浅谈煤矿井下供电系统无功补偿技术的应用

通过对煤矿井下供电系统无功功率产生的原因及存在的危害分析。提出抑制无功功率的具体方法．并对供电系统采用无功补偿前后所产生的巨大综合效益进行具体论证。
关键词:节能降耗无功补偿功率因素综合效益
       2007年7月国家发改委、国家环保总局联合下发的《关于煤矿工业节能减排意见的通知》中明确指出：煤矿井下宜采用动态无功补偿和就地无功补偿，矿月平均功率因素不得低于0.9。为我们指明了井下供电系统提高功率因素，实现节能降耗的科学有效的具体措施，引起了煤炭系统领导的高度重视，激发了广大煤矿机电专业技术人员的科研热情，为实现煤矿节能降耗工作深入开展，充分认识井下供电系统采用无功补偿技术的重要意义创造了条件。本文就煤矿井下供电系统采用无功补偿的有关理论及补偿前后经济效益分析对比进行探讨。
1煤矿井下无功功率存在的危害
      在煤矿井下供配电系统中广泛存在大量的感性负荷，如三相异步电动机和变压器，这些感性负荷在配电系统中会消耗大量的无功功率，降低系统的功率因素，造成线路电压损失加大和电能损耗增加。此外，对于一些冲击性无功负荷，还会产生剧烈的电压波动，使电网的供电质量恶化，造成电机启动困难或频繁烧毁，特别是在大功率电动机使用上表现尤为明显。另外，因无功电流的增大会引起供电线路、用电设备绝缘下降，老化，易造成漏电、短路等故障。如我矿中四区22408面在北八顺槽掘进过程中就遇到此类情况。该系统采用KBSG-630kV·A／660V型变压器供电，EBH-120掘进机进道，系统总功率550kW。在掘进到1200m时就遇到掘进机启动困难，电气设备灵敏度校验不合格的情况。在现有设备和技术支持的情况下，我矿采用将供电变压器前移，馈电开关更换成具有相敏短路保护功能的KBDZ-630型馈开才完成开掘任务。另外，第一台MGTY250／660型电牵引采煤机用于32-407面也因装机容量大，供电距离远等原因造成启动困难，最后只得提高整个系统电压等级才勉强工作。这些实例都可归结为系统无功负荷太大造成的后果。解决这些问题的最根本方法就是进行无功功率补偿。
无功补偿的通常做法是在系统中采用固定安装或自动投切方式接人并联电容器等容性设备，这些设备可补偿感性负荷所消耗的部分无功功率。减少无功功率在电网中流动，从而降低线路电能损耗，提高系统功率因素，改善电网运行条件。
2电网无功功率及功率因素的含义
电力网除了要负担用电负荷的有功功率P，还要负担负荷的无功功率Q，P、Q和视在功率S间存在如下关系：
s=√P2+Q (1)
而电网的功率因素为
COS∞=P／s (2)
即功率因素COS 9的物理意义是：线路的视在功率S供给有功功率P的消耗所占的百分数。功率因素还可用式(3)来表达
COS tp=P／S=P／“3 UI) (3)
可见，在一定电压U和电流，下。提高功率因素COS妒，其输出的有功功率P将增大，因此改善功率因素是充分发挥设备能力．提高设备利用率的有效方法。
3采用无功补偿提高功率因素的意义
3．1 降低电压损压，改善电压质量
电网电压损失可以表示为
△阢=(PR+QXL)／U (4)
可以看出，影响电网电压损失的因素有四：P、Q、R和XL。
如采用容抗为X。的电容来补偿。电压损失△U可表示为
△Ⅳ1一[PR+Q(XL—X(’)3／U (5)
△U1<△阢(6)
故采用补偿电容器提高功率因素后，电压损失减少。
3．2减少线路和变压器损耗
(1)线路通过电流¨时，有功损耗为
ZiP一3rR (7)
或△P一3P2R／扩cos2伊’(8)
可见，线路功率损耗△P与COS2妒成反比，COS妒越高，△P越小。
(2)变压器损耗中，铁损与负荷无关，铜损与负荷率的平方成反比。当输出功率恒定时，功率因素由COS伽提高到COS仰，铜损减少的有功功率为
APr=炉△PK(1一COS伽／COS即)2 (9)
式中声为变压器负荷率；△PK为变压器额定铜损；COS咖、COS弘为补偿前后的功率因素。
可见变压器铜损△PK越小。功率因素COS仰越高。
3．3降低电费
按照功率因素调整电费的规定，随着功率因素的提高，电费将降低，另外提高功率因素电耗减少，也将减少电费。
3．4增加设备输出容量
提高功率因素后，由于无功电流得到补偿，供用电设备及线路的负荷电流相应减少，使设备的输出容量增加。
3．5 减小电缆截面和降低变压器容量
提高功率因素后，由于负荷电流减小，因而供电线路电缆截面和配电变压器容量可适当降低。
4无功补偿原理
无功补偿原理电路图如图1所示，相量图如图2所示
图1无功补偿电路图2无功补偿相量图
在煤矿井下各种负载中，异步电动机、变压器所消耗的无功功率在电力系统所提供的无功功率中占很大比例(电抗器、架空线、各种谐波源也要消耗一定的无功功率，但比例不大)，而异步电动机变压器可看作典型的阻感回路，即由工作电阻R和电感L相串联的电路，其功率因
素可表示为：
COS qD=R／刀F钉i
在该电路并联接人电容器C后，由相量图可知；并联电容后，电压与相位变小了，即供电回路的功率因素COS舻提高了。
5无功补偿方式及各种补偿的优缺点比较
      电网的无功补偿从补偿的目的来看，可分为系统补偿和负荷补偿。系统补偿的目的是为了提高输电网的传输容量，改善电网的稳定性等，负荷补偿的目的是为了提高系统的功率因素和供电质量，减少线损等。配电网常用的无功补偿方式有：就地无功补偿、分散无功补偿和集中无功补偿。
(1)就地无功补偿采用并联电容器直接装于用电设备附近，与电动机供电回路相并联，常用于低压网络。它使用品闸管或机械开关作为投切开关，通过就地电压传感器控制而自动投切电容器。运行时电机所需的无功负荷由电容器就地供给，能量交换距离最短，可最大限度降低线路电流。在线路相同情况下，线路损耗与电流平方成正比。所以，电容就地补偿，节电效果最好。但由于井下现场环境恶劣，维护、保养跟不上，极易造成设备损坏。
(2)分散无功补偿方式将并联电容器安装在变压器低压侧，达到提高分支回路功率因素，降低供电线路电流，减少线损目的。
(3)集中无功补偿采用在变电站降压变压器母线侧安装高压并联电容器组，其优点是有利于控制电网电压水平，且易于实现自动投切，利用率高，维护方便，能减少电网、变压器及供电线路的无功负荷和电能损耗，但不能减少电网内部各分支线路的无功负荷和电能损耗。
6提高功率因素综合效益分析
6．1经济效益定量分析
例：某矿从地面变电站向井下一综采面供电，供电距离为5km，输电电缆采用3x 120mmz交联电缆，一次电压6kV，二次电压l140V，工作面总负荷3 000 kW，平均功率因素
0.65，负荷率0.7，年工作时间340×18—6 120 h。在工作面移变二次侧并联电容器组采用无
功补偿后．系统平均功率因素达到0.95，求补偿前后节约费用；
(1)线路损耗
补偿前：Io一[(3 000X0．7)／(J5X1 140X0．65)X10s]一1 636 A
折算到：6 kV系统h一1 636／5—327A
补偿后：L一(3 000×0．7／“3×1 140X0．95)X103=1 120 A
折算到：6 kV系统fl=1 120／5—224 A
每小时每公里降低功率损耗
△P线=3(Io 2一11 2)R一3X(3282--2242)×0．188=32 kW
全年节省电费6 120×32X5×0．37—36，2万元
(0．188 a／km为3X 120高压电缆每千米电阻值)
(2)电缆投资节省费用
补偿前：L=327 A，选择3X120 aim2电缆。载流量335 A
补偿后：Il=224 A，选择3×70 ri,lrn2电缆，载流量242 A
根据两种规格电缆目前市场批发价。计算差价为(218～120)×5 000=49万元
(3)变压器投资节省费用
补偿前：So=3 ooo／o．65—4 615 kV·A
补偿后：Sl一3 ooo／o．95=3158 kV·A
S=so—S1—4 615～3 158=1457 kV·A
根据补偿前后变压器容量差可以看出，最起码可少投入一台1 250 kV?A变压器，该变压器市场价为35万元左右。
综上分析，这样的工作面，采用无功补偿前后，年节约资金至少在120万元以上。
6．2安全效益定性分析
      采用无功补偿前，系统因存在大量无功负荷，产生的大量无功电流导致电缆、变压器、开关、电机的绝缘下降加快，进而引发漏电、短路故障，可能造成伤人或引发瓦斯爆炸事故。同时由于电压降增大，造成电机无法启动，进而烧毁电机、开关，影响生产。采用无功补偿后，系统电流下降，上述各种事故就会明显减少，所以采用无功补偿技术对矿井安全供电具有重要的现实意义。
7补偿电容器的配置方式
按照经济运行原则，矿井的电容器无功补偿采用集串补偿与分散补偿相结合的方式最为有利。
(1)在矿井地面变电站主变母线上设置电容器，补偿全矿的无功功率。电容器应分组设置，需要时设自动跟踪补偿装置，以调节全矿功率因素。
(2)在井下中央变电所或采掘工作面移变二次侧装设电容器，作为分散补偿。
(3)对于容量大、长期稳定运行且不需反转或反接制动的电动机，可采用就地个别补偿。
参考文献
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罗安．电网谐波治理和无功补偿技术及装备I-M]．北京：中国电力出版社，2006(4)：
[31张宏勋．煤矿电工手册第二分册[-M-]．北京：煤炭工业出版社，1997(4)：上册45—53，下册1398—1405．
[4] 曹世祜．中国煤炭工业百科全书(机电卷)I-M]．北京：煤炭工业出版社，1997(12)：415-417．
作者简介张银宝(1967～)。男。1992年毕业于太原理工大学(原山西矿业学院)，高级工程师