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电容器补偿技术在矿山供电中的应用

刘 志 云

电容器补偿技术在矿山供电中的应用

作者：刘志云
单位：晋城煤业集团凤凰山矿
邮编：048007
摘　要: 煤矿工业是我国目前最主要的能源行业。由于井下机械化设备不断增加，已成为工业系统耗能大户，电力消耗在煤矿生产成本中占有很大比例。煤矿供用电基本概况 煤矿企业现状 井下无功补偿的意义无 功补偿的原理 凤凰山矿91316综采工作面无功补偿装置应用实例
关键词: 电容器补偿技术 在矿山供电中 应用
《中共中央关于制定国民经济和社会发展第十一个五年规划的建议》中提出：十一五期末单位国内生产总值能源消耗比“十五”期末降低20%左右，这是十一五规划目标中最重要的约束性指标之一。充分体现了落实科学发展观，加快经济增长方式转变，建设资源节约型、环境友好型社会和实现可持续发展、构建和谐社会的要求。
国家发展改革委和国家环保总局联合印发了《关于印发煤炭工业节能减排工作意见的通知》(发改能源〔2007〕1456号)，第十二条负荷变化大的机电设备，宜采用变频等调速技术，并应用电源污染治理技术，消除高次谐波，抑制瞬流浪涌，调节无功功率，提高功率因数。条件具备时，宜采用动态无功补偿和就地无功补偿，矿井平均功率因数不得低于0.9。
一、煤矿供用电基本概况
以某集团公司年煤炭产量6000万吨为例，从电网接入总装机容量480MVA，集团全年生产用电量约为24亿度，加地面居民用电部分，总量超过25亿度，电费支出超过10个亿，2006年用电量达到30亿度，电费支出12个亿；从节电情况看，虽然加强了用电管理，推广了部分节电产品，但远远没有达到国家对重点煤矿企业节能降耗的要求，尤其是井下采、掘、开、运、通系统，功率因素长期运行在0.4-0.7之间，随着煤炭产量增加，巷道延伸，负荷增加，井下无功损耗相当严重，这种状况在全国煤炭系统带有普遍性，而且大部分矿井没有采取任何节电措施。
由于目前煤矿井下大量使用变频设备、整流设备，以及广泛应用电力电子设备，这些电器设备产生谐波电流、谐波电压，正在严重污染井下电网，导致谐波问题日益严重的主要原因是：对无功、谐波、三相不平衡等问题不能实施有效，灵活的控制，进而不能改善电压质量，降低谐波含量，使电网运行环境日趋恶劣。
二、煤矿企业现状
由于目前煤矿井下大量使用变频设备、整流设备，以及广泛应用电力电子设备，这些电器设备产生谐波电流、谐波电压，正在严重污染井下电网，导致谐波问题日益严重的主要原因是：对无功、谐波、三相不平衡等问题不能实施有效，灵活的控制，进而不能改善电压质量，降低谐波含量，使电网运行环境日趋恶劣。
煤炭企业电力浪费具体表现在那些方面呢 ？
由于目前煤矿井下大量使用变频设备、整流设备，以及广泛应用电力电子设备，这些电器设备产生谐波电流、谐波电压，正在严重污染井下电网，导致谐波问题日益严重的主要原因是：对无功、谐波、三相不平衡等问题不能实施有效，灵活的控制，进而不能改善电压质量，降低谐波含量，使电网运行环境日趋恶劣。
1、用电设备频繁出现轻载运行和空载运行。
2、大量非线性负载产生谐波注入电网，给安全供电带来潜在的威胁。
3、井下变电所，移动变电站及采、掘、开系统用电设备，普遍长期处在低功率因素状态下运行。
4、电气设备低效率运行所带来的电网损耗显著增加，电压品质降低，设备老化加速。用电设备（电动机）与电源之间无功电流往复循环，增加了电气设备事故率，影响安全供电和正常生产。
5、供电系统普遍存在“大马拉小车”现象，忽视经济合理性，出现严重的“技术浪费”。
从上述情况分析明显看出，煤炭行业既是生产能源的重要企业，又是耗费电能最为严重的企业，特别是对井下电网节能降耗，治理谐波，努力营造绿色电网，任重道远。为此2007年7月国家发改委，国家环保总局下发了《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补偿，矿井平均功率因素不得低于0.9，这是针对全国煤矿井下节约电能，实现安全、经济用电十分有效的具体措施”。
三、电容器补偿技术的意义
随着现代化矿井快速发展，井下机械化程度不断提升，大功率电机大量使用，普遍应用电子原件产品，各种感性负荷及用电设备与地面电网供电电源之间必然循环着大量无功功率，同时产生各类谐波，造成井下供电质量恶化和电能严重浪费，直接影响井下电网及用电设备正常运行，采用井下无功补偿后具有如下意义：
1、降低无功损耗，减少电能浪费
采用补偿后，系统功率因数提高，使变压器及供电线路中电流下降，降低了无功损耗，达到节能降耗的目的。
2、提高功率因数
用容性无功电流就近实时抵消负荷产生的感性无功电流，达到提高井下供电系统功率因数的目的。
3、提高供电系统的利用率
井下用电设备与地面电源之间存在大量往复交流的无功功率，这些无功功率必然占用供电系统多数容量，造成供电线路带负荷能力下降，井下变压器容量利用率下降，各级控制开关带载能力下降，加装无功补偿后，使井下变压器视在功率接近于有功功率，有效提高了视在功率利用率，供电线路及各级控制开关因减少了无功电流，大大提高了承载能力。
4、稳定井下电网电压
井下感性负荷大量产生无功功率，必然导致供电系统电网电压波动。无功功率大，电网电压波动幅度大，无功量变化频率快，电网电压波动频率随之加快。安装使用无功补偿后，将大部分无功功率就近补偿，能够显著减少供电网无功功率，减小电网电压及井下变压器二次电压波动范围。
5、减少电气事故率，延长设备使用寿命
井下感性负荷大量产生无功功率，必然导致供电系统电网电压波动。无功功率大，电网电压波动幅度大，无功量变化频率快，电网电压波动频率随之加快。安装使用无功补偿后，将大部分无功功率就近补偿，能够显著减少供电网无功功率，减小电网电压及井下变压器二次电压波动范围。
四、电容器补偿技术的原理
在交流电路中，由电源供给负载的电功率有两种；一种是有功功率，一种是无功功率。 
有功功率是保持用电设备正常运行所需的电功率，也就是将电能转换为其他形式能量（机械能、光能、热能）的电功率。 
　  无功功率比较抽象，它用于电路内电场与磁场的交换，并用来在电气设备中建立和维持磁场的电功率。它不对外作功，而是转变为其他形式的能量。凡是有电磁线圈的电气设备，要建立磁场，就要消耗无功功率。 
   无功功率决不是无用功率，它的用处很大。电动机需要建立和维持旋转磁场，使转子转动，从而带动机械运动，电动机的转子磁场就是靠从电源取得无功功率建立的。变压器也同样需要无功功率，才能使变压器的一次线圈产生磁场，在二次线圈感应出电压。因此，没有无功功率，电动机就不会转动，变压器也不能变压，交流接触器不会吸合。 
在正常情况下，用电设备不但要从电源取得有功功率，同时还需要从电源取得无功功率。如果大量无功功率通过供电网络从电源侧输送到负荷侧，就会产生巨大的电能损耗，同时降低电压，
无功补偿的基本原理是：把具有容性功率负荷的装置与感性功率负荷并联接在同一电路，能量在两种负荷之间相互交换。这样，感性负荷所需要的无功功率可由容性负荷输出的无功功率补偿。 
五、凤凰山矿91316综采工作面电容器补偿技术应用实例
晋城矿务局凤凰山矿使用北京都市鼎点科技有限公司自主研发的WBB---640/1140矿用隔爆型动态无功补偿装置一台。安装地点及工作面编号，91316综采工作面皮带巷移动变电站二次侧，所带负荷工作面采煤机为600KW,安装使用时间是2009年1月3日下午6点半。无功补偿装置在井下运行两个月期间，经矿方有关专业人士认定：该设备防爆性能可靠，节电效果明显，对井下供电系统提高设备容量利用率、减少生产过程中电气事故，特别是提高端电压、延长供电距离、保证终端电机可靠起动和正常运行，具有很大帮助。
根据该设备入井后运行的实际情况，现将经济效益分析如下：
1、 供电系统概况
6KV高压由地面变电站621、652高压柜双线入井，经MYJY3×120—2000M高压电缆送到井下九一配电点，经九一配电点03号400ABGP6—6高压开关馈出送往变电所300A05号高开使用MYJY—3×95—1000M高压电缆，由采区变电所经MYPJY—3×50—1000M电缆送往91316综采工作面皮带巷移动变电站。综采面移动变电站共装有3台移变，其中KBSGZY—1000KVA6/1.14KV带采煤机600KW,第二台1000KVA—6/1.14KV转载机200KW,泵站200KW工作面刮板运输机400KW及其它负荷100KW，第三台630KVA—6/0.66KV带机2X160KW,绞车100KW总容量为2880KVA。总负荷为1920KW。安装补偿前经测试功率因数均在0.65左右。在带采煤机移变二次侧并联安装自动无功补偿装置后，该系统功率因数平均达到0.95左右。有关91316工作面详细供电系统图后供参考。
2、经济效益分析
①补偿前后电流计算（按额定功率80%计算）
l 变压器一、二次侧补偿前电流计算，公式：
、
、
、
补偿前系统总电流
l 变压器一、二次侧补偿后电流计算
l 、
、 没加补充装置电流与补前相同。
补偿后6KV系统总电流
②补偿后减少的供电线路功率损耗计算：
公式：

l 从移动变电站到采区变电所
l
l 从采区变电所到九一配电点
l
l 从九一配电点到地面变电站
九一配电点除有91316负荷外另有500KW其它负荷干变二次电流为728A折算到一次电流为84A

l 供电线路总损耗

③补偿后减少的变压器功率损耗计算-
公式：

另外两台未加补偿，所以不进行功率损耗计算。
④节省电能经济效益计算
l 全系统补偿后节约为：
l 全年节约用电量为：
l 全年共节省资金约：
⑤上述计算为全年节省电费156420元，其次由于加补偿后还有如下好处
l 系统电流减小，使低压系统电气事故率与同期相比下降。
l 加补偿后端电压提高5%左右，从未发生因终端电机起动因电压低而跳闸，保证正常连续生产。
⑥结论
l 该设备运行安全可靠，从未发生任何故障。
l 节约电费一年内95400元
l 电气事故率下降、有利于安全生产
l 提高了电源、开关、变压器设备容量利用率。
l 因终端电压增高，避免了大电机起动困难、造成欠压过流顶闸现象、 极大地方便了生产。

作者简介：刘志云，1973年8月30日出生，男，电话[phone]。

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