2013/12/12 0:00:00
0引言
随着煤矿企业井下生产设备的机械化、自动化水平的大幅提高，使得井下用电设备功率也随之增大，伴随着井下开采的延伸，井下供电系统范围也逐渐变大，使煤矿井下供电系统存在功率因数低、线路损耗大、重载设备启动困难等问题。为解决大型设备启动困难的问题，煤矿井下供电系统中使用了大量的变频装置，在变频设备运行过程中，产生的谐波使供电系统的电能质量恶化，导致输电线路损耗增加，通信系统收到干扰，影响继电保护、自动控制装置的可靠运行，电气设备寿命缩短等问题。通过实践证明煤矿井下供配电系统采用无功补偿装置是解决压降问题、谐波问题的改善电能质量最有效方法。
1 煤矿井下无功补偿装置的分类
现有煤矿井下无功补偿装置根据补偿方式可分为集中补偿和就地补偿；根据防爆要求可分为矿用一般型和隔爆型；根据补偿装置原理可分为MCC接触器投切电容器、TCS晶闸管投切电容器、SVG高压静止无功发生器、矿用隔爆型无功功率终端补偿器。受无功补偿技术发展和煤矿井下防爆要求的制约，应用于井下的无功补偿装置主要为以下三种型式组成：矿用一般型高压无功补偿装置(6kV、10kV)、矿用隔爆型无功补偿装置（1140V、660V）、矿用隔爆型无功功率终端补偿器（660V）。
TCS型补偿装置采用可控硅控制开关与真空接触器并联构成的复合开关，采用分级补偿容量技术，解决了平均容量分组带来的单组补偿容量过大及易出现欠补偿等问题。配套串联6%电抗器，构成LC滤波回路，可有效滤除5、7次谐波，但不能连续调节无功补偿量。
SVG型无功补偿装置主要由IGBT、电抗器、避雷器等构成，可实现自动补偿系统所需无功功率，响应速度快，并具有APF功能，可有效清除5、7、11次等多种谐波，可有效抑制电压波动和闪变。
容量静态无功补偿装置是与负载安装在同地的就地补偿装置与负载同时启动和停运，一次性补偿，主要由接触器、电容器、电抗器、避雷器等构成，可解决单台设备就地补偿的要求，可提高线路末端的功率因数。
2 无功补偿装置的选择
根据经济运行和就地补偿优先的原则，针对煤矿井下设备运行方式和安装地点的防爆要求选择不同种类的无功补偿装置。
1）在井下主变电所内可根据防爆要求选择高压矿用一般型或者隔爆型无功补偿装置，可在高压系统采用大容量的SVG型无功补偿装置对井下供电系统无功功率进行集中补偿并对电网中的谐波进行治理，也可在所用变压器低压侧采用TSC型的无功补偿装置进行补偿。
2）对大容量、连续运行的设备宜采用静态无功补偿装置进行就地补偿。
3）在采掘工作面配电点宜在移动变压器低压侧采用TSC型无功补偿装置，可根据设备运行状态自动调整无功补偿容量。
3 无功补偿的意义
井下供电系统安装无功补偿装置后，使设备侧功率因数得到了极大的提高，并消除供电系统中谐波含量，并由此带来了一系列的节能效益，主要体现为：
1）提高了供电系统的供电能力，增加就地补偿装置后，提高井下供电系统功率因数，减少线路及变压器中无功电流，使供电系统能满足更多设备供电需求。
2）降低线路及变压器的无功损耗，并可减少电缆截面和变压器容量，达到节能降耗和节约投资的目的。
3）减少线路压降，改善设备侧电压质量，扩大供电范围。
4）SVG型无功补偿装置可以有效消除井下5、7、11次等主要谐波，净化井下供电系统，提供井下供电系统可靠性。
5）井下感性负荷大量产生无功功率，导致供电系统电网电压波动，采用就地无功补偿后，将大部分无功功率就近补偿，使供电网无功功率显著减少，减小了电网电压及井下变压器二次电压波动范围。
4 无功补偿效果分析
以某新建大型矿井为例，对无功补偿装置的应用进行定量的效果分析。此矿井采用集中补偿和就地补偿相结合的补偿方式。采掘工作面移动变电站采用矿用隔爆型动态无功补偿装置对移动变电站进行就地补偿。
综采工作面工作设备安装容量1850kW，功率因数为0.65，有功功率为1202kVA，设2000kVA 10/1.2kV 移动变电站一台，移动变电站低压侧安装640kvar的隔爆无功补偿装置一台，补偿后功率因数为0.9。由井下主变电所至综采工作面电缆型号为70mm2，长度为2.5km，电缆阻值R=0.44Ω/km，由矿井35kV至综采工作面电缆型号为240mm2，长度为1.5km，电缆阻值R=0.15Ω/km，年运行时间5280h。
1）线路损耗
当线路电压和有功功率不变的情况下，改善功率因数，线路损耗减少可根据下式计算，
井下主变电所至综采工作面线路减少损耗：
=19.1kW。
矿井35kV至综采工作面线路减少损耗：
=3.9kW。
年节约资金(19.1+3.9)kW×5280h×0.52元/kW/h=10.7万元
2）变压器损耗
变压器有功损耗减少
无功短路损耗
其中：P为变压器负载侧输出功率，S为变压器额定容量，和分别为补偿前后的功率因数，PK为有功短路损耗，QK为无功短路损耗，Uk为变压器短路电压，λ为无功补偿经济当量取0.1。
8.1kW
年节约资金8.1kW×5280h×0.52元/kW/h=2.2万元
3）设备调整
增加无功补偿装置后，井下主变电所至综采工作面电缆截面由95mm2减少至70 mm2，节约投资约（230.8-170.3）×2200=13.3万元。
4）运行分析
增加无功补偿后年运行费用可减少12.9万元/年，并可减少初期电缆投资13.3万元，具有可观的经济效益。
5 存在问题
在实际应用过程中无功补偿装置尚存在一些问题： 1）防爆型产品外形尺寸较大；2）大型矿井工作面设备多采3300V设备，但缺少3300V电压等级的补偿装置；3）缺少可在采区变电所设置的10（6）kV高压隔爆型无功补偿装置；4）煤矿井下硐室和巷道内空气温度较高，不利于散热，可能导致补偿装置发生过热故障。
6 结论
随着我国经济发展，节能减排以成为我国的基本国策，煤炭行业更是节能减排的重点领域。目前煤矿井下低压供电系统中的功率因数普遍在0.5-0.7之间，严重影响整个矿井的功率因数，在煤矿井下生产过程中造成巨大的浪费，随着补偿技术的发展，在煤矿井下无功补偿装置会有更广泛的应用。