一、行业简介

　　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。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，井下电能损耗相当严重，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。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。矿用井下无补偿主要是针对解决以上问题而被提出的。

　　目前国内煤矿行业无功补偿设备现状

　　针对煤炭行业的电力负荷特点，国内外对动态无功补偿技术都进行研究，主要类型分为如下几种：

　　1、分组投切电容器方式。真空接触器(或断路器)投切方式，投切时开关触头间会产生电弧，因电容回路的通断过程中会产生较高的操作过电压和冲击电流。所以往往在回路中串联电抗器来抑制投切涌流，并能治理相应谐波。原理简单，成本低是其特点。

　　2、静止型动态无功补偿装置(SVC)。该装置为晶闸管控制电抗器+滤波装置(TCR+FC)方式或者晶闸管投切电容器(TSC)。其功能具有平滑调节无功补偿容量、系统响应速度快，并能综合治理谐波，普遍应用在煤矿系统、冶金行业、电力系统和电气化铁路等。

　　3、磁阀式补偿方式。装置由补偿电容器和并联可调电抗器组成，通过高阻抗电抗器磁通的调节，使其与并联电容器中多余的容性无功容量平衡。这是自饱和电抗器补偿方式的一种变型产品，因其损耗大，运行成本高，调节速度慢，补偿范围有一定的限制，属于淘汰技术。

　　这些补偿方式都存在一些不足之处，结合煤矿配电形式，研发适合于煤矿应用的无功补偿设备是当务之急，也是响应国家政策。

　　目前煤矿配电网普遍采用的无功补偿方式有三种:分别为集中补偿、分散补偿和就地补偿。

　　1、集中补偿

　　集中补偿是将电容器装设在用户专用变电所或配电室的低压母线上，对无功进行统一补偿。这种补偿方式比较适合在负荷集中、离变电所较近，无功补偿容量较大的场合。

　　徐州新集煤矿就采用了集中补偿方式，此矿分析了分组投切电容器组，调压调无功容量补偿，动态无功补偿(SVC)。三种方案的经济性，确定了采用分组投切电容器组代替原有固定投切电容器，保证了该矿的供电质量和功率因数。

　　集中补偿的优点是:可以就地补偿变压器的无功功率损耗。由于减少了变压器的无功电流，相应地减少了变压器的容量，也就是说，可以增加变压器所带的有功负荷;可以补偿变电所母线、变压器和受电线路的功率损耗，节约能源;当负荷变化时，能对母线电压起一定的调节作用，从而改善电压质量;便于管理、维护、操作及集中控制。

　　缺点是:它只能减少装设点以上线路和变压器因输送无功功率所造成的损耗，而不能减少用户内部通过低压线路向用电设备输送无功功率所造成的损耗。

　　2、分散补偿

　　分散补偿是将电容器组按低压配电网的无功负荷分布分组装设在相应的母线上，或者直接与低压干线相联接，形成低压电网内部的多组分散补偿方式，适合负荷比较分散的补偿场合。

　　鸡西矿业集团就采用了分散补偿方式，具体做法是应用矿用隔爆型无功功率自动补偿装置安装在某矿综采工作面移动变电站低压侧。

　　分散补偿的优点:对负荷比较分散的电力用户，有利于对无功进行分区控制，实现无功负荷就地平衡，减少配电网络和配电变压器中无功电流的损耗和电压损失，使线损显著降低;在负载不变的条件下，可增加网络的输出容量;补偿方式灵活，易于控制。

　　分散补偿的缺点是:如果装设的电容器无法分组，则补偿容量无法调整，运行中可能出现过补偿或欠补偿;补偿设备的利用率较集中补偿方式低;安装分散，维护管理比较不方便。

　　3、就地补偿

　　这种方法是就地补偿用电设备(主要是电动机)所消耗的无功功率，将电容器组直接装设在用电设备旁边，与用电设备的供电回路并联，以提高用电系统的功率因数，从而获得明显的降损效益。

　　就地补偿的优点是:无功电流仅仅与附近的用电设备相互交换，不流向网络其它点，在网络中无功电流的无功损耗和电压损耗小，既对系统补偿，也对用户内部无功损耗补偿，大大减少了电能损失，被补偿网络运行最经济;在配电设备不变的情况下，可增加网络的供电容量，导线截面可相应减小;适应性好，既可三相补偿，对容量较大的电动机个别补偿，也可进行两相、单相补偿，并且单台补偿装置的容量较小，电容器投切冲击电流小，对于宾馆、大楼等无功补偿特别适合。

　　就地补偿的缺点是:对于电网内公用负荷，与集中补偿和分散补偿相比，补偿相同容量的无功负荷所需的补偿电容器总容量和补偿装置总数量增加，由此引起投资较大，补偿装置利用率较低。同时由于井下现场环境恶劣，维护、保养跟不上，极易造成设备损坏。[26]

　　由于以上缺点的存在，国内很多煤矿按照经济运行原则，对矿井的电容器无.功补偿采用集中补偿与分散补偿相结合的方式。在矿井地面变电站主变母线上设置电容器，补偿全矿的无功功率。电容器分组设置，需要时设自动跟踪补偿装置，以调节全矿功率因数;在井下中央变电所或采掘工作面移变二次侧装设电容器，作为分散补偿;对于容量大，长期稳定运行且不需反转或反接制动的电动机，采用就地个别补偿。

　　焦作煤业有限公司采用了集中与就地结合补偿的补偿方式，采取的具体方法是，将离矿井地面变电所近且用电量小的负荷，如地面生活用电，压气机房的负载采用集中补偿。对于负荷相对集中的场地，如机修车、风井等采用分散补偿。对于距离远，且负荷较大的电动机(如采煤机、水泵等)采用个别补偿。

　　通过对国内煤矿常用补偿方式的分析，可以看到虽然都采取各种补偿方式尽量降低网损，但很多煤矿配电网络的无功补偿依旧存在很多问题，具体体现如下:

　　1、补偿方式单一

　　通过对充州矿区各大煤矿补偿方式的研究，方式单一，大都只采取一种补偿方式。有些煤矿采用高压集中补偿，发现煤矿无功补偿方在6kV侧装设高压这种方式只能对6kV母线进行补偿，对煤矿内部的补偿几乎没有效果。

　　2、补偿位置选择不理想

　　由于煤矿大型电力电子装置很多，如提升机功率680kw，很多煤矿直接对其就地补偿，但这种对大容量量晶闸管电源供电的重型负荷的补偿，会致使电网波形畸变，谐波分量增大，功率因素降低。更由于此类负载经常是快速变化，谐波次数增高，危急供电质量，同时对通讯设备影响也很大，所以此类负载采用就地补偿是不安全，不恰当的。

　　3、补偿容量不足

　　一般煤矿远离供电变电所，供电电压波动很大，正常设计的电容器在电压升高超出自动装置的设定范围时，就会退出运行失去补偿作用。

　　通过以上分析，可以发现现在的煤矿配电网无功补偿容量计算和补偿地点的选择都存在着诸多问题，必须采用无功优化的方式，对全矿配电网进行潮流计算，才能有效地确定补偿容量和补偿方式。

　　二、煤矿行业无功补偿设备发展趋势——静止无功发生器

　　静止无功发生器的主体是一个电压源型逆变器，由可关断晶闸管适当的通断，将电容上的直流电压转换成为与电力系统电压同步的三相交流电压，再通过电抗器和变压器并联接入电网。适当控制逆变器的输出电压，就可以灵活地改变其运行工况，使其处于容性、感性或零负荷状态。与静止无功补偿器相比，静止无功发生器响应速度更快，谐波电流更少，而且在系统电压较低时仍能向系统注入较大的无功。

　　随着电力电子技术的日新月异以及各门学科的交叉影响，静止无功补偿的发展趋势主要有以下几点：

　　1、在城网改造中，运行单位往往需要在配电变压器的低压侧同时加装无功补偿控制器和配电综合测试仪，因此提出了无功补偿控制器和配电综合测试仪的一体化的问题。

　　2、快速准确地检测系统的无功参数，提高动态响应时间，快速投切电容器，以满足工作条件较恶劣的情况(如大的冲击负荷或负荷波动较频繁的场合)。随着计算机数字控制技术和智能控制理论的发展，可以在无功补偿中引入一些先进的控制方法，如模糊控制等。

　　3、目前无功补偿技术还主要用于低压系统。高压系统由于受到晶闸管耐压水平的限制，是通过变压器接入的，如用于电气化铁道牵引变电所等。研制高压动态无功补偿的装置则具有重要意义，关键问题是要解决补偿装置晶闸管和二极管的耐压，即多个晶闸管元件串联及均压、触发控制的同步性等。

　　4、由单一的无功功率补偿到具有滤波以及抑制谐波的功能。随着电力电子技术的发展和电力电子产品的推广应用，供电系统或负荷中含有大量谐波。研制开发兼有无功补偿与电力滤波器双重优点的晶闸管开关滤波器，将成为改善系统功率因数、抑制谐波、稳定系统电压、改善电能质量的有效手段。