一、行業(yè)簡介

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(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 強了用電管理，推廣了部分節(jié)電產(chǎn)品，但遠遠沒有達到國家對重點煤礦企業(yè)節(jié)能降耗的要求，尤其是井下采、掘、開、運、通系統(tǒng)，功率因素長期運行在0.4-0.7之 間，隨著煤炭產(chǎn)量增加，巷道延伸，負荷增加，井下電能損耗相當(dāng)嚴(yán)重，這種狀況在全國煤炭系統(tǒng)帶有普遍性，而且大部分礦井沒有采取任何節(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)致諧波問題日益嚴(yán)重的主要原因 是：對無功、諧波、三相不平衡等問題不能實施有效，靈活的控制，進而不能改善電壓質(zhì)量，降低諧波含量，使電網(wǎng)運行環(huán)境日趨惡劣。礦用井下無補償主要是針對 解決以上問題而被提出的。

目前國內(nèi)煤礦行業(yè)無功補償設(shè)備現(xiàn)狀

針對煤炭行業(yè)的電力負荷特點，國內(nèi)外對動態(tài)無功補償技術(shù)都進行研究，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，投切時開關(guān)觸頭間會產(chǎn)生電弧，因電容回路的通斷過程中會產(chǎn)生較高的操作過電壓和沖擊電流。所以往往在回路中串聯(lián)電抗器來抑制投切涌流，并能治理相應(yīng)諧波。原理簡單，成本低是其特點。

2、靜止型動態(tài)無功補償裝置(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(diào)節(jié)無功補償容量、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、磁閥式補償方式。裝置由補償電容器和并聯(lián)可調(diào)電抗器組成，通過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(diào)節(jié)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(jié)合煤礦配電形式，研發(fā)適合于煤礦應(yīng)用的無功補償設(shè)備是當(dāng)務(wù)之急，也是響應(yīng)國家政策。

目前煤礦配電網(wǎng)普遍采用的無功補償方式有三種: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(shè)在用戶專用變電所或配電室的低壓母線上，對無功進行統(tǒng)一補償。這種補償方式比較適合在負荷集中、離變電所較近，無功補償容量較大的場合。

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(diào)壓調(diào)無功容量補償，動態(tài)無功補償(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(shù)。

集中補償?shù)膬?yōu)點是:可以就地補償變壓器的無功功率損耗。由于減少了變壓器的無功電流，相應(yīng)地減少了變壓器的容量，也就是說，可以增加變壓器所帶的有功負荷;可以補償變電所母線、變壓器和受電線路的功率損耗，節(jié)約能源;當(dāng)負荷變化時，能對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、操作及集中控制。

缺點是:它只能減少裝設(shè)點以上線路和變壓器因輸送無功功率所造成的損耗，而不能減少用戶內(nèi)部通過低壓線路向用電設(shè)備輸送無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)的無功負荷分布分組裝設(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)部的多組分散補償方式，適合負荷比較分散的補償場合。

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

分散補償?shù)膬?yōu)點:對負荷比較分散的電力用戶，有利于對無功進行分區(qū)控制，實現(xiàn)無功負荷就地平衡，減少配電網(wǎng)絡(luò)和配電變壓器中無功電流的損耗和電壓損失，使線損顯著降低;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?shù)娜秉c是:如果裝設(shè)的電容器無法分組，則補償容量無法調(diào)整，運行中可能出現(xiàn)過補償或欠補償;補償設(shè)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(shè)備(主要是電動機)所消耗的無功功率，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。

就地補償?shù)膬?yōu)點是:無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，在網(wǎng)絡(luò)中無功電流的無功損耗和電壓損耗小，既對系統(tǒng)補償，也對用戶內(nèi)部無功損耗補償，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(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，既可三相補償，對容量較大的電動機個別補償，也可進行兩相、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、大樓等無功補償特別適合。

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

由于以上缺點的存在，國內(nèi)很多煤礦按照經(jīng)濟運行原則，對礦井的電容器無.功補償采用集中補償與分散補償相結(jié)合的方式。在礦井地面變電站主變母線上設(shè)置電容器，補償全礦的無功功率。電容器分組設(shè)置，需要時設(shè)自動跟蹤補償裝置，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，作為分散補償;對于容量大，長期穩(wěn)定運行且不需反轉(zhuǎn)或反接制動的電動機，采用就地個別補償。

焦作煤業(yè)有限公司采用了集中與就地結(jié)合補償?shù)难a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地，如機修車、風(fēng)井等采用分散補償。對于距離遠，且負荷較大的電動機(如采煤機、水泵等)采用個別補償。

通過對國內(nèi)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)的無功補償依舊存在很多問題，具體體現(xiàn)如下:

1、補償方式單一

通過對充州礦區(qū)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(xiàn)煤礦無功補償方在6kV側(cè)裝設(shè)高壓這種方式只能對6kV母線進行補償，對煤礦內(nèi)部的補償幾乎沒有效果。

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，同時對通訊設(shè)備影響也很大，所以此類負載采用就地補償是不安全，不恰當(dāng)?shù)摹?/span>

3、補償容量不足

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

通過以上分析，可以發(fā)現(xiàn)現(xiàn)在的煤礦配電網(wǎng)無功補償容量計算和補償?shù)攸c的選擇都存在著諸多問題，必須采用無功優(yōu)化的方式，對全礦配電網(wǎng)進行潮流計算，才能有效地確定補償容量和補償方式。

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

靜 止無功發(fā)生器的主體是一個電壓源型逆變器，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行工況，使其處于容性、感性或零負荷狀態(tài)。與靜止無功補償器相比，靜止無功發(fā)生器響應(yīng)速 度更快，諧波電流更少，而且在系統(tǒng)電壓較低時仍能向系統(tǒng)注入較大的無功。

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，靜止無功補償?shù)陌l(fā)展趨勢主要有以下幾點：

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(cè)同時加裝無功補償控制器和配電綜合測試儀，因此提出了無功補償控制器和配電綜合測試儀的一體化的問題。

2、快速準(zhǔn)確地檢測系統(tǒng)的無功參數(shù)，提高動態(tài)響應(yīng)時間，快速投切電容器，以滿足工作條件較惡劣的情況（如大的沖擊負荷或負荷波動較頻繁的場合）。隨著計算機數(shù)字控制技術(shù)和智能控制理論的發(fā)展，可以在無功補償中引入一些先進的控制方法，如模糊控制等。

3、 目前無功補償技術(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。研制高壓動態(tài)無功補償 的裝置則具有重要意義，關(guān)鍵問題是要解決補償裝置晶閘管和二極管的耐壓，即多個晶閘管元件串聯(lián)及均壓、觸發(fā)控制的同步性等。

4、 由單一的無功功率補償?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)或負荷中含有大量諧波。研制開發(fā)兼有無功 補償與電力濾波器雙重優(yōu)點的晶閘管開關(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。