無(wú)功補(bǔ)償裝置行業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀分析

　一、行業(yè)簡(jiǎn)介

　　煤礦工業(yè)是我國(guó)目前最主要的能源行業(yè)。由于井下機(jī)械化設(shè)備不斷增加，已成為工業(yè)系統(tǒng)耗能大戶，電力消耗在煤礦生產(chǎn)成本中占有很大比例。從節(jié)電情況看，雖然加強(qiáng)了用電管理，推廣了部分節(jié)電產(chǎn)品，但遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒(méi)有達(dá)到國(guó)家對(duì)重點(diǎn)煤礦企業(yè)節(jié)能降耗的要求，尤其是井下采、掘、開(kāi)、運(yùn)、通系統(tǒng)，功率因素長(zhǎng)期運(yùn)行在0.4-0.7之間，隨著煤炭產(chǎn)量增加，巷道延伸，負(fù)荷增加，井下電能損耗相當(dāng)嚴(yán)重，這種狀況在全國(guó)煤炭系統(tǒng)帶有普遍性，而且大部分礦井沒(méi)有采取任何節(jié)電措施。目前煤礦井下大量使用變頻設(shè)備、整流設(shè)備，以及廣泛應(yīng)用電力電子設(shè)備，這些電器設(shè)備產(chǎn)生諧波電流、諧波電壓，正在嚴(yán)重污染井下電網(wǎng)，導(dǎo)致諧波問(wèn)題日益嚴(yán)重的主要原因是：對(duì)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(yùn)行環(huán)境日趨惡劣。礦用井下無(wú)補(bǔ)償主要是針對(duì)解決以上問(wèn)題而被提出的。

　　目前國(guó)內(nèi)煤礦行業(yè)無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備現(xiàn)狀

　　針對(duì)煤炭行業(yè)的電力負(fù)荷特點(diǎn)，國(guó)內(nèi)外對(duì)動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償技術(shù)都進(jìn)行研究，主要類型分為如下幾種：

　　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(yīng)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(bǔ)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(diào)節(jié)無(wú)功補(bǔ)償容量、系統(tǒng)響應(yīng)速度快，并能綜合治理諧波，普遍應(yīng)用在煤礦系統(tǒng)、冶金行業(yè)、電力系統(tǒng)和電氣化鐵路等。

　　3、磁閥式補(bǔ)償方式。裝置由補(bǔ)償電容器和并聯(lián)可調(diào)電抗器組成，通過(guò)高阻抗電抗器磁通的調(diào)節(jié)，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(bǔ)償方式的一種變型產(chǎn)品，因其損耗大，運(yùn)行成本高，調(diào)節(jié)速度慢，補(bǔ)償范圍有一定的限制，屬于淘汰技術(shù)。

　　這些補(bǔ)償方式都存在一些不足之處，結(jié)合煤礦配電形式，研發(fā)適合于煤礦應(yīng)用的無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備是當(dāng)務(wù)之急，也是響應(yīng)國(guó)家政策。

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

　　1、集中補(bǔ)償

　　集中補(bǔ)償是將電容器裝設(shè)在用戶專用變電所或配電室的低壓母線上，對(duì)無(wú)功進(jìn)行統(tǒng)一補(bǔ)償。這種補(bǔ)償方式比較適合在負(fù)荷集中、離變電所較近，無(wú)功補(bǔ)償容量較大的場(chǎng)合。

　　徐州新集煤礦就采用了集中補(bǔ)償方式，此礦分析了分組投切電容器組，調(diào)壓調(diào)無(wú)功容量補(bǔ)償，動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償(SVC)。三種方案的經(jīng)濟(jì)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(shù)。

　　集中補(bǔ)償?shù)膬?yōu)點(diǎn)是:可以就地補(bǔ)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(yīng)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(fù)荷;可以補(bǔ)償變電所母線、變壓器和受電線路的功率損耗，節(jié)約能源;當(dāng)負(fù)荷變化時(shí)，能對(duì)母線電壓起一定的調(diào)節(jié)作用，從而改善電壓質(zhì)量;便于管理、維護(hù)、操作及集中控制。

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

　　2、分散補(bǔ)償

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

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

　　分散補(bǔ)償?shù)膬?yōu)點(diǎn):對(duì)負(fù)荷比較分散的電力用戶，有利于對(duì)無(wú)功進(jìn)行分區(qū)控制，實(shí)現(xiàn)無(wú)功負(fù)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，使線損顯著降低;在負(fù)載不變的條件下，可增加網(wǎng)絡(luò)的輸出容量;補(bǔ)償方式靈活，易于控制。

　　分散補(bǔ)償?shù)娜秉c(diǎn)是:如果裝設(shè)的電容器無(wú)法分組，則補(bǔ)償容量無(wú)法調(diào)整，運(yùn)行中可能出現(xiàn)過(guò)補(bǔ)償或欠補(bǔ)償;補(bǔ)償設(shè)備的利用率較集中補(bǔ)償方式低;安裝分散，維護(hù)管理比較不方便。

　　3、就地補(bǔ)償

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

　　就地補(bǔ)償?shù)膬?yōu)點(diǎn)是:無(wú)功電流僅僅與附近的用電設(shè)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(duì)系統(tǒng)補(bǔ)償，也對(duì)用戶內(nèi)部無(wú)功損耗補(bǔ)償，大大減少了電能損失，被補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行最經(jīng)濟(jì);在配電設(shè)備不變的情況下，可增加網(wǎng)絡(luò)的供電容量，導(dǎo)線截面可相應(yīng)減小;適應(yīng)性好，既可三相補(bǔ)償，對(duì)容量較大的電動(dòng)機(jī)個(gè)別補(bǔ)償，也可進(jìn)行兩相、單相補(bǔ)償，并且單臺(tái)補(bǔ)償裝置的容量較小，電容器投切沖擊電流小，對(duì)于賓館、大樓等無(wú)功補(bǔ)償特別適合。

　　就地補(bǔ)償?shù)娜秉c(diǎn)是:對(duì)于電網(wǎng)內(nèi)公用負(fù)荷，與集中補(bǔ)償和分散補(bǔ)償相比，補(bǔ)償相同容量的無(wú)功負(fù)荷所需的補(bǔ)償電容器總?cè)萘亢脱a(bǔ)償裝置總數(shù)量增加，由此引起投資較大，補(bǔ)償裝置利用率較低。同時(shí)由于井下現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境惡劣，維護(hù)、保養(yǎng)跟不上，極易造成設(shè)備損壞。[26]

　　由于以上缺點(diǎn)的存在，國(guó)內(nèi)很多煤礦按照經(jīng)濟(jì)運(yùn)行原則，對(duì)礦井的電容器無(wú).功補(bǔ)償采用集中補(bǔ)償與分散補(bǔ)償相結(jié)合的方式。在礦井地面變電站主變母線上設(shè)置電容器，補(bǔ)償全礦的無(wú)功功率。電容器分組設(shè)置，需要時(shí)設(shè)自動(dòng)跟蹤補(bǔ)償裝置，以調(diào)節(jié)全礦功率因數(shù);在井下中央變電所或采掘工作面移變二次側(cè)裝設(shè)電容器，作為分散補(bǔ)償;對(duì)于容量大，長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行且不需反轉(zhuǎn)或反接制動(dòng)的電動(dòng)機(jī)，采用就地個(gè)別補(bǔ)償。

　　焦作煤業(yè)有限公司采用了集中與就地結(jié)合補(bǔ)償?shù)难a(bǔ)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(fù)荷，如地面生活用電，壓氣機(jī)房的負(fù)載采用集中補(bǔ)償。對(duì)于負(fù)荷相對(duì)集中的場(chǎng)地，如機(jī)修車、風(fēng)井等采用分散補(bǔ)償。對(duì)于距離遠(yuǎn)，且負(fù)荷較大的電動(dòng)機(jī)(如采煤機(jī)、水泵等)采用個(gè)別補(bǔ)償。

　　通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)煤礦常用補(bǔ)償方式的分析，可以看到雖然都采取各種補(bǔ)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(bǔ)償依舊存在很多問(wèn)題，具體體現(xiàn)如下:

　　1、補(bǔ)償方式單一

　　通過(guò)對(duì)充州礦區(qū)各大煤礦補(bǔ)償方式的研究，方式單一，大都只采取一種補(bǔ)償方式。有些煤礦采用高壓集中補(bǔ)償，發(fā)現(xiàn)煤礦無(wú)功補(bǔ)償方在6kV側(cè)裝設(shè)高壓這種方式只能對(duì)6kV母線進(jìn)行補(bǔ)償，對(duì)煤礦內(nèi)部的補(bǔ)償幾乎沒(méi)有效果。

　　2、補(bǔ)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(jī)功率680kw，很多煤礦直接對(duì)其就地補(bǔ)償，但這種對(duì)大容量量晶閘管電源供電的重型負(fù)荷的補(bǔ)償，會(huì)致使電網(wǎng)波形畸變，諧波分量增大，功率因素降低。更由于此類負(fù)載經(jīng)常是快速變化，諧波次數(shù)增高，危急供電質(zhì)量，同時(shí)對(duì)通訊設(shè)備影響也很大，所以此類負(fù)載采用就地補(bǔ)償是不安全，不恰當(dāng)?shù)摹?

　　3、補(bǔ)償容量不足

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

　　通過(guò)以上分析，可以發(fā)現(xiàn)現(xiàn)在的煤礦配電網(wǎng)無(wú)功補(bǔ)償容量計(jì)算和補(bǔ)償?shù)攸c(diǎn)的選擇都存在著諸多問(wèn)題，必須采用無(wú)功優(yōu)化的方式，對(duì)全礦配電網(wǎng)進(jìn)行潮流計(jì)算，才能有效地確定補(bǔ)償容量和補(bǔ)償方式。

　　二、煤礦行業(yè)無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備發(fā)展趨勢(shì)——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(dāng)?shù)耐〝啵瑢㈦娙萆系闹绷麟妷恨D(zhuǎn)換成為與電力系統(tǒng)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(dāng)控制逆變器的輸出電壓，就可以靈活地改變其運(yùn)行工況，使其處于容性、感性或零負(fù)荷狀態(tài)。與靜止無(wú)功補(bǔ)償器相比，靜止無(wú)功發(fā)生器響應(yīng)速度更快，諧波電流更少，而且在系統(tǒng)電壓較低時(shí)仍能向系統(tǒng)注入較大的無(wú)功。

　　隨著電力電子技術(shù)的日新月異以及各門學(xué)科的交叉影響，靜止無(wú)功補(bǔ)償?shù)陌l(fā)展趨勢(shì)主要有以下幾點(diǎn)：

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

　　2、快速準(zhǔn)確地檢測(cè)系統(tǒng)的無(wú)功參數(shù)，提高動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間，快速投切電容器，以滿足工作條件較惡劣的情況(如大的沖擊負(fù)荷或負(fù)荷波動(dòng)較頻繁的場(chǎng)合)。隨著計(jì)算機(jī)數(shù)字控制技術(shù)和智能控制理論的發(fā)展，可以在無(wú)功補(bǔ)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(bǔ)償技術(shù)還主要用于低壓系統(tǒng)。高壓系統(tǒng)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(bǔ)償?shù)难b置則具有重要意義，關(guān)鍵問(wèn)題是要解決補(bǔ)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(bǔ)償?shù)骄哂袨V波以及抑制諧波的功能。隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展和電力電子產(chǎn)品的推廣應(yīng)用，供電系統(tǒng)或負(fù)荷中含有大量諧波。研制開(kāi)發(fā)兼有無(wú)功補(bǔ)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(tǒng)功率因數(shù)、抑制諧波、穩(wěn)定系統(tǒng)電壓、改善電能質(zhì)量的有效手段。