浅析煤矿井下无功功率补偿设备的应用及问题

作者：郑晓敏

  目前无功功率补偿设备已经在井下得到广泛使用，而且管理者和使用者对无功功率补偿装置的作用和认知都越来越高。目前井下使用无功功率类补偿设备从原理技术方面分类主要有以下几种：①接触器投切电容器组；②接触器投切串联电抗器的电容器( LC)组；③晶闸管投切的LC组(TSC)；④静止同步补偿器（STATCOM）。笔者就这几种技术特点进行应用场合的分析及其发生的问题研究。

1接触器投切电容器组

  接触器投切电容器组这类投切方法是将地面低压补偿柜常用的无功功率补偿方法引入到井下使用，采用接触器直接投入电容器，该方法的特点是结构简单，可以提高功率因数。

  接触器投切电容器组在使用中存在如下问题：

  (1)投入延时过高。该技术通常电容靠放电电阻放电，井下电网电压高，电阻放电时间通常在1 min以上，电容器退出运行到再次投入需等待电容器电压下降到50 V以下，即使采用多组电容器轮流投入，投入延时也有十几秒。

(2)容易放大谐波电流或引起电网并联谐振。并联电容器后系统的谐波等效电路和系统的n次谐波阻抗发生变化，如图1所示。其中，Rs为工频短路电阻，Rsn为系统n次谐波电阻，X。为工频短路电抗，X。为系统n次谐波电抗，X。、为工频容抗，X。。为系统n次谐波容抗，Zm为系统阻抗。并联电容器后系统n次谐波阻抗变为：

  接触器投切电容器组进行无功功率补偿在实际应用中有着较大的局限性，可以应用在无谐波干扰（即无变频器、软启动、整流器等电力电子开关），负载容量小，启动电流小对电压波动不明显的场合，无瞬时补偿要求的长期平稳运行工况。

2  接触器投切LC组

  接触器投切LC组无功功率补偿原理与接触器投切电容器组相同，不同之处在于每一补偿支路都串联一定容量的电抗器，串联电抗器后最直接的效果是控制住了投入时刻的涌流，此外适当地调整电抗率还可以滤除电网中部分频次的谐波或者抑制部分频次的谐波流入电容器。井下设备常见的电抗率有0.5%～1%、5%～7%两种，串联电抗率低于1%的电抗器只可起到控制投入涌流的作用，虽然电抗率很低，但可将投入最大的涌流控制到20倍以内，满足国家标准。而选择电抗率为5%～7%的电抗器，除了可将涌流控制到10倍以内，还可滤除部分5次谐波（5次谐波为3项桥式整流设备发出的谐波主要成分之一）。接触器投切LC组在使用中存在如下问题：

  (1)投入延时过高。同接触器投切电容器组的问题一样。

  (2)串联电抗器带来的问题。串联1%以内电抗率的电抗器可以限制投入涌流，但是5次谐波和7次谐波的谐波电流都会在该支路电容器中放大，大量的谐波电流将导致电容器过流甚至烧断电容器的保险。而串联4. 5%以上电抗率的电容器将避免此问题，但是串联大电抗率的电抗器带来的问题是发热量增大，一般串联电抗器的发热损耗（主要是铁损和线损）为额定功率的4%左右，那么一台容量为400 kVar的补偿装置（6%电抗率）满载运行的发热量是0.96 kW，电容器的损耗约为0.8 kW，总发热功率约1.8 kW。电抗器最高运行温度可达120℃，而电容器的额定环境温度要低于45℃，所以说电容器的额定电流运行和热防护是该技术关键问题。

  接触器投切LC组可以应用在有变频器的场合。

3  晶闸管投切LC组(TSC)

采用TSC技术是利用晶闸管的高速开通特点，在电网电压和电容器电压相同的时刻触发晶闸管，根据电容电流方程（其中，i。、为电容电流，U。、为电容电压，C为电容容量）可知，dUc、近似于零，ic、也近似于零。这样整个投入过程不会产生冲击电流，而且电流也没有越阶变化，是理想的投入状态。过零投入有两种方法：一种是电容器初始电压与供电电压相同时刻触发，另一种是待投电容器在电源波峰（波谷）时刻充电，触发选在波峰（波谷）时刻。鉴于井下1 140V电压过高，电容运行时刻最高可达到l 400 V，无法进行电容电压检测，所以普遍采用电容恒压充电一波峰触发的方法。恒压充电有多种电路连接方式，常见的有“2+2”和“3+3”两种，见图2。

  此外，TSC还可以实现动态投切，电容器退出运行后充电时间很短，2个正弦波就可以充满，所以说两次投切的时间仅需40 ms，可以跟踪负荷进行实时动态投切。

  需要注意的是，不论是“2+2”还是“3+3”电路，电容器都在波峰或波谷处充电，那么晶闸管关断时两端承受的电压为4倍的额定电压U，，考虑到电压波动和1倍的余量，晶闸管要按额定电压6倍选取。

  晶闸管投切LC组在运行中存在如下问题：

  (1)晶闸管和整流管运行电压高，1140 V的电压晶闸管承受电压达到4 500 V，如果系统电压达到1 300 V，晶闸管承受电压达5 200 V，所以当系统电压过高时要切断充电回路，闭锁系统的运行，否则晶闸管极易击穿，电容器发生击穿自愈，寿命也大大减少。

  (2)电压波动时，比如大功率设备启动时，电压被迅速拉低，电容的电压要高过电网的波峰或波谷电压，此时电容投入时，即使在电压波峰处投入也会与电容有电压差AU。AU -是会产生涌流，很小，一般不超过电容电流的1.3倍；二是AU是会产生一个dU/dt晶闸管的dU/dt值都小于1 000 V／ms，但瞬间的电压波动造成的dU/dt值极大，如果保护不当，也将直接击穿晶闸管或者降低晶闸管的耐压，使之逐步击穿。

  TSC可用在系统电压比较稳定的场合，亦可用在有变频器等干扰设备的环境中。

4  静止同步补偿器( STATCOM)

静止同步补偿器亦叫静止无功发生器( SVG)，近年来在地面高低压系统中逐步成熟，发展比较迅速。STATCOM与TSC等技术相比具有更好的效果，首先它补偿速度可以实现微秒级同步补偿，适应电压范围宽；其次它不以电容器为无功源，而是采用逆变的方式，可无级地输出或输入无功功率精准补偿功率；它采用的电抗和电容少，装置的体积小容量大。STATCOM具有领先的性能，是无功补偿装置的发展方向。STATCOM主电路原理图如图3所示。

  STATCOM虽然性能很好，但运行中依然有些问题需要我们注意：

  (1)干扰问题。它同变频器一样，采用的是IGBT逆变的方式输出功率，IGBT的高频开关必然带来大量的电磁干扰。为了降低共模干扰和减少IGBT的发热，STATCOM的载波频率并不高，通常只有2 kHz～3 kHz，带来的问题就是输出波形不好，高次谐波成分高，需要配置高通滤波器来减少干扰。

  (2)发热问题。IGBT模块的损耗包括导通损耗和开关损耗。损耗受载波频率、电压、电流、芯片等多种因素影响，较难准确计算。目前1140 V的STATCOM采用的IGBT为1 600 V，是单只IGBT最高电压，芯片对温度要求非常高，散热是IGBT正常工作重要原因之一。除了IGBT以外，3个直流电抗器、高通滤波、母线电容均发热，箱体的散热量也是要考虑的重要因素。

  (3)工业稳定性。虽然STATCOM在地面电网已基本实现稳定运行，但井下的环境要恶劣得多，如电压波动大、经常故障跳闸、空气湿度大、人为因素等，都是对设备的严峻挑战，而且最核心的软件算法也需针对井下电网的特点进行持续地优化改进，因此工业性试验还有很长的路要走。

  STATCOM可用在除了电网中有易受干扰的设备外的所有场合。

5  结束语

本文讨论了几种煤矿井下常用的无功功率补偿设备的原理。分析了实际运行中常出现问题的原因。煤矿机电管理人员应根据电网的特点合理使用无功补偿设备，可减少设备故障，提高设备利用效率。

6摘要：讨论了无功功率补偿装置的常见故障类型，从原理上分析了故障产生的原因及其适用的运行环境。