制约，煤矿企业主要用于35 kV、110 kV中高压大型供电系统中。它与TCR+FC动态无功补偿装置相比，有以下优势：①晶闸管回路电压低，控制功率相对小，技术相对成熟，可靠性高；②体积小、占地少，所采用的磁控电抗器体积与同电压级的变压器相当，投资少；③维护量小，运行费用低。据统计，同类中有些产品可实现免维护，使用寿命达25年。

以上特点决定了MCR+FC型动态无功补偿装置比TCR+FC型动态无功补偿装置具有明显的优势。

与VQC型动态无功补偿装置相比，在投资成本上，MCR+FC型动态无功补偿装置略高；在技术应用上，VQC型属于有级调节，MCR+FC型则属于无级调节。具体采用哪种补偿方式，应结合实际灵活处理。