淺析煤礦井下無功功率補(bǔ)償設(shè)備的應(yīng)用及問題
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作者：鄭曉敏
目前無功功率補(bǔ)償設(shè)備已經(jīng)在井下得到廣泛使用，而且管理者和使用者對(duì)無功功率補(bǔ)償裝置的作用和認(rèn)知都越來越高。目前井下使用無功功率類補(bǔ)償設(shè)備從原理技術(shù)方面分類主要有以下幾種：①接觸器投切電容器組；②接觸器投切串聯(lián)電抗器的電容器( LC)組；③晶閘管投切的LC組(TSC)；④靜止同步補(bǔ)償器（STATCOM）。筆者就這幾種技術(shù)特點(diǎn)進(jìn)行應(yīng)用場(chǎng)合的分析及其發(fā)生的問題研究。
1接觸器投切電容器組
接觸器投切電容器組這類投切方法是將地面低壓補(bǔ)償柜常用的無功功率補(bǔ)償方法引入到井下使用，采用接觸器直接投入電容器，該方法的特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可以提高功率因數(shù)。
接觸器投切電容器組在使用中存在如下問題：
(1)投入延時(shí)過高。該技術(shù)通常電容靠放電電阻放電，井下電網(wǎng)電壓高，電阻放電時(shí)間通常在1 min以上，電容器退出運(yùn)行到再次投入需等待電容器電壓下降到50 V以下，即使采用多組電容器輪流投入，投入延時(shí)也有十幾秒。
(2)容易放大諧波電流或引起電網(wǎng)并聯(lián)諧振。并聯(lián)電容器后系統(tǒng)的諧波等效電路和系統(tǒng)的n次諧波阻抗發(fā)生變化，如圖1所示。其中，Rs為工頻短路電阻，Rsn為系統(tǒng)n次諧波電阻，X。為工頻短路電抗，X。為系統(tǒng)n次諧波電抗，X。、為工頻容抗，X。。為系統(tǒng)n次諧波容抗，Zm為系統(tǒng)阻抗。并聯(lián)電容器后系統(tǒng)n次諧波阻抗變?yōu)椋?/p>
接觸器投切電容器組進(jìn)行無功功率補(bǔ)償在實(shí)際應(yīng)用中有著較大的局限性，可以應(yīng)用在無諧波干擾（即無變頻器、軟啟動(dòng)、整流器等電力電子開關(guān)），負(fù)載容量小，啟動(dòng)電流小對(duì)電壓波動(dòng)不明顯的場(chǎng)合，無瞬時(shí)補(bǔ)償要求的長(zhǎng)期平穩(wěn)運(yùn)行工況。
2 接觸器投切LC組
接觸器投切LC組無功功率補(bǔ)償原理與接觸器投切電容器組相同，不同之處在于每一補(bǔ)償支路都串聯(lián)一定容量的電抗器，串聯(lián)電抗器后最直接的效果是控制住了投入時(shí)刻的涌流，此外適當(dāng)?shù)卣{(diào)整電抗率還可以濾除電網(wǎng)中部分頻次的諧波或者抑制部分頻次的諧波流入電容器。井下設(shè)備常見的電抗率有0.5%～1%、5%～7%兩種，串聯(lián)電抗率低于1%的電抗器只可起到控制投入涌流的作用，雖然電抗率很低，但可將投入最大的涌流控制到20倍以內(nèi)，滿足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。而選擇電抗率為5%～7%的電抗器，除了可將涌流控制到10倍以內(nèi)，還可濾除部分5次諧波（5次諧波為3項(xiàng)橋式整流設(shè)備發(fā)出的諧波主要成分之一）。接觸器投切LC組在使用中存在如下問題：
(1)投入延時(shí)過高。同接觸器投切電容器組的問題一樣。
(2)串聯(lián)電抗器帶來的問題。串聯(lián)1%以內(nèi)電抗率的電抗器可以限制投入涌流，但是5次諧波和7次諧波的諧波電流都會(huì)在該支路電容器中放大，大量的諧波電流將導(dǎo)致電容器過流甚至燒斷電容器的保險(xiǎn)。而串聯(lián)4. 5%以上電抗率的電容器將避免此問題，但是串聯(lián)大電抗率的電抗器帶來的問題是發(fā)熱量增大，一般串聯(lián)電抗器的發(fā)熱損耗（主要是鐵損和線損）為額定功率的4%左右，那么一臺(tái)容量為400 kVar的補(bǔ)償裝置（6%電抗率）滿載運(yùn)行的發(fā)熱量是0.96 kW，電容器的損耗約為0.8 kW，總發(fā)熱功率約1.8 kW。電抗器最高運(yùn)行溫度可達(dá)120℃，而電容器的額定環(huán)境溫度要低于45℃，所以說電容器的額定電流運(yùn)行和熱防護(hù)是該技術(shù)關(guān)鍵問題。
接觸器投切LC組可以應(yīng)用在有變頻器的場(chǎng)合。
3 晶閘管投切LC組(TSC)
采用TSC技術(shù)是利用晶閘管的高速開通特點(diǎn)，在電網(wǎng)電壓和電容器電壓相同的時(shí)刻觸發(fā)晶閘管，根據(jù)電容電流方程
（其中，i。、為電容電流，U。、為電容電壓，C為電容容量）可知，dUc、近似于零，ic、也近似于零。這樣整個(gè)投入過程不會(huì)產(chǎn)生沖擊電流，而且電流也沒有越階變化，是理想的投入狀態(tài)。過零投入有兩種方法：一種是電容器初始電壓與供電電壓相同時(shí)刻觸發(fā)，另一種是待投電容器在電源波峰（波谷）時(shí)刻充電，觸發(fā)選在波峰（波谷）時(shí)刻。鑒于井下1 140V電壓過高，電容運(yùn)行時(shí)刻最高可達(dá)到l 400 V，無法進(jìn)行電容電壓檢測(cè)，所以普遍采用電容恒壓充電一波峰觸發(fā)的方法。恒壓充電有多種電路連接方式，常見的有“2+2”和“3+3”兩種，見圖2。
此外，TSC還可以實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)投切，電容器退出運(yùn)行后充電時(shí)間很短，2個(gè)正弦波就可以充滿，所以說兩次投切的時(shí)間僅需40 ms，可以跟蹤負(fù)荷進(jìn)行實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)投切。
需要注意的是，不論是“2+2”還是“3+3”電路，電容器都在波峰或波谷處充電，那么晶閘管關(guān)斷時(shí)兩端承受的電壓為4倍的額定電壓U，，考慮到電壓波動(dòng)和1倍的余量，晶閘管要按額定電壓6倍選取。
晶閘管投切LC組在運(yùn)行中存在如下問題：
(1)晶閘管和整流管運(yùn)行電壓高，1140 V的電壓晶閘管承受電壓達(dá)到4 500 V，如果系統(tǒng)電壓達(dá)到1 300 V，晶閘管承受電壓達(dá)5 200 V，所以當(dāng)系統(tǒng)電壓過高時(shí)要切斷充電回路，閉鎖系統(tǒng)的運(yùn)行，否則晶閘管極易擊穿，電容器發(fā)生擊穿自愈，壽命也大大減少。
(2)電壓波動(dòng)時(shí)，比如大功率設(shè)備啟動(dòng)時(shí)，電壓被迅速拉低，電容的電壓要高過電網(wǎng)的波峰或波谷電壓，此時(shí)電容投入時(shí)，即使在電壓波峰處投入也會(huì)與電容有電壓差A(yù)U。AU -是會(huì)產(chǎn)生涌流，很小，一般不超過電容電流的1.3倍；二是AU是會(huì)產(chǎn)生一個(gè)dU/dt晶閘管的dU/dt值都小于1 000 V／ms，但瞬間的電壓波動(dòng)造成的dU/dt值極大，如果保護(hù)不當(dāng)，也將直接擊穿晶閘管或者降低晶閘管的耐壓，使之逐步擊穿。
TSC可用在系統(tǒng)電壓比較穩(wěn)定的場(chǎng)合，亦可用在有變頻器等干擾設(shè)備的環(huán)境中。
4 靜止同步補(bǔ)償器( STATCOM)
靜止同步補(bǔ)償器亦叫靜止無功發(fā)生器( SVG)，近年來在地面高低壓系統(tǒng)中逐步成熟，發(fā)展比較迅速。STATCOM與TSC等技術(shù)相比具有更好的效果，首先它補(bǔ)償速度可以實(shí)現(xiàn)微秒級(jí)同步補(bǔ)償，適應(yīng)電壓范圍寬；其次它不以電容器為無功源，而是采用逆變的方式，可無級(jí)地輸出或輸入無功功率精準(zhǔn)補(bǔ)償功率；它采用的電抗和電容少，裝置的體積小容量大。STATCOM具有領(lǐng)先的性能，是無功補(bǔ)償裝置的發(fā)展方向。STATCOM主電路原理圖如圖3所示。
STATCOM雖然性能很好，但運(yùn)行中依然有些問題需要我們注意：
(1)干擾問題。它同變頻器一樣，采用的是IGBT逆變的方式輸出功率，IGBT的高頻開關(guān)必然帶來大量的電磁干擾。為了降低共模干擾和減少IGBT的發(fā)熱，STATCOM的載波頻率并不高，通常只有2 kHz～3 kHz，帶來的問題就是輸出波形不好，高次諧波成分高，需要配置高通濾波器來減少干擾。
(2)發(fā)熱問題。IGBT模塊的損耗包括導(dǎo)通損耗和開關(guān)損耗。損耗受載波頻率、電壓、電流、芯片等多種因素影響，較難準(zhǔn)確計(jì)算。目前1140 V的STATCOM采用的IGBT為1 600 V，是單只IGBT最高電壓，芯片對(duì)溫度要求非常高，散熱是IGBT正常工作重要原因之一。除了IGBT以外，3個(gè)直流電抗器、高通濾波、母線電容均發(fā)熱，箱體的散熱量也是要考慮的重要因素。
(3)工業(yè)穩(wěn)定性。雖然STATCOM在地面電網(wǎng)已基本實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定運(yùn)行，但井下的環(huán)境要惡劣得多，如電壓波動(dòng)大、經(jīng)常故障跳閘、空氣濕度大、人為因素等，都是對(duì)設(shè)備的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，而且最核心的軟件算法也需針對(duì)井下電網(wǎng)的特點(diǎn)進(jìn)行持續(xù)地優(yōu)化改進(jìn)，因此工業(yè)性試驗(yàn)還有很長(zhǎng)的路要走。
STATCOM可用在除了電網(wǎng)中有易受干擾的設(shè)備外的所有場(chǎng)合。
5 結(jié)束語
本文討論了幾種煤礦井下常用的無功功率補(bǔ)償設(shè)備的原理。分析了實(shí)際運(yùn)行中常出現(xiàn)問題的原因。煤礦機(jī)電管理人員應(yīng)根據(jù)電網(wǎng)的特點(diǎn)合理使用無功補(bǔ)償設(shè)備，可減少設(shè)備故障，提高設(shè)備利用效率。
6摘要：討論了無功功率補(bǔ)償裝置的常見故障類型，從原理上分析了故障產(chǎn)生的原因及其適用的運(yùn)行環(huán)境。
