浅谈矿山电气设备的无功补偿方法及必要性

浅谈矿山电气设备的无功补偿方法及必要性

宋立昌

(山东黄金矿业（莱州）有限公司三山岛金矿山东省烟台市莱州市261417)

摘要：在金属矿山开采过程所应用的主要设备中，传动装置基本上均属于交直流传动，例如广泛应用到的运输设备、提升设备、排水设备、通风设备、采矿机械等等。同时，很多机电设备属于感性负载，在实际的运行过程中整体功率非常大，而且因为功率因数相对不高，导致机电设备在开启以及停运过程中产生相对大无功功率，同时也会对整个供电系统带来较大影响。会导致整个供电系统所对应的功率因数进一步减小，如此使得系统中出现更大的电能损耗问题，还极易导致供电系统中发生压降或电压升高的问题。在金属矿山企业中，很多负载设备均属于一些非线性的负载设备，例如提升机设备，其进行调速过程中，会将非常多的谐波输送至电网系统中，使得供电网络的电压值发生较大波动。最终，会使得整个系统所拥有的供电水平进一步下降，系统的电耗有所增大，也会使得系统中负载设备发生多次开关问题，极易使得负载设备出现损坏。

关键词：矿山电气设备；无功补偿方法；必要性

1电网供电问题原因分析

1.1无功功率问题

矿井所使用的非线性电子设备、电动机都需要无功功率来维持运行，大量此类设备的投入使用导致电网的无功功率急剧增加，对供电电网产生设备费用投入增加、负载电流增大、电能消耗增加、供电电压波动增加及用电设备无法正常启动运行等严重危害。

1.2电网谐波问题

矿井所使用的馈电开关、电动机、整流设备、变压器以及照明设备等都是金属矿山供电电网的主要谐波源，为了满足矿井自动化生产的要求，大量大功率、大容量的非线性电子设备得到广泛的应用，致使矿井电网谐波问题越发严重。供电电网谐波问题主要包括:供电保护设备误动、设备损耗增加、设备效率降低、精密计量设备发生误差、设备与电缆的绝缘性能降低、使用寿命缩短及对其他用电设备造成电磁干扰等问题。

1.3大型设备瞬间启动问题

矿井所使用的提升机、空压机、排水泵、皮带输送机等大功率设备瞬间启动时，将消耗大量的电流，造成供电线路损耗增加。随着矿井的不断延伸，供电线路越来越长，供电线路电压下降较大。当金属矿山生产高峰期、用电量达到峰值时，整个供电电网电压出现波动，大功率设备难以启动，严重影响到整个供电系统的供电质量。大型设备不能启动作业，严重影响矿井正常生产的同时，还容易引起设备或者电缆过流发热问题，极易引发安全事故。上述三种矿井供电问题是同时存在的，只有对三个问题进行综合整治，才能达到改善矿井供电环境，提高电能利用效率的作用。

2供电系统无功功率及谐波的来源

2.1功率因数偏低和无功补偿不足

某矿的供电系统中，其6KV母线设置了相应的投切补偿装置，这一装置的总容量大小是1400KVar。针对供电系统中的公共点进行测量，测得系统的功率因数偏低，通过全面测量得出供电系统的无功补偿严重不足，其缺口超过了8340KVar。而之所以会出现这一问题，主要是由于供电系统所设置的无功补偿设备所拥有实际容量相对小。

2.2电容器组出现频繁投切问题

对于电容器组而言，最为重要的组成是电容器件，但电容长期运行后，由于经历了非常多的充电以及放电操作，极易导致设备不出现跳变，此时，若将电容器组设备接入至整个供电网络情况下，便会出现形成具有相对高频率大小以及相对高振幅的电流，这一电流可看成是短路电网在合闸操作时形成的相应电流，因此，这一电流也叫做是合闸涌流。因为这一电流所拥有的幅值大小要较正常值高出大约6~8倍左右，同时比供电系统额定电流还要高很多，电流的频率一般超过1000Hz，会导致整个网络受到极大的冲击，尤其是对于断路器装置之中灭弧室所带来的损害是最为严重的。所以，我国国家电网已经出台针对性的规范，要求用户在使用投切电容器组的过程中，要确保投切次数尽量的少。正是由于电容器组出现了频繁的投切问题，使得系统电压变得极不稳定。依照对系统实际测量的数据来看，在电容器组实际投切的过程中，在6KV的母线之上，其对应电压数值在短时间内出现的数值变化变高于8%，而这种电压的变化将会使得电气设备受到极大损坏。另外，由于此种电压波动发生在瞬时，使得系统设置的无功补偿装置无法有效地跟踪符合改变情况，从而不能够完成准确的补偿工作，出现过补问题以及欠补问题，使得系统短时以及长时的闪变均高于标准允许值。

2.3机电设备工作的特性

当主变压器装置以及提升机设备在实际运行时，这些机电设备自身作业特点使得它们所承载负荷会出现较为频繁变化，同时负荷变化也相对剧烈，从而导致非常多的无功功率以及谐波出现，也会使得系统的电压发生相对大变化，线路中的压降问题更为严重，对于机电设备的正常运转会造成极为不利影响。另外，若是出现谐波，将会使得误动作发生概率进一步增加，对于金属矿山安全生产而言是极为不利的。

3无功补偿电路设计

在某矿山供电设备中，一共设置有2台SVG无功补偿设备，分别将其安装在不同的6KV母线之中，通过利用母联开关实现转换，每一个SVG无功补偿设备所拥有的补偿容量均为8MVar。在SVG无功补偿装置之中，包含有电路信号收集装置、设备主控制装置以及放大电力等等，因为在该矿的供电系统中，其间隔时间相对长，使得不同的负载启动过程不够及时，从而进一步使得负载设备所拥有能耗有所增加。而所设置的SVG无功补偿设备，便是针对一些拥有较大功率的机电设备，在起启动过程中实现无功补偿，确保系统中电压以及电流等均能够保持稳定状态，让机电设备能够处于安全阙值范围之内运行，从而使得能耗也有所减少。把SVG无功补偿设备接入至电路以后，其中K1是处在导通状态的，而K2则处于断开状态，母线的电流会被输送至SVG补偿装置，可以给其中的静止无功发生器对应电路进行充电，在完成了充电过程以后，此时K2便会随之被接通，如此静止无功发生器装置便能够针对供电系统的无功功率大小加以监测，同时根据无功功率大小进行补偿。在供电网络之中，静止无功补偿装置在进行电路设计过程中，是采用的不同“H桥”串联方式，在单独的“H桥”之中均包含不同IGBT元件，这样，便能够确保将母线所拥有的高压电压可以被平坦处理，然后把所设计的串联电路借助于星形方式

相互连接到一起。“H桥”功率单元之中交流一侧串联在一起，而直流一侧并联低压电容，采用此种形式的结构，能够确保SVG无功补偿设备可以更为可靠的运行，同时还能够提升其灵活性，使得整个系统的可维护性同时也进一步增强。

4无功补偿技术应用效果

针对某矿之前所设置的无功补偿装置运行情况下开展相关测试工作，在SVG无功补偿设备应用之后，再次的针对整个系统开展检测工作，相应的高次谐波均较国家标准要求值小，同时高压电压侧所拥有的功率因数同样得以极大的增加，增大至0.98，而且无功冲击对应的的最大值同样显著减小，仅为4.26MVar。在SVG无功补偿设备应用之后，在SVG无功补偿设备应用之后，供电系统的谐波电压畸变率值以及长时闪变等相关参数均达到了我国标准规定与要求，说明金属矿山供电系统的运行状况更加可靠，供电系统也更为稳定。

5结论

(1)井下主要存在无功功率、电网谐波、设备瞬间启动等三种同时存在的供电问题，只有对问题进行同时治理，才能达到改善矿井供电环境，提高电能利用效率的目的。

(2)针对金属矿山供电中出现的问题，设计出无功补偿装置，装置包括主回路与控制回路两部分。无功补偿装置实现了对电网谐波和无功的即时检测，并对谐波和无功电流进行补偿的功能，确保了井下供电系统得以安全稳定运行，保障了金属矿山开采的安全高效运行。

参考文献：

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[4]霍文峰.论金属矿山井下供配电系统无功补偿[J].机械管理开发,2017,32(06):142-143.

作者简介:

宋立昌，男，出生于1973年，山东莱州人，山东黄金集团电气高级工程师，主要研究方向为矿山电力系统与继电保护、矿山电气自动化系统。