摘要：分析了煤矿井下供电中功率因数低的特点，并针对矿井供电无功功率补偿的主要方式，提出和分析对井下采区用电设备进行单机就地补偿是最佳补偿方式。为保证矿井电网安全和经济运行，应积极推广使用矿用隔爆型干式电容器补偿装置。

　　论文关键词：矿井供电，无功补偿，功率因数，方式，分析，矿用隔爆型，补偿装置

　　
　　在矿井的供电电网中， 功率因数由负载的性质和工作状态决定。若将需要有功功率为P的负载接入系统，在功率因数为COSφ时，则其无功功率为

　　
　　Q=Ptgφ

　　
　　视在功率为

　　
　　S=P/COSφ=（P2+Q2）1/2

　　
　　由图A可见电动机空载时， 功率因数一般不超过0.2,接近额定负载时的功率因数较高，在负载为0.5以下时，功率因数下降显著，因此应采取一定的措施使电动机负载率尽可能保持在0.7以上。图B,一方面说明变压器的一次侧功率因数主要由变压器的二次侧负荷的功率因数来确定，另一方面变压器本身也消耗无功功率，负载过低时，功率因数也有明显下降，因此应尽可能保持变压器负荷率不低于0.5。

　　
　　补偿装置 图A 感应电动机在不同负载下的功率因 数的变化关系

　　
　　功率因数 图B 变压器一次侧功率因数随实际负载变化的关系

　　
　　目前矿井实际生产中，由于用电负荷变化较大，电动机和变压器往往不能工作在理想负荷条件下。多数矿井电网的自然功率因数都较低，尤其是采区的自然功率因数更是偏低，只有0.6～０。７左右，根据供电规则要求，必须进行无功功率补偿。

　　
　　２矿井供电无功功率补偿的方式及效益分析

　　
　　进行无功功率补偿，提高供电电网功率因数有多种方法，如装移相电容器、调相机、同步电动机、异步电动机同步化等，而煤矿供电电网普遍采用的是移相电容器补偿方式，因此本文拟仅就电容器补偿的最佳方式和效益进行分析探讨。

　　
　　２。１电容器无功功率补偿方式

　　
　　电容器的无功补偿方式有集中补偿、成组补偿和就地补偿３种方式。

　　
　　２。１。１集中补偿

　　
　　目前采用较多的方式是在矿井地面中央６ＫＶ变电所母线采用集中补偿的方式，这种方式补偿设备集中在井上中央６ＫＶ变电所，便于管理维修、保养方便。但是，这种补偿方式虽然能把矿井的功率因数提高到所需要的数值，却不能减少矿井电网中由于输送无功电流而产生的有功功率损失。

　　
　　２。１。２成组补偿

　　
　　是在矿井的一些大的用电单元附近装设补偿装置。例如：在远离矿井中央变电所的主扇风机，分散的井口提升设备或变电点等处安装电容器，以减少由地面中央变电所到这些设备之间线路上的电压降和有功损耗，这种补偿方式较集中补偿方式稍复杂些，但对减少电能损耗和保证远距离地面中央变电所的设备的电压质量方面，效果是明显的。

　　
　　２。１。３就地补偿

　　
　　该种补偿方式是在用电设备上，直接装电容器，通常与该设备共用一套控制设备，同时投入或退出运行，使设备无功功率得到补偿。

　　
　　目前，国内生产的隔爆型无功功率自动补偿装置，部分矿井已经使用，并取得较好的效果。

　　
　　2.2电容器的无功补偿

　　
　　为保证矿井电网安全、经济运行，需分析确定电容器无功补偿容量和绘制无功补偿的曲线。

　　
　　当供电系统的有功功率为P时，功率因数从COSφ1要补充到COSφ2，其补偿后的功率图如图C所示。无补偿时，供电网路的无功功率为Q1，补偿后的无功功率为Q2，由图C可知

　　
　　Q1=Ptgφ1；Q2=Ptgφ2

　　
　　方式 图C 补偿后的功率食量图

　　
　　所需电容器的无功补偿容量为

　　
　　QC=P（tgφ1- tgφ2） （1）

　　
　　又tgφ=[（COS2φ）-1]1/2，代入（1）式得：QC=P{[（COS2φ1）-1]1/2-[（COS2φ2）-1]1/2 （2）

　　
　　式（2）中反映了QC与COSφ1和COSφ2的函数关系，为进一步研究QC值随COSφ1和COSφ2的变化规律，确定矿井电网功率因数最佳补偿值，按式（2）绘制电容器的无功补偿曲线见图D。图中横坐标QC/P的含义是电网功率因数由COSφ1提高到COSφ2时，每1KW有功功率所需要的电容器容量。

　　
　　分析

　　
　　图D 电容器的无功补偿曲线图

　　
　　由电容器的无功功率补偿曲线变化可以看出：

　　
　　（1）当电网自然功率因数COSφ1一定时，有补偿功率因数COSφ2要求越高，电容器补偿容量就越大。例如：当COSφ1=0.6，COSφ2分别要求补偿到0.9、0.95、和1时，则1KW有功功率所需的补偿电容器容量分别为0.86kvar、1kvar和1.35kvar，在COSφ2增量相同条件下，补偿容量分别增加0.14kvar和0.35kvar。当无功补偿的功率因数COSφ2不大于0.95时，由于曲线的斜率大，无功补偿效果十分明显。当无功补偿的功率因数COSφ2大于0.95时，曲线的斜率变小，补偿功率因数上升速度减慢，补偿经济效果显著降低。实际上功率因数由0.95提高到1所需的补偿容量与0.83提高到0.95时大体相同，前者功率因数仅提高0.05，后者提高为0.12，因功率因数改善，使企业电费减少，后者比前者大得多。所以装设电容器的容量QC应根据具体情况而定，应从总的经济效益来考虑，前面从电容器的无功补偿曲线图D中分析来看，一般补偿后的功率因数在0.9～0.95之间比较合适。

　　
　　（2）无功补偿容量的大小与电网自然功率因数COSφ1的值有密切关系。当要求补偿功率因数COSφ2一定时，COSφ1值越小，所需的无功补偿容量越大。例如，当COSφ1=0.6，和COSφ1=0.7相比，同样补偿到COSφ2=0.95，其补偿容量为0.99kvar和0.71kvar，前者比后者的电容器补偿容量要增加39.43%。由此可见，在矿井供电设计和用电管理工作中，尽可能提高矿井电网的自然功率因数具有十分重要的意义。

　　
　　2.3在采区对用电设备进行无功功率就地补偿的优点

　　
　　2.3.1降低电能损耗

　　
　　由于采区供电电网平均功率因数偏低，一般在0.6~0.7之间，在电网中输送的无功功率为输送的有功功率的133%~102%。如果在采区对用电设备进行无功功率就地补偿，将用电设备加权平均功率因数提高到0.95，则电网输送的无功功率下降到有功功率的48%~39%，因而减少了电网中有功功率。进行供电电网无功功率补偿，提高功率因数后，视在功率减少，负载电流降低，相应降低电能损耗，同时提高终端电压。

　　
　　2.3.2 提高电气设备的利用率

　　
　　井下采区变电所变压器的容量计算如下：

　　
　　SB=KX∑P/ COSφ

　　
　　式中 SB—变压器的计算容量，KVA；

　　
　　KX—需用系数；

　　
　　∑P—由该变压器供电的所用电设备的额定功率之和，KW；

　　
　　COSφ—由该变压器供电的用电设备的加权平均功率因数。

　　
　　现假定由变压器供电的用电设备额定功率之和∑P和需用系数KX不变，在采区的用电设备的终端装设电容器进行无功功率补偿，补偿后如果加权平均功率因数由补偿前的0.65提高到0.95，对比两种加权平均功率因数（0.65、0.95）下的变压器计算容量为：

　　
　　Sφ/ Sφ1= （KX∑P/ COSφ）/（KX∑P

　　/ COSφ1）= COSφ1/ COSφ=0.95/0.65=1.46

　　
　　由上式计算可见，补偿前的变压器计算容量是补偿后变压器计算容量的1.46倍，即补偿后变压器的利用率提高了46%，这样可以使采区变电所的变压器容量减少，有时甚至可减少变压器的台数，充分发挥设备能力，经济效果是很明显的。

　　
　　2.3.3 减少线路电压损失，改善供电质量

　　
　　计算电网的电压损失的基本公式为：

　　
　　△U%=PHL/U2H（R0+X0tgφ）100%

　　
　　式中 △U%—电压损失百分数；

　　
　　PH—电网中输送的有功功率，KW；

　　
　　UH—电网的额定电压，KV；

　　
　　R0 、X0—线路单位长度的电阻和电抗，Ω/km；

　　
　　L—线路的长度，km；

　　
　　tgφ—与功率因数相对应的正切值。

　　
　　显然在上式中PH、UH、R0、X0、 L的值不变时功率因数越低，与功率因数相对应的正切值越大，线路中的电压损失也就会越大。由于采区功率因数偏低，供电距离较远，在采区对用电设备进行无功功率就地补偿对改善采区供电质量效果明显。由于感应电动机起动转矩与电压的平方成正比，所以电压降就小，起动转矩增大，尤其是采、掘、运设备起动频繁，更显示出在采区对用电设备进行无功功率就地补偿的作用。

　　
　　2.4 增大了供电线路的供电能力

　　
　　高压供电线路断面按照经济电流密度选择，用电压降来校验，低压供电线路断面按照允许电流和允许电压降进行选择。由于提高了功率因数，减少供电线路的无功电流和电压损失，使用电设备的端电压提高，相应供电线路的截面可减少，也就是说，在供电线路相同的情况下，扩大了供电能力。

　　
　　3推广使用就地补偿装置

　　
　　目前，国内生产的BBW系列矿用隔爆型干式电容器补偿装置，可与隔爆型电动机并联使用，同时开动与停止运行，投切方便；体积小，安装简单；隔爆性能优良，能够满足井下采掘工作面等恶劣环境；保护完善，安全可靠；智能化程度高，能够实现井下用电设备的无功功率自动跟踪补偿。值得应用推广。

　　参考文献

　　[1]邹有明。节电及电气化指标。矿山电工学。煤炭工业出版社，1990.

　　[2]顾永辉等编。煤矿电工手册。 煤炭工业出版社，1981.

　　[3] 辽宁煤矿设计研究院。煤矿技术。1977.