煤礦電力系統(tǒng)電壓無功補(bǔ)償自動(dòng)調(diào)節(jié)研究

國能新疆寬溝礦業(yè)有限責(zé)任公司 齊喜峰

在進(jìn)行煤礦礦井作業(yè)的過程中往往會(huì)面臨比較復(fù)雜的工作環(huán)境，進(jìn)而也使得煤礦礦井電力系統(tǒng)的整體布局也會(huì)相對復(fù)雜。結(jié)合其實(shí)際運(yùn)行情況來看，煤礦礦井電力系統(tǒng)往往會(huì)存在線路過長及損耗較大等問題，對于最終的運(yùn)行成效也會(huì)造成一定的影響。經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平的提升帶動(dòng)煤礦開采整體行業(yè)朝向機(jī)械化與自動(dòng)化方向發(fā)展。在這樣的情況下，不僅煤礦資源的開采數(shù)量會(huì)顯著提升，涉及到的電氣設(shè)備數(shù)量也在持續(xù)增加。然而隨著煤礦開采力度的加大，為滿足其供電需求電力系統(tǒng)的線路就需不斷延長，加上較遠(yuǎn)的供電距離，往往會(huì)在一定程度上導(dǎo)致了礦井電力系統(tǒng)穩(wěn)定性降低、能源消耗變大等問題，同時(shí)對于煤礦開采的效率與安全性也會(huì)產(chǎn)生一定影響[1]。

對于這樣的問題，無功功率補(bǔ)償技術(shù)逐步被應(yīng)用于煤礦電力系統(tǒng)當(dāng)中，通過相關(guān)技術(shù)來實(shí)現(xiàn)對電能損耗與電壓損耗的優(yōu)化，并起到提升電力系統(tǒng)運(yùn)行質(zhì)量、改善煤礦資源開采環(huán)境、減少煤礦開采成本投入的作用，有效為煤礦開采過程中電力系統(tǒng)運(yùn)行存在的問題提供相應(yīng)的解決措施。現(xiàn)階段，無功補(bǔ)償技術(shù)在煤礦電力系統(tǒng)中已得到十分廣泛的應(yīng)用，不僅顯著降低了電力能源損耗、同時(shí)還大大提升了電力系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性，為煤炭開采工作的可持續(xù)推進(jìn)提供保障[2]。

1 無功補(bǔ)償自動(dòng)調(diào)節(jié)技術(shù)運(yùn)行分析

1.1 技術(shù)原理

將無功補(bǔ)償技術(shù)引入到煤礦變電力系統(tǒng)當(dāng)中可顯著提升其運(yùn)行穩(wěn)定性，同時(shí)對于抑制諧波影響及提高設(shè)備功率也有著十分突出的作用[3]。就電容器無功輸出的調(diào)節(jié)來說，其運(yùn)行原理是通過調(diào)節(jié)電容器端電壓來實(shí)現(xiàn)對無功輸出功率的調(diào)節(jié)，因此需將電壓調(diào)節(jié)裝置安裝到電力系統(tǒng)當(dāng)中。現(xiàn)階段，煤礦電力系統(tǒng)中最常見的是由非線性電子組件構(gòu)成的智能化設(shè)備，但此類設(shè)備在運(yùn)行的時(shí)候常會(huì)引發(fā)諧波問題，造成供電質(zhì)量的降低。而在煤礦電力系統(tǒng)開啟無功補(bǔ)償?shù)臅r(shí)候，諧波還會(huì)造成電壓波動(dòng)，以及對變壓器、變頻器等組件帶來損壞，限制了井下作業(yè)的開展[4]。

相較于以往的無功補(bǔ)償方法，自動(dòng)調(diào)節(jié)技術(shù)體現(xiàn)出更加突出的優(yōu)勢，其優(yōu)勢核心在于可實(shí)現(xiàn)對電壓調(diào)節(jié)裝置的自動(dòng)化、智能化控制，從而有效滿足電力系統(tǒng)運(yùn)行過程中無功補(bǔ)償需求的變化，促進(jìn)其運(yùn)行效率的提升。該裝置的設(shè)計(jì)與運(yùn)行主要是基于電壓實(shí)時(shí)分級調(diào)節(jié)來實(shí)現(xiàn)電容器端電壓的變化，其應(yīng)用優(yōu)勢主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面：

第一，由此電容器采取的是固定接入形式，因此在運(yùn)行過程中并不會(huì)產(chǎn)生放電，也不需要調(diào)整延時(shí)。也正因如此，電容器端電壓的調(diào)節(jié)可被控制在一個(gè)較小的范圍內(nèi)，為無功補(bǔ)償精細(xì)化控制的實(shí)現(xiàn)提供條件；第二，這種無功補(bǔ)償功率的調(diào)節(jié)技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用的過程中并不會(huì)產(chǎn)生電壓，因此也避免了對其他電子元器件造成不良影響，有效延長電力系統(tǒng)的使用壽命。無功補(bǔ)償自動(dòng)調(diào)節(jié)中存在的沖擊涌流等問題會(huì)對最終的運(yùn)行效果產(chǎn)生一定影響，但隨著技術(shù)升級與更加先進(jìn)電氣元器件的應(yīng)用，也為相關(guān)問題提供了解決方案，不僅可帶動(dòng)投切速度的提高，還可進(jìn)一步提升無功補(bǔ)償自動(dòng)調(diào)節(jié)技術(shù)的安全可靠性。

1.2 技術(shù)組成與原則

在電力無功補(bǔ)償自動(dòng)調(diào)節(jié)技術(shù)實(shí)際運(yùn)行的過程中，其核心在于對系統(tǒng)的控制，同時(shí)還可以進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)對PT、PC輸入供電系統(tǒng)電壓及電流的有效控制。其中主要的控制流程包括計(jì)算功率因數(shù)、檢驗(yàn)編程設(shè)置及調(diào)整整體參數(shù)。在實(shí)際進(jìn)行調(diào)節(jié)的時(shí)往往需實(shí)現(xiàn)對功率因數(shù)和系統(tǒng)電壓的同步調(diào)節(jié)，這主要是因二者間存在十分緊密的聯(lián)系，因此如只完成對單一參數(shù)的調(diào)節(jié)往往難以起到預(yù)想的效果。通常情況下會(huì)將功率因數(shù)和系統(tǒng)電壓的調(diào)節(jié)區(qū)域分為九個(gè)子區(qū)域，而中間的區(qū)域則為整個(gè)系統(tǒng)的正常工作區(qū)域。與此同時(shí)，對于系統(tǒng)運(yùn)行的設(shè)置也可在此基礎(chǔ)上進(jìn)行。

如，當(dāng)電力系統(tǒng)系統(tǒng)電壓和功率因數(shù)均處于低于下限的區(qū)域時(shí)，就應(yīng)對其進(jìn)行調(diào)節(jié)，以實(shí)現(xiàn)無功輸出的增加，同時(shí)還可進(jìn)一步促進(jìn)系統(tǒng)電壓的提升。調(diào)節(jié)過程還會(huì)引發(fā)系統(tǒng)狀態(tài)變化，從而實(shí)現(xiàn)無功補(bǔ)償自動(dòng)調(diào)節(jié)技術(shù)的應(yīng)用落實(shí)。

2 無功補(bǔ)償技術(shù)在煤礦電力系統(tǒng)中的具體應(yīng)用

2.1 無功補(bǔ)償方式的選擇

結(jié)合無功補(bǔ)償技術(shù)在電力系統(tǒng)中的實(shí)際應(yīng)用情況看，當(dāng)前常見的補(bǔ)償方式主要可分為隨線補(bǔ)償及低壓補(bǔ)償。其中隨線補(bǔ)償?shù)膽?yīng)用原理是在高壓配電路線上安裝并聯(lián)電容器裝置，并對配電路線內(nèi)的無功功率加以補(bǔ)償。通過這樣的形式，不僅可實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)功率因數(shù)的提升，同時(shí)還可有效電壓方面的損耗。隨線補(bǔ)償主要適用于功率因數(shù)不高且負(fù)載較小的長配型單路線，進(jìn)而也有助于發(fā)揮其應(yīng)用價(jià)值。這種補(bǔ)償方式的優(yōu)勢在于可有效控制投資成本，在短時(shí)間內(nèi)就可顯現(xiàn)出較為突出的應(yīng)用效果，加上補(bǔ)償率較高，因此得到了一定認(rèn)可。隨線補(bǔ)償在應(yīng)用過程中保護(hù)設(shè)備配置的難度較大，相關(guān)技術(shù)人員需要投入更多精力到其維護(hù)和管理當(dāng)中，加上其運(yùn)行效果還容易受到外界環(huán)境因素的影響，因此在配網(wǎng)中的實(shí)際應(yīng)用較少。

低壓補(bǔ)償又可分為低壓型集中式補(bǔ)償及低壓型分散式補(bǔ)償。就其實(shí)際應(yīng)用情況來看，集中式補(bǔ)償是將投切設(shè)備直接應(yīng)用為掌控保護(hù)設(shè)備，進(jìn)而將其安裝到低壓母線中，實(shí)現(xiàn)對變壓器及線路中無功損耗的補(bǔ)償。現(xiàn)階段集中式補(bǔ)償方法更多應(yīng)用于農(nóng)村地區(qū)的電網(wǎng)中，但會(huì)在一定程度上受到管理與維護(hù)等方面因素的影響，提升線路出現(xiàn)安全隱患的概率，因此難以在區(qū)域內(nèi)實(shí)現(xiàn)大規(guī)模使用。而分散式補(bǔ)償?shù)膽?yīng)用原理則是將電容器安裝在較為密集的低壓線路中，實(shí)現(xiàn)對用電裝置以及相關(guān)線路內(nèi)部無功損耗的補(bǔ)償。

相較于集中式補(bǔ)償方法，分散式補(bǔ)償在改善電壓質(zhì)量、減少損耗等方面顯示出更加突出的優(yōu)勢，但也正是因?yàn)檫@種補(bǔ)償方式分散性、隨機(jī)性的特點(diǎn)，使其在確定補(bǔ)償容量及補(bǔ)償方向時(shí)面臨著更大的問題。與此同時(shí)，電容器安裝完成之后并不是一直處于運(yùn)行狀態(tài)，在輕載時(shí)更多是采取閑置狀態(tài)，進(jìn)而對于裝置的使用效率也會(huì)產(chǎn)生一定影響。

2.2 智能化控制體系的建立

為進(jìn)一步推動(dòng)無功補(bǔ)償技術(shù)的自動(dòng)化、智能化發(fā)展，在設(shè)計(jì)相關(guān)操作流程的時(shí)候往往需要一定的控制設(shè)備，同時(shí)完成智能化控制體系的建立，為無功補(bǔ)償技術(shù)的穩(wěn)定落實(shí)提供保障。在對智能化控制體系結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析的過程中可看出，其最核心的組成部分為顯示器及鍵盤，而其功能與作用的發(fā)揮更多是集中在定值設(shè)置方面，包括功率因數(shù)上限、功率因數(shù)下限及PT變化比值等。與此同時(shí)，在不同的數(shù)據(jù)設(shè)置情況下所采用的電路也是不同的。例如在進(jìn)行PT和CT輸出時(shí)更多采用交流輸入型電路，更加便于對相關(guān)數(shù)據(jù)的收集；在進(jìn)行系統(tǒng)電壓等級調(diào)控時(shí)則需采用對應(yīng)的輸出電路，從而更好地完成繼電器輸出渠道采樣工作；而在進(jìn)行綜合信息傳輸時(shí)更多會(huì)選擇應(yīng)用通信電路，為傳輸通道的運(yùn)行提供相應(yīng)的便利條件。

針對煤礦電力系統(tǒng)的具體構(gòu)成，其中最關(guān)鍵的部分就是8位或16位的微控制器，需在進(jìn)行軟件編制時(shí)根據(jù)具體規(guī)則開展有針對性的編制工作，因此對于微控制器的性能也提出了更高的要求。此外還應(yīng)進(jìn)一步針對PT和CT的斷線閉鎖功能加以完善，確保其可具備人工操控、通信閉鎖以及失壓閉鎖等多種功能。在這部分功能的有效運(yùn)行下，電力系統(tǒng)的運(yùn)行質(zhì)量將會(huì)得到顯著提升，并為電力系統(tǒng)的健康運(yùn)行與礦井生產(chǎn)的穩(wěn)定推進(jìn)奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

2.3 補(bǔ)償技術(shù)的使用與維護(hù)

為確保電壓無功補(bǔ)償自動(dòng)調(diào)節(jié)技術(shù)可在煤礦電力系統(tǒng)中得到有效應(yīng)用，煤礦企業(yè)以及相關(guān)技術(shù)人員應(yīng)加強(qiáng)對補(bǔ)償裝置與技術(shù)的使用與維護(hù)，確保其可發(fā)揮出應(yīng)用的成效。一方面，技術(shù)人員應(yīng)積極開展相關(guān)技術(shù)的測試工作，并保證可在測試過程中明確電能質(zhì)量相關(guān)指標(biāo)，同時(shí)滿足煤礦電力系統(tǒng)運(yùn)行過程中的質(zhì)量技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。結(jié)合當(dāng)前實(shí)際的運(yùn)行情況來看，最主要的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)項(xiàng)目包括電壓波動(dòng)以及功率因數(shù)等。另一方面，技術(shù)人員還應(yīng)進(jìn)一步在電能質(zhì)量技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上完成無功補(bǔ)償自動(dòng)調(diào)節(jié)方案的設(shè)計(jì)，根據(jù)具體方案推進(jìn)電力系統(tǒng)運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)無功補(bǔ)償作用的顯著發(fā)揮。與此同時(shí)，在無功補(bǔ)償自動(dòng)調(diào)節(jié)技術(shù)實(shí)際應(yīng)用的過程中，應(yīng)最大限度地遵循“經(jīng)濟(jì)、安全、可靠”的生產(chǎn)原則，并為其功能發(fā)揮提供依據(jù)與保障。

當(dāng)前，無功補(bǔ)償自動(dòng)調(diào)節(jié)技術(shù)的功能主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面，分別是通過技術(shù)落實(shí)帶動(dòng)煤礦電力系統(tǒng)的可靠運(yùn)行，為煤礦設(shè)備的正常運(yùn)行提供保障以及通過技術(shù)落實(shí)實(shí)現(xiàn)對相關(guān)參數(shù)的調(diào)節(jié)與選擇，最終起到提升電能質(zhì)量、降低電能損耗的作用。值得注意的是，在實(shí)際開展煤礦電力系統(tǒng)建設(shè)的過程中，應(yīng)提升對無功補(bǔ)償裝置安裝環(huán)節(jié)的管控，最大限度滿足國家的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，并將電壓波動(dòng)變化控制在合理范圍內(nèi)。

此外，為確保煤礦電力系統(tǒng)電壓無功補(bǔ)償自動(dòng)調(diào)節(jié)裝置應(yīng)用效果的提升，可結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)情況落實(shí)一定的設(shè)備巡查與維護(hù)管理制度，還可通過建立檢測系統(tǒng)來實(shí)時(shí)掌握其運(yùn)行動(dòng)態(tài)，提升設(shè)備運(yùn)行與生產(chǎn)活動(dòng)之間的聯(lián)系。通過這樣的形式，無功補(bǔ)償裝置一旦出現(xiàn)運(yùn)行故障或參數(shù)異常就可在第一時(shí)間發(fā)出警報(bào)，而相關(guān)技術(shù)人員與維護(hù)人員也可及時(shí)展開排查、維護(hù)與檢修工作，避免潛在隱患與內(nèi)部故障對裝置的正常運(yùn)行產(chǎn)生不良影響，從而進(jìn)一步為煤礦電力系統(tǒng)運(yùn)行構(gòu)建更加良好的環(huán)境。

3 無功補(bǔ)償技術(shù)在煤礦電力系統(tǒng)中的應(yīng)用效益

3.1 穩(wěn)定電力系統(tǒng)電壓

在以往電力系統(tǒng)運(yùn)行的過程中，感性負(fù)載設(shè)備會(huì)產(chǎn)生感性用電負(fù)荷，進(jìn)而也會(huì)出現(xiàn)大量的無功功率。無功功率是這種感性負(fù)載運(yùn)轉(zhuǎn)的關(guān)鍵所在，同時(shí)電壓的波動(dòng)情況也會(huì)進(jìn)一步受到其變化頻率的影響，無功功率變化頻率越快、電力系統(tǒng)電壓波動(dòng)頻率也就越快，總體的波動(dòng)范圍也會(huì)持續(xù)擴(kuò)大。在這樣的情況下，將會(huì)影響電氣設(shè)備的正常工作狀態(tài)，導(dǎo)致其脫離預(yù)先設(shè)定的電壓值條件，進(jìn)而也會(huì)提升設(shè)備出現(xiàn)故障的概率。而無功補(bǔ)償技術(shù)的應(yīng)用優(yōu)勢在于可顯著減少無功功率，并將系統(tǒng)中電壓、電流變化情況調(diào)節(jié)在可控制的范圍內(nèi)，最大限度地提升電力系統(tǒng)電壓的穩(wěn)定性。

此外，在電力系統(tǒng)完成動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償裝置的安裝之后還可發(fā)現(xiàn)，其對于抑制諧波也有著顯著成效，規(guī)避了諧波對于電力系統(tǒng)其他設(shè)備和線路的不利影響，加強(qiáng)其在易于操作、維護(hù)等方面的優(yōu)勢，為增強(qiáng)電力系統(tǒng)的安全性與科學(xué)性打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)[5]。

3.2 提升電力系統(tǒng)的利用效率

無功補(bǔ)償技術(shù)的應(yīng)用還可起到提高供電系統(tǒng)的利用率的作用。井下用電設(shè)備在運(yùn)行過程中出現(xiàn)的無功功率會(huì)持續(xù)在電源與設(shè)備之間往復(fù)交換，同時(shí)考慮到無功功率的規(guī)模往往較大，因此其交換過程勢必會(huì)造成供電系統(tǒng)容量的占用，影響供電系統(tǒng)的正常運(yùn)行。在完成無功補(bǔ)償裝置的安裝以后，顯著減少了無功功率的交換，因此也節(jié)省出大量的供電系統(tǒng)設(shè)備容量，以促進(jìn)電力系統(tǒng)利用效率的提升，從而為井下作業(yè)的有序推進(jìn)提供保障。

4 結(jié)語

綜上所述，相較于傳統(tǒng)的無功補(bǔ)償方式，無功補(bǔ)償自動(dòng)調(diào)節(jié)技術(shù)在應(yīng)用過程中體現(xiàn)出十分突出的優(yōu)勢，大大提升了煤礦開采作業(yè)的安全性、可靠性與準(zhǔn)確性，因此也在煤礦電力系統(tǒng)中得到了十分廣泛地認(rèn)可與應(yīng)用。在實(shí)際應(yīng)用無功補(bǔ)償技術(shù)的過程中，應(yīng)結(jié)合煤礦電力系統(tǒng)的需求特點(diǎn)加以調(diào)節(jié)，并制定完善的應(yīng)用方案來有效滿足相關(guān)工程的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，發(fā)揮出該技術(shù)應(yīng)用的價(jià)值，提升煤礦電力系統(tǒng)的運(yùn)行質(zhì)量。