煤礦配電網(wǎng)中無(wú)功功率平衡問(wèn)題研究

劉俊嗣

（神華寧夏煤業(yè)集團(tuán)清水營(yíng)煤礦 寧夏 靈武 751410）

0 引言

煤礦生產(chǎn)中的開(kāi)采、運(yùn)輸、提升、通風(fēng)都需要功率很大的機(jī)械，對(duì)電力的需求十分巨大，同時(shí)對(duì)電力的損耗也是十分巨大。電費(fèi)支出已經(jīng)占了全礦支出的很大部分，從節(jié)約采煤成本上考慮，節(jié)能省電也己經(jīng)迫在眉睫。

1 無(wú)功功率負(fù)荷

1.1 配電變壓器

配電變壓器是配電網(wǎng)中無(wú)功功率的主要消耗者之一，其消耗的無(wú)功功率主要包括勵(lì)磁無(wú)功功率損耗和漏感無(wú)功損耗兩部分：勵(lì)磁支路上的無(wú)功功率損耗，基本上可以認(rèn)為是與變壓器負(fù)荷無(wú)關(guān)的空載損耗，數(shù)值上約與變壓器空載電流的百分?jǐn)?shù)相等，其值約為1%-2%；繞組漏抗中的無(wú)功損耗與變壓器的負(fù)荷有關(guān)，當(dāng)變壓器為額定負(fù)荷時(shí)，約與短路電壓的百分?jǐn)?shù)相等，其值約為10%。對(duì)于一臺(tái)變壓器，其滿載時(shí)總的無(wú)功功耗并不大，約為額定容量的11%-12%。但在有多臺(tái)變壓器串接的多電壓級(jí)網(wǎng)絡(luò)中，變壓器中總的無(wú)功功率損耗相當(dāng)可觀。例如在一個(gè)3級(jí)變壓的網(wǎng)絡(luò)中，發(fā)電廠至煤礦為35kV，中間經(jīng)35/6，6/0.4kV，降壓至煤礦設(shè)備，所有變壓器滿載時(shí)，變壓器中總的無(wú)功損耗約占變壓器負(fù)荷的57%，半載時(shí)占39%。由此可見(jiàn)，系統(tǒng)中變壓器的無(wú)功功率損耗所占比例相當(dāng)大，比有功功率損耗大的多。

1.2 電力線路

線路在輸配電過(guò)程中也要消耗一部分無(wú)功功率。電力線路上的無(wú)功損耗也分為兩個(gè)部分：即并聯(lián)電納和串聯(lián)電抗中的無(wú)功損耗。并聯(lián)電納中的無(wú)功損耗又稱(chēng)充電功率，與線路電壓的平方成正比，呈容性。串聯(lián)電抗中的無(wú)功損耗與負(fù)荷電流的平方成正比，呈感性。一般，對(duì)于110kV及以下的配電線路，可忽略電納的影響，消耗的無(wú)功.功率主要由電抗引起，呈感性，表達(dá)式如下：

式中：△Q1為線路消耗的感性無(wú)功功率，Kvar；I為線路流過(guò)的電流，kA；P為輸送的有功功率，kW；Q為輸送的無(wú)功功率，Kvar；UN為線路的額定電壓，kV；X1為線路的阻抗，Ω。

從式中可以看出，線路無(wú)功損耗與線路電壓的平方成反比，線路運(yùn)行電壓越低，則無(wú)功損耗越大；與輸送功率的平方成正比，輸送的功率越大，則無(wú)功損耗越大。

1.3 大功率設(shè)備

煤礦中的大型設(shè)備較多(如主副井提升機(jī)、采煤機(jī)、主水泵等)，主要為異步電動(dòng)機(jī)，異步電動(dòng)機(jī)在煤礦使用比較普遍，其功率因數(shù)很低。異步電動(dòng)機(jī)在運(yùn)行時(shí)所需要的無(wú)功功率由兩部分組成：一部分是勵(lì)磁支路所需的無(wú)功功率，另一部分是負(fù)荷支路所需的無(wú)功功率。異步電動(dòng)機(jī)主要是勵(lì)磁支路所需的無(wú)功功率，當(dāng)負(fù)荷由零到滿載時(shí)，其變化很小，隨負(fù)荷的增加而略有下降；而負(fù)荷支路所需的無(wú)功功率隨負(fù)荷增加而增加，其值一般比勵(lì)磁支路所需的無(wú)功功率小，容量越小，需求的無(wú)功功率越小。電動(dòng)機(jī)的功率因數(shù)隨負(fù)載率的減小而減小，一般煤礦為了設(shè)計(jì)方便，都采用比實(shí)際需要偏大功率的電機(jī)，造成負(fù)載率進(jìn)一步降低，實(shí)際應(yīng)用中功率因數(shù)極低。

2 無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備

2.1 靜止電容器

靜止電容器有并聯(lián)電容器和并聯(lián)電抗器，它們的作用是調(diào)節(jié)系統(tǒng)中的無(wú)功潮流分布。并聯(lián)電容器主要是用在負(fù)荷比較高的時(shí)候，為電網(wǎng)提供無(wú)功電源支持，減少電網(wǎng)中的無(wú)功流動(dòng)，并聯(lián)電容器只能向系統(tǒng)供給感性無(wú)功功率，一般將其連接成若干組使用，按需要成組地投入或切除，改變投切容量，既可以集中安裝，又可分散使用，它供給的無(wú)功功率Qc值與所在的節(jié)點(diǎn)電壓U的平方成正比，即Qc＝U2／Xc。從公式可以看出，當(dāng)節(jié)點(diǎn)電壓下降時(shí)，它供給系統(tǒng)的無(wú)功功率將減少。因此，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生故障或由于其它原因電壓下降時(shí)，電容器無(wú)功輸出的減少將導(dǎo)致電壓繼續(xù)下降，這是并聯(lián)電容器在調(diào)節(jié)性能上的缺點(diǎn)。

2.2 靜止補(bǔ)償器

靜止補(bǔ)償器是近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的一種動(dòng)態(tài)無(wú)功功率補(bǔ)償裝置。它是將電力電容器與電抗器并聯(lián)起來(lái)使用，電容器可發(fā)出無(wú)功功率，電抗器可吸收無(wú)功功率，兩者結(jié)合起來(lái)，再配以適當(dāng)?shù)恼{(diào)節(jié)裝置，就成為能夠平滑地改變輸出(或吸收)無(wú)功功率的靜止補(bǔ)償器。靜止補(bǔ)償器有四種不同類(lèi)型，即可控飽和電抗器型，自飽和電抗器型，可控硅控制電抗器型，以及可控硅控制電抗器和可控硅投切電容器組合型靜止補(bǔ)償器。電壓變化時(shí)，靜止補(bǔ)償器能快速地、平滑地調(diào)節(jié)無(wú)功功率，以滿足動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償?shù)男枰?。同時(shí)運(yùn)行維護(hù)簡(jiǎn)單，功率損耗較小，能作到分相補(bǔ)償以適應(yīng)不平衡的負(fù)荷變化，對(duì)于沖擊負(fù)荷也有較強(qiáng)的適應(yīng)性，在我國(guó)電力系統(tǒng)中它將得到日益廣泛的應(yīng)用。

2.3 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〝?，將電容上的直流電壓轉(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。煤礦供電系統(tǒng)屬于配電系統(tǒng)，不存在同步發(fā)電機(jī)，一般使用電力電容器和靜止無(wú)功補(bǔ)償器進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償。

3 無(wú)功功率平衡和電壓水平的關(guān)系

煤礦供電系統(tǒng)中無(wú)功功率的平衡關(guān)系與有功功率相似，做煤礦供電系統(tǒng)無(wú)功功率的平衡計(jì)算，是使煤礦供電系統(tǒng)中所有的無(wú)功電源所發(fā)出的無(wú)功功率與系統(tǒng)總的無(wú)功負(fù)荷平衡。其目的在于維持各種運(yùn)行方式下電力網(wǎng)各點(diǎn)的電壓水平，確定無(wú)功補(bǔ)償裝置的配置及形式。無(wú)功功率的平衡關(guān)系式為：

式中：電源供應(yīng)的無(wú)功功率QGC由兩部分組成，即發(fā)電機(jī)供應(yīng)的無(wú)功功率QG和系統(tǒng)中無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備供應(yīng)的無(wú)功功率QC，在煤礦供電系統(tǒng)中無(wú)功功率主要由并聯(lián)電容器供應(yīng)。無(wú)功功率損耗主要包括兩個(gè)部分：變壓器中的無(wú)功功率損耗和線路電抗中的無(wú)功功率損耗。

負(fù)荷消耗的無(wú)功功率QL可按負(fù)荷的功率因數(shù)計(jì)算：

式中：PL為負(fù)荷消耗的有功功率；φ為負(fù)荷的功率因數(shù)角。

維持電網(wǎng)正常電壓水平下的無(wú)功功率平衡是保證電網(wǎng)電壓質(zhì)量的基本條件。如果不能在正常電壓水平下保證無(wú)功功率的平衡，電網(wǎng)的電壓質(zhì)量將得不到保證。設(shè)配電網(wǎng)運(yùn)行于額定電壓UN時(shí)，系統(tǒng)電源所能提供的無(wú)功功率為QGN。當(dāng)系統(tǒng)電源提供的無(wú)功功率不足，所供給的無(wú)功功率僅為QG時(shí)，雖然無(wú)功功率也能平衡，但電網(wǎng)的運(yùn)行電壓被迫下降至U。這種情況下，雖可采取某些措施，如改變某臺(tái)變壓器的變比以提高局部的電壓水平，但如果不能增加電網(wǎng)無(wú)功功率電源所能供應(yīng)的無(wú)功功率，則配電網(wǎng)的電壓質(zhì)量總不能獲得全面改善。事實(shí)上，電網(wǎng)中無(wú)功功率電源不足時(shí)的無(wú)功功率平衡是由于電網(wǎng)電壓水平的下降、無(wú)功功率負(fù)荷(包括損耗)本身的具有正值的電壓調(diào)節(jié)效應(yīng)使電網(wǎng)的無(wú)功功率需求有所下降而達(dá)到的。為了適應(yīng)負(fù)荷的增長(zhǎng)，電網(wǎng)中應(yīng)該有足夠的無(wú)功功率備用容量。否則，當(dāng)負(fù)荷增大時(shí)，電網(wǎng)的電壓質(zhì)量就得不到保證。

4 結(jié)束語(yǔ)

無(wú)功優(yōu)化是煤礦用電安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行研究的一個(gè)重要組成部分，通過(guò)對(duì)煤礦無(wú)功電源的合理配置和對(duì)無(wú)功負(fù)荷的最佳補(bǔ)償，不僅可以維持電壓水平和提高系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性，而且可以降低有功網(wǎng)絡(luò)損耗和無(wú)功網(wǎng)絡(luò)損耗，使系統(tǒng)能夠安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。

［1］宋明曙.電力系統(tǒng)無(wú)功優(yōu)化分析[D].濟(jì)南：山東大學(xué)，2008.

［2］朱福橋，王崇林.煤礦電網(wǎng)的無(wú)功補(bǔ)償裝置配置方案[J].礦山機(jī)械，2007，7(2)：38-42.