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摘要：结合煤矿井下电网的现状，对各种无功补偿方案进行了比较，在瞬时无功功率理论基础上，提出了一种基于晶闸管控制电抗器补偿方案。该电路结构简单，动态响应速度快，可提高整个井下电网的功率因数。
关键词：煤矿井下；无功功率；检测与补偿
Abstract: combining the current situation of the coal mine underground power grid, to all sorts of reactive compensation schemes are compared, in the instantaneous reactive power theory basis, put forward based on the thyristor controlled reactor compensation scheme. The circuit structure is simple, fast dynamic response, can improve the whole underground power grid power factor.
Keywords: coal mine underground; Reactive power; Detection and compensation
中图分类号 TM714.3 文献标识码 A 文章编号2011-03（03）1821
在煤矿用电负荷中,提升机、皮带运输机等频繁启动的大功率冲击负荷,会对煤矿电网造成无功冲击,而这些大功率冲击负荷必须要提供无功功率。因此,如何解决好无功补偿问题对煤矿具有极为重要的意义。目前，一般煤礦电网的无功补偿是在地面上中央变电站母线上装设电容器组进行集中补偿,其主要缺点是只能补偿10kV母线前供电线路上的无功功率，母线后的井下电网并没有得到补偿；并且这种补偿方式只能输出固定无功功率，对于煤矿大量短时循环工作制的负载，会出现过补偿或欠补偿。
煤矿大功率、冲击性负荷必须就地补偿无功功率，随着电力电子技术的发展及其在电力系统中的应用，交流无触点开关SCR、GTR、GTO等的出现，将其作为投切开关，速度可以提高到10us以下，对任何系统参数，无功补偿都可以在一个周波内完成，而且可以进行单相调节[2,3]。本文采用晶闸管控制电抗器(TCR)进行动态无功补偿，它可根据负载无功的变化进行动态补偿，使电网始终处于最佳状态。
1 无功功率对煤矿井下电网的影响
煤矿井下电网的安全稳定运行，与无功功率调节是分不开的。无功功率的增加，会导致电流增大，因而使设备及线路的损耗增加，使线路及变压器的电压降增大，如果是冲击性无功功率负载，还会使电压产生剧烈波动，导致供电质量严重降低。电压是衡量电能质量的一个重要指标。当电压过高时，会对负荷的运行带来不良影响，有时会引起电力系统电压崩溃；电压降低时，会使电网中的有功功率损耗和能量损耗增加，危及电力系统稳定性。以煤矿中大量应用的异步电动机为例，其功率因数随电压变化而变化，电压下降时，由于异步电动机转矩与电压的平方成正比，电压下降越大，电动机的转差率越大，定子和转子的电流就越大，电动机温度上升的也越快，严重时可烧坏电动机；电压升高时，电动机铁芯中的磁通密度增大，逐渐趋于饱和，从而导致激磁电流与铁芯损耗大大增加，使设备过热，效率下降，电气设备加速老化和损坏。从以上分析可以看出，电压偏移对电网和电力设备的影响非常大，维持电压在合理的范围内，关系到煤矿井下各种供电设备的安全运行。
2 各种无功补偿方式
2.1同步调相机
同步调相机是空载运行的同步电机，它装有自励装置，能在欠励或过励的情况下吸收或发出无功功率，主要优点是能根据电压大小平滑地调节输入和输出无功功率；其主要缺点是投资大、有功损耗大、运行维护复杂、响应速度慢、只能固定安装在中心变电站，应用有较大的局限，现已逐渐退出运行。
2.2并联电容器
并联电容器是用得最多的一种无功功率补偿设备，它应用范围广，既可以集中安装在中心变电站，也可以分散安装在电力负荷处；可根据所需无功的多少，自动切投电容，是一种性能优越的无功补偿方法。但是电容器的投切是有限的，它不能动态跟踪系统所需无功功率的变化，易出现过补偿或欠补偿现象。
2.3并联电抗器
为了防止线路轻负荷运行时，线路电压升高，一般装设并联电抗器吸收线路的无功功率，同时，并联电抗器也可用来限制由于突然减负荷或接地故障引起的过电压，保护设备的绝缘安全。
2.4静止补偿器
调相机、电容器、电抗器是对电力系统静态无功功率的补偿，静止补偿器主要用于动态无功功率的补偿，它最大特点是调节快速。静止补偿器实际上是将可控电抗器与电容器并联使用，电容器发出无功功率，电抗器吸收无功功率，其控制系统由可控电子器件实现，响应速度快，主要用于动态冲击负荷的补偿，迅速改变所输出无功功率的性质，保持电压恒定。
3 瞬时无功功率的检测
瞬时无功功率理论亦称p-q理论，是以电压和电流在α-β坐标系下进行坐标变换为基础，建立瞬时有功功率p和无功功率q。
设三相电压和电流的瞬时值分别为νa，νb、νc和ia、ib、ic。把它们转换到α-β两相正交的坐标系下，可得两相瞬时电压να、νβ、和两相瞬时电流iα、iβ，矢量图如图l所示，其转换公式如下：
式中
由矢量图l可知，在α-β坐标系下，να、νβ和iα、iβ又可由矢量V和I表示：
ν=να+νβ=V∠φe
i=iα+iβ=I∠φi
式中V、I分别是ν、i的模，φe和巾φi分别为电压电流的幅角。
图1α-β正交坐标系
由有功功率和无功功率的定义可知，有功功率p和无功功率q如下式表示：
p=νicosφ
q=νisinφ(4)
式中φ=φe-φi。
把(3)代入(4)可得：
式中
基于瞬时无功功率理论的无功电流检测原理图如图2所示，它可根据瞬时无功功率定义计算出瞬时有功功率p和无功功率q。
图2瞬时无功功率检测图
4动态无功补偿装置原理
对煤矿大功率、冲击性负荷，必须就地补偿无功功率，就地无功补偿的优点是能够针对负荷的运行情况进行无功补偿，减小了井上变电站向大功率、冲击性负荷输送的无功功
率，同时也能够减少冲击性负荷向矿井电网中注入的谐波。本文采用TCR动态无功补偿装置，TCR的单相原理图如图3所示，它能根据冲击性负荷的工作特点随时调整所补偿的无功功率。
图3 TCR补偿器结构图
图3中，两个反并联的晶闸管与一个电抗器相串联，分别作单相交流半波开关运行，其三相多接成三角形，这样的电路并入到电网中相当于交流调压器电路接电感性负载。晶闸管
T1在电压的正半波导通，而晶闸管T2在供电电压的负半波导通，晶闸管的触发角以其两端之间电压的过零时刻作为计算的起点，触发角α的可控范围是90°~180°。当触发角从90°变到接近180°时，TCR中的电流呈非连续脉冲形，对称分布于正半波和负半波。当触发角为180°时，电流减少到零，此时电抗器吸收的无功电流最大。当触发角低于90°时，将在电流中引入直流分量，从而破坏两个反并联阀支路的对称运行。通过控制晶闸管的触发延迟角，可以连续调节流过电抗器的电流，相当于改变电抗器的等效电抗器。所以通过调整触发角的大小就可以改变补偿器所吸收的无功分量，达到调整无功功率的效果，电压电流特性如图4所示。
图4 TCR电压电流特性
5结论
通过对各种无功补偿的优缺点阐述，详细描述了煤矿电网中冲击性负荷进行动态就地补偿的原因，叙述了瞬时无功功率检测的基本原理，提出了对冲击负荷进行动态就地补偿的想法，该技术的应用可对煤矿电网的良好运行起到很大作用。
参考文献
[1]王崇林,邹有明.供电技术[M]．北京:煤炭工业出版社,1997
[2]许业清等.实用无功功率补偿技术[M]．北京:中国科学技术出版社,1998
[3]苑舜,韩水.配电网无功优化及无功补偿装置[M]. 北京:中国电力出版社,2003
[4]王兆安,杨军，刘进军.谐波抑制和无功功率补偿[M]. 北京:机械工业出版社,1998
[5]靳龙章,丁毓山．电网无功补偿实用技术[M]. 北京:中国水利水电出版社,1997
史学辉（1977—），男，助理工程师。先后毕业于贵阳煤炭工业学校及贵州大学矿山机电专业，现任贵州新建业工程有限责任公司安装公司技术主管，长期从事矿山机电安装工程施工技术及造价管理工作。
注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。
关键词：煤矿井下；无功功率；检测与补偿
Abstract: combining the current situation of the coal mine underground power grid, to all sorts of reactive compensation schemes are compared, in the instantaneous reactive power theory basis, put forward based on the thyristor controlled reactor compensation scheme. The circuit structure is simple, fast dynamic response, can improve the whole underground power grid power factor.
Keywords: coal mine underground; Reactive power; Detection and compensation
中图分类号 TM714.3 文献标识码 A 文章编号2011-03（03）1821
在煤矿用电负荷中,提升机、皮带运输机等频繁启动的大功率冲击负荷,会对煤矿电网造成无功冲击,而这些大功率冲击负荷必须要提供无功功率。因此,如何解决好无功补偿问题对煤矿具有极为重要的意义。目前，一般煤礦电网的无功补偿是在地面上中央变电站母线上装设电容器组进行集中补偿,其主要缺点是只能补偿10kV母线前供电线路上的无功功率，母线后的井下电网并没有得到补偿；并且这种补偿方式只能输出固定无功功率，对于煤矿大量短时循环工作制的负载，会出现过补偿或欠补偿。
煤矿大功率、冲击性负荷必须就地补偿无功功率，随着电力电子技术的发展及其在电力系统中的应用，交流无触点开关SCR、GTR、GTO等的出现，将其作为投切开关，速度可以提高到10us以下，对任何系统参数，无功补偿都可以在一个周波内完成，而且可以进行单相调节[2,3]。本文采用晶闸管控制电抗器(TCR)进行动态无功补偿，它可根据负载无功的变化进行动态补偿，使电网始终处于最佳状态。
1 无功功率对煤矿井下电网的影响
煤矿井下电网的安全稳定运行，与无功功率调节是分不开的。无功功率的增加，会导致电流增大，因而使设备及线路的损耗增加，使线路及变压器的电压降增大，如果是冲击性无功功率负载，还会使电压产生剧烈波动，导致供电质量严重降低。电压是衡量电能质量的一个重要指标。当电压过高时，会对负荷的运行带来不良影响，有时会引起电力系统电压崩溃；电压降低时，会使电网中的有功功率损耗和能量损耗增加，危及电力系统稳定性。以煤矿中大量应用的异步电动机为例，其功率因数随电压变化而变化，电压下降时，由于异步电动机转矩与电压的平方成正比，电压下降越大，电动机的转差率越大，定子和转子的电流就越大，电动机温度上升的也越快，严重时可烧坏电动机；电压升高时，电动机铁芯中的磁通密度增大，逐渐趋于饱和，从而导致激磁电流与铁芯损耗大大增加，使设备过热，效率下降，电气设备加速老化和损坏。从以上分析可以看出，电压偏移对电网和电力设备的影响非常大，维持电压在合理的范围内，关系到煤矿井下各种供电设备的安全运行。
2 各种无功补偿方式
2.1同步调相机
同步调相机是空载运行的同步电机，它装有自励装置，能在欠励或过励的情况下吸收或发出无功功率，主要优点是能根据电压大小平滑地调节输入和输出无功功率；其主要缺点是投资大、有功损耗大、运行维护复杂、响应速度慢、只能固定安装在中心变电站，应用有较大的局限，现已逐渐退出运行。
2.2并联电容器
并联电容器是用得最多的一种无功功率补偿设备，它应用范围广，既可以集中安装在中心变电站，也可以分散安装在电力负荷处；可根据所需无功的多少，自动切投电容，是一种性能优越的无功补偿方法。但是电容器的投切是有限的，它不能动态跟踪系统所需无功功率的变化，易出现过补偿或欠补偿现象。
2.3并联电抗器
为了防止线路轻负荷运行时，线路电压升高，一般装设并联电抗器吸收线路的无功功率，同时，并联电抗器也可用来限制由于突然减负荷或接地故障引起的过电压，保护设备的绝缘安全。
2.4静止补偿器
调相机、电容器、电抗器是对电力系统静态无功功率的补偿，静止补偿器主要用于动态无功功率的补偿，它最大特点是调节快速。静止补偿器实际上是将可控电抗器与电容器并联使用，电容器发出无功功率，电抗器吸收无功功率，其控制系统由可控电子器件实现，响应速度快，主要用于动态冲击负荷的补偿，迅速改变所输出无功功率的性质，保持电压恒定。
3 瞬时无功功率的检测
瞬时无功功率理论亦称p-q理论，是以电压和电流在α-β坐标系下进行坐标变换为基础，建立瞬时有功功率p和无功功率q。
设三相电压和电流的瞬时值分别为νa，νb、νc和ia、ib、ic。把它们转换到α-β两相正交的坐标系下，可得两相瞬时电压να、νβ、和两相瞬时电流iα、iβ，矢量图如图l所示，其转换公式如下：
式中
由矢量图l可知，在α-β坐标系下，να、νβ和iα、iβ又可由矢量V和I表示：
ν=να+νβ=V∠φe
i=iα+iβ=I∠φi
式中V、I分别是ν、i的模，φe和巾φi分别为电压电流的幅角。
图1α-β正交坐标系
由有功功率和无功功率的定义可知，有功功率p和无功功率q如下式表示：
p=νicosφ
q=νisinφ(4)
式中φ=φe-φi。
把(3)代入(4)可得：
式中
基于瞬时无功功率理论的无功电流检测原理图如图2所示，它可根据瞬时无功功率定义计算出瞬时有功功率p和无功功率q。
图2瞬时无功功率检测图
4动态无功补偿装置原理
对煤矿大功率、冲击性负荷，必须就地补偿无功功率，就地无功补偿的优点是能够针对负荷的运行情况进行无功补偿，减小了井上变电站向大功率、冲击性负荷输送的无功功
率，同时也能够减少冲击性负荷向矿井电网中注入的谐波。本文采用TCR动态无功补偿装置，TCR的单相原理图如图3所示，它能根据冲击性负荷的工作特点随时调整所补偿的无功功率。
图3 TCR补偿器结构图
图3中，两个反并联的晶闸管与一个电抗器相串联，分别作单相交流半波开关运行，其三相多接成三角形，这样的电路并入到电网中相当于交流调压器电路接电感性负载。晶闸管
T1在电压的正半波导通，而晶闸管T2在供电电压的负半波导通，晶闸管的触发角以其两端之间电压的过零时刻作为计算的起点，触发角α的可控范围是90°~180°。当触发角从90°变到接近180°时，TCR中的电流呈非连续脉冲形，对称分布于正半波和负半波。当触发角为180°时，电流减少到零，此时电抗器吸收的无功电流最大。当触发角低于90°时，将在电流中引入直流分量，从而破坏两个反并联阀支路的对称运行。通过控制晶闸管的触发延迟角，可以连续调节流过电抗器的电流，相当于改变电抗器的等效电抗器。所以通过调整触发角的大小就可以改变补偿器所吸收的无功分量，达到调整无功功率的效果，电压电流特性如图4所示。
图4 TCR电压电流特性
5结论
通过对各种无功补偿的优缺点阐述，详细描述了煤矿电网中冲击性负荷进行动态就地补偿的原因，叙述了瞬时无功功率检测的基本原理，提出了对冲击负荷进行动态就地补偿的想法，该技术的应用可对煤矿电网的良好运行起到很大作用。
参考文献
[1]王崇林,邹有明.供电技术[M]．北京:煤炭工业出版社,1997
[2]许业清等.实用无功功率补偿技术[M]．北京:中国科学技术出版社,1998
[3]苑舜,韩水.配电网无功优化及无功补偿装置[M]. 北京:中国电力出版社,2003
[4]王兆安,杨军，刘进军.谐波抑制和无功功率补偿[M]. 北京:机械工业出版社,1998
[5]靳龙章,丁毓山．电网无功补偿实用技术[M]. 北京:中国水利水电出版社,1997
史学辉（1977—），男，助理工程师。先后毕业于贵阳煤炭工业学校及贵州大学矿山机电专业，现任贵州新建业工程有限责任公司安装公司技术主管，长期从事矿山机电安装工程施工技术及造价管理工作。
注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。