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關(guān)鍵詞：無功率補(bǔ)償裝置功率因數(shù)礦山企業(yè)

摘要：無功率補(bǔ)償裝置在礦山企業(yè)應(yīng)用非常廣泛，筆者首先分析了影響供配電系統(tǒng)的功率因數(shù)以及電網(wǎng)的無功補(bǔ)償方式，闡述了無功功率補(bǔ)償容量的確定以及礦山企業(yè)中無功功率補(bǔ)償設(shè)備的選用。

0引言

隨著采掘機(jī)械化的發(fā)展，礦山開采的產(chǎn)量大幅度提高，使得工作面電氣設(shè)備總?cè)萘俊螜C(jī)功率明顯加大，供電距離加長，用電設(shè)備自身無功功率損耗的存在造成井下電網(wǎng)功率因數(shù)較低。因此，在礦山開采供電系統(tǒng)中提高功率因數(shù)，補(bǔ)償無功功率以降低電能消耗是十分重要的，采用無功功率自動(dòng)補(bǔ)償裝置的目的，就是減少井下供配電系統(tǒng)的線路損耗和變壓器的有功損耗。提高供配電系統(tǒng)的功率因數(shù)，降低采礦的電力成本。

1影響功率因數(shù)的主要因素

1.1電感性設(shè)備和電力變壓器按負(fù)載性質(zhì)分，所有用電設(shè)備可以抽象為電阻性、電感性和電容性3種，正是由于電感性和電容性用電設(shè)備的存在，才使得功率因數(shù)發(fā)生變化。實(shí)際礦山企業(yè)中，電容性設(shè)備并不多見，大量的電感性設(shè)備，例如異步電動(dòng)機(jī)、感應(yīng)電爐、交流電焊機(jī)等設(shè)備是無功功率的主要消耗者。據(jù)統(tǒng)計(jì)，在工礦企業(yè)所消耗的全部無功功率中，異步電動(dòng)機(jī)的無功消耗占了60％～70％。而異步電動(dòng)機(jī)空載運(yùn)行時(shí)所消耗的無功功率又占到電動(dòng)機(jī)總無功消耗的60％～70％。因此，要改善異步電動(dòng)機(jī)的功率因數(shù)就要盡量防止電動(dòng)機(jī)的空載運(yùn)行并盡可能提高負(fù)載率。一般而言，電力變壓器消耗的無功功率約為其額定容量的10％～15％，它的空載無功功率約為滿載時(shí)的35％左右。所以，為了改善電力系統(tǒng)和企業(yè)的功率因數(shù)，變壓器同樣不應(yīng)空載運(yùn)行或長期處于低負(fù)載率運(yùn)行狀態(tài)。

1.2供電電壓的影響當(dāng)供電電壓高于額定值的10％時(shí)，由于磁路飽和的影響，無功功率將增長很快，據(jù)分析統(tǒng)計(jì)，供電電壓為額定值的110％時(shí)，無功功率將增加35％左右。而供電電壓低于額定值時(shí)，無功功率反而相喧減少而使功率因數(shù)有所提高。當(dāng)然，電壓降低會(huì)影響電氣設(shè)備的正常工作，所以，應(yīng)采取措施使電力系統(tǒng)的供電電壓盡可能保持穩(wěn)定。

1.3電網(wǎng)頻率波動(dòng)的影響電網(wǎng)頻率的波動(dòng)也會(huì)影響異步電動(dòng)機(jī)和電力變壓器的正常工作狀態(tài)，從而改變無功功率的大小，影響電力系統(tǒng)的功率因數(shù)。一般說來，當(dāng)系統(tǒng)頻率下降時(shí)，發(fā)電機(jī)發(fā)出的無功功率將會(huì)減少，變壓器和異步電動(dòng)機(jī)所需的無功功率將會(huì)增加，整個(gè)系統(tǒng)的無功功率將會(huì)略有增加。但頻率穩(wěn)定和調(diào)整措施主要在發(fā)電廠內(nèi)部進(jìn)行，與一般礦山企業(yè)關(guān)系不大。

2電網(wǎng)的無功補(bǔ)償

2.1集中補(bǔ)償集中補(bǔ)償分為高壓集中補(bǔ)償和低壓集中補(bǔ)償兩種方式。高壓集中補(bǔ)償是將電容器組裝沒在工廠變配電所的6～10kV母線上，這種補(bǔ)償方式只能補(bǔ)償6～10kV母線以前線路的無功功率，而母線后廠內(nèi)線路的無功功率得不到補(bǔ)償，所以補(bǔ)償效果較差，優(yōu)點(diǎn)是投資少、便于集中運(yùn)行維護(hù)，這種補(bǔ)償方式在大中型企業(yè)應(yīng)用較為普遍。

2.2隨機(jī)補(bǔ)償隨機(jī)補(bǔ)償就是根據(jù)個(gè)別用電設(shè)備對(duì)無功的需要量將單臺(tái)或多臺(tái)低壓電容器組分散的與用電設(shè)備并接，它與用電設(shè)備共用一套斷路器。通過控制裝置與電動(dòng)機(jī)同時(shí)投切。隨機(jī)補(bǔ)償適用于補(bǔ)償個(gè)別容量大且連續(xù)運(yùn)行的異步電動(dòng)機(jī)，其優(yōu)點(diǎn)是用電設(shè)備運(yùn)行時(shí)無功補(bǔ)償投入，用電設(shè)備停運(yùn)時(shí)，補(bǔ)償設(shè)備也退出，不會(huì)造成無功倒送，而且不需要頻繁調(diào)整補(bǔ)償容量。具有投資少、占位小、安裝容易、配置方便靈活、使用維護(hù)方便、事故率低等優(yōu)點(diǎn)。

2.3隨器補(bǔ)償隨器補(bǔ)償是指將低壓電容器通過開關(guān)接在變壓器二次側(cè)，以補(bǔ)償變壓器空載運(yùn)行時(shí)無功功率的補(bǔ)償方式。變壓器空載或輕載運(yùn)行時(shí)，由于勵(lì)磁引起的無功損耗所占比重很大，此種方式的優(yōu)點(diǎn)是能有效地補(bǔ)償變壓器的無功損耗，且接線簡單，維護(hù)管理方便，在小型礦山企業(yè)應(yīng)用較多。

3無功功率補(bǔ)償容量的確定

3.1集中補(bǔ)償容量的計(jì)算用戶功率因數(shù)低的原因主要是電感性負(fù)荷過大所致，因此需要并聯(lián)電容器或同步補(bǔ)償機(jī)進(jìn)行補(bǔ)償。設(shè)某礦山企業(yè)負(fù)荷情況為有功功率Py、無功功率Pw1、視在功率Ps1、功率因數(shù)為cosφ1，現(xiàn)要求在有功功率Py不變的條件下，將功率因數(shù)由cosφ1提高到cosφ2，功率因數(shù)提高后，負(fù)荷情況變?yōu)椋河泄β蔖y、無功功率Pw2、視在功率PR2最大負(fù)荷時(shí)，系統(tǒng)需要的無功補(bǔ)償容量Pb按式(1)計(jì)算：

Pb=Pwl-Pw2=Py(tanφ1-tanφ2)(1)

式中：Py為有功功率(kW)；Pb為無功補(bǔ)償容量(kvar)。

3.2單負(fù)荷就地補(bǔ)償容量的選擇據(jù)國外相關(guān)資料介紹，如果考慮異步電動(dòng)機(jī)的負(fù)荷率、極對(duì)數(shù)等因素的影響，補(bǔ)償容量可估算如下：設(shè)異步電動(dòng)機(jī)額定容量為Pe則補(bǔ)償容量取Pb=(1/4～1/2)P，為宜。按此選取補(bǔ)償容量，一般不會(huì)出現(xiàn)過補(bǔ)償，而且功率因數(shù)可以補(bǔ)償?shù)?.90以上，特別是對(duì)于空載電流較大和負(fù)載率較低的電動(dòng)機(jī)效果更佳，因而在節(jié)能技術(shù)上應(yīng)用較為廣泛。對(duì)于空載電流較小和負(fù)載率較高的電動(dòng)機(jī)，可根據(jù)電動(dòng)機(jī)極數(shù)不同，選取不同的補(bǔ)償容量，一般而言，極數(shù)越多，需要的補(bǔ)償容量越大，亦可按式(2)計(jì)算：

Pb≤UeIO×10-3(2)

式中：Pb為無功補(bǔ)償容量(kvar)；Ue為電動(dòng)機(jī)額定電壓(V)；IO為電動(dòng)機(jī)空載電流(A)。

4礦山企業(yè)中無功功率補(bǔ)償設(shè)備的選用

由前面無功功率和電壓的關(guān)系可以看出系統(tǒng)中選擇無功功率補(bǔ)償設(shè)備最終調(diào)整的是系統(tǒng)電壓，合理地配置系統(tǒng)的無功功率可以將系統(tǒng)的電壓偏移控制在要求的范圍內(nèi)。

4.1發(fā)電機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)是唯一的有功功率電源，是最基本的無功功率電源。發(fā)電機(jī)在額定狀態(tài)下運(yùn)行時(shí)，可發(fā)出無功功率。

QGN=SGNsimφN=PGNtanφN

式中SGN、PGN、φGN分別為發(fā)電機(jī)的額定視在功率，額定有功功率和額定功率因數(shù)。發(fā)電機(jī)不但可向系統(tǒng)提供一定的無功功率，在進(jìn)相運(yùn)行時(shí)有可能吸收系統(tǒng)一定的過剩無功功率。但發(fā)電機(jī)進(jìn)相運(yùn)行時(shí)，定子端部漏磁增加，定子端部溫升會(huì)限制發(fā)電機(jī)的功率輸出，不同類型、結(jié)構(gòu)、容量和冷卻方式的發(fā)電機(jī)要根據(jù)現(xiàn)場試驗(yàn)來確定進(jìn)相運(yùn)行的容許范圍。此外在并列運(yùn)行的發(fā)電廠中調(diào)整個(gè)別發(fā)電機(jī)的無功出力，這還可能同無功功率的經(jīng)濟(jì)分配相矛盾。所以大型系統(tǒng)中發(fā)電機(jī)一般只作輔助調(diào)壓措施。

4.2同步調(diào)相機(jī)它相當(dāng)于空載運(yùn)行的同步電動(dòng)機(jī)。在過勵(lì)磁狀態(tài)下向系統(tǒng)供給感性功率，欠勵(lì)磁狀態(tài)吸收系統(tǒng)感性功率，但在欠勵(lì)磁狀態(tài)時(shí)的容量只有過勵(lì)磁容量的50％～65％，它的有功功率損耗較大，在滿負(fù)荷時(shí)約為額定容量的1.5％～5％，容量越小百分值越大。小容量投資費(fèi)用較大，另外其為旋轉(zhuǎn)設(shè)備不易維護(hù)。

4.3并聯(lián)電容器并聯(lián)電容器供給的無功功率Qc與所在節(jié)點(diǎn)電壓U的平方成正比，即

QC=U2/Xc

式中，XC=1/ωC為并聯(lián)電容器的容抗。因節(jié)點(diǎn)電壓下降時(shí)，它供給系統(tǒng)的無功功率將減少。因此當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生故障或其它原因電壓下降時(shí)，電容器無功輸出的減少將導(dǎo)致電壓繼續(xù)下降。換言之，電容器的無功功率調(diào)節(jié)性能比較差。但他的投資費(fèi)用小，運(yùn)行時(shí)功率損耗亦小，約為額定容量的0.02％以下。另外它無旋轉(zhuǎn)部分維護(hù)方便又可集中或分散裝設(shè)，還可連結(jié)成若干組，配以功率因數(shù)測量控制裝置，實(shí)現(xiàn)分組投入或切除，可進(jìn)行無功功率的不連續(xù)調(diào)節(jié)。

4.4靜止無功補(bǔ)償器和靜止無功發(fā)生器這些補(bǔ)償設(shè)備是近年發(fā)展起來的性能優(yōu)異的無功功率靜止補(bǔ)償設(shè)備，前者與電抗串聯(lián)作成不同的組數(shù)，對(duì)消除系統(tǒng)中一定頻率的諧波分量有很好的作用。后者配以先進(jìn)的控制元件后，可控制發(fā)生器運(yùn)行在容性負(fù)荷、感性負(fù)荷或零負(fù)荷狀態(tài)，另外它與補(bǔ)償器相比響應(yīng)速度更快，運(yùn)行范圍更寬，更重要的是在電壓較低時(shí)仍可向系統(tǒng)注入較大無功電流。但二者的投資費(fèi)用較高。

對(duì)于礦山企業(yè)配電系統(tǒng)中計(jì)算好無功補(bǔ)償容量后，從滿足無功補(bǔ)償要求和設(shè)備投入費(fèi)用角度考慮，一般選用電容器組來作為系統(tǒng)的無功功率補(bǔ)償設(shè)備。這樣不同容量的補(bǔ)償設(shè)備有很多廠家可供貨，選型也方便。