選煤廠供電系統(tǒng)中無功補(bǔ)償技術(shù)運(yùn)用分析

國家能源集團(tuán)寧夏煤業(yè)有限責(zé)任公司洗選中心 王 磊 金兆卿

就煤礦礦井供電而言，無功補(bǔ)償技術(shù)的應(yīng)用是為了進(jìn)一步增強(qiáng)供電穩(wěn)定性和安全性，以最大限度降低意外事件發(fā)生概率，進(jìn)而更好地保證人員生命安全。無功補(bǔ)償技術(shù)可以有效提升功率因數(shù)、減輕系統(tǒng)過載、提高電能利用率、優(yōu)化生產(chǎn)能耗，從而實(shí)現(xiàn)提升煤礦礦井供電系統(tǒng)運(yùn)行效率和安全性的根本目的。從實(shí)際應(yīng)用的角度出發(fā)探討無功補(bǔ)償技術(shù)應(yīng)用價(jià)值及效果對優(yōu)化煤礦礦井供電系統(tǒng)的運(yùn)行、提升煤礦的生產(chǎn)效率、保障煤礦的安全生產(chǎn)具有重要的理論和實(shí)踐意義。

1 煤礦礦井供電系統(tǒng)的特點(diǎn)

煤礦礦井供電系統(tǒng)是保證煤礦安全生產(chǎn)的重要基礎(chǔ)設(shè)施，其運(yùn)行狀況直接關(guān)系到煤礦生產(chǎn)的安全與效率。與一般工業(yè)供電系統(tǒng)相比，煤礦礦井供電系統(tǒng)具有負(fù)荷特性復(fù)雜、供電線路長、分布廣、供電安全要求高等特點(diǎn)。第一，負(fù)荷特性復(fù)雜。煤礦生產(chǎn)過程中，各種機(jī)械設(shè)備、照明設(shè)備、通風(fēng)設(shè)備等負(fù)荷的運(yùn)行狀態(tài)會隨時變化，負(fù)荷的大小、性質(zhì)（感性、容性或阻性）及分布也會隨之改變。第二，供電線路長、分布廣。煤礦通常位于偏遠(yuǎn)地區(qū)，供電系統(tǒng)的線路往往較長，負(fù)荷分布廣泛，這不僅導(dǎo)致電壓下降、電能損失大，還可能引起供電系統(tǒng)的動態(tài)、靜態(tài)不穩(wěn)定。第三，供電安全要求高。煤礦作業(yè)環(huán)境惡劣，有易燃、易爆的氣體存在，因此供電系統(tǒng)必須具有良好的安全保護(hù)措施，避免電氣火災(zāi)、爆炸等安全事故的發(fā)生。供電系統(tǒng)的可靠性要求高。煤礦的生產(chǎn)是連續(xù)的，一旦供電系統(tǒng)出現(xiàn)故障，將直接影響生產(chǎn)的正常進(jìn)行，甚至可能導(dǎo)致重大的生產(chǎn)安全事故[1]。因此，供電系統(tǒng)必須具有高度的可靠性和穩(wěn)定性。煤礦礦井供電系統(tǒng)的特點(diǎn)決定了其在設(shè)計(jì)、運(yùn)行和維護(hù)中面臨許多挑戰(zhàn)。

2 煤礦礦井供電系統(tǒng)的現(xiàn)狀分析

2.1 電力供需不平衡

電力供需不平衡問題在煤礦礦井供電系統(tǒng)中呈現(xiàn)出復(fù)雜性和緊迫性。第一，礦井內(nèi)的生產(chǎn)設(shè)備運(yùn)行模式常常因礦物開采情況、工作進(jìn)度等因素而頻繁變動，導(dǎo)致電力需求的季節(jié)性、日變化性，以及短時波動性，使電力供應(yīng)難以實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)預(yù)測。第二，礦井作為一個相對封閉的生產(chǎn)系統(tǒng)，其電力需求會因通風(fēng)、提升、照明等多種設(shè)備的耦合作用而表現(xiàn)出復(fù)雜的相互影響。第三，由于外部輸電線路、變電站容量等外部因素制約，供電系統(tǒng)在應(yīng)對突發(fā)需求增加時難以實(shí)現(xiàn)及時的資源調(diào)度。電力供需不平衡問題的存在，常常導(dǎo)致電力系統(tǒng)運(yùn)行時的電壓波動、頻率偏差等問題，嚴(yán)重影響礦井內(nèi)設(shè)備的正常工作，甚至可能引發(fā)重大電力事故。

2.2 供電設(shè)備性能

在實(shí)際應(yīng)用中，供電設(shè)備的性能問題凸顯出多方面的挑戰(zhàn)。在礦井供電系統(tǒng)中，不同類型、不同型號的供電設(shè)備在技術(shù)參數(shù)上存在差異，其負(fù)載能力、效率等性能指標(biāo)可能存在較大波動。礦井內(nèi)的生產(chǎn)設(shè)備常常會出現(xiàn)突發(fā)負(fù)荷變化，供電設(shè)備必須具備較強(qiáng)的負(fù)載適應(yīng)能力，以保障系統(tǒng)的穩(wěn)定性。供電設(shè)備性能問題的深入分析不僅需要關(guān)注設(shè)備的技術(shù)指標(biāo)，還要考慮其在實(shí)際運(yùn)行中的動態(tài)特性，以期制定科學(xué)合理的性能維護(hù)和設(shè)備更新方案，確保供電系統(tǒng)持續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行。

2.3 維護(hù)與管理不足

在煤礦礦井供電系統(tǒng)的運(yùn)行中，維護(hù)與管理不足問題呈現(xiàn)出一系列值得深入研究的方面。維護(hù)保養(yǎng)作為保障系統(tǒng)穩(wěn)定性和可靠性的重要環(huán)節(jié)，在實(shí)際操作中面臨諸多挑戰(zhàn)。維護(hù)計(jì)劃的制定往往難以適應(yīng)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的變化，導(dǎo)致存在未及時檢修的設(shè)備可能仍在運(yùn)行，進(jìn)而可能引發(fā)潛在故障隱患。維護(hù)人員的專業(yè)素養(yǎng)和培訓(xùn)狀況對維護(hù)質(zhì)量產(chǎn)生直接影響，不足的技術(shù)支持可能影響維護(hù)效果。缺乏有效的設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測手段，使無法準(zhǔn)確評估設(shè)備的健康狀態(tài)，從而限制了精細(xì)化的維護(hù)管理的實(shí)施。維護(hù)與管理不足問題可能進(jìn)一步提高系統(tǒng)故障的風(fēng)險(xiǎn)，并可能導(dǎo)致整體運(yùn)行效率下降。通過深入分析維護(hù)計(jì)劃制定、維護(hù)人員培訓(xùn)，以及設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測等方面的問題，可以為優(yōu)化供電系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性提供明晰的改進(jìn)策略。

2.4 能源效率低下

煤礦礦井供電系統(tǒng)的能源效率問題關(guān)系到經(jīng)濟(jì)效益和資源利用效率，涉及多個環(huán)節(jié)的能源轉(zhuǎn)化和傳輸。在供電鏈中，能源在不同環(huán)節(jié)中可能產(chǎn)生損耗，導(dǎo)致系統(tǒng)整體能效降低。尤其在高負(fù)荷時段，能源的浪費(fèi)現(xiàn)象越發(fā)突出。這種情況不僅增加了企業(yè)的經(jīng)營成本，還對環(huán)境產(chǎn)生了不必要的影響。供電系統(tǒng)內(nèi)的能源損耗問題涉及設(shè)備的設(shè)計(jì)、運(yùn)行管理等多個層面，需要系統(tǒng)性地分析各環(huán)節(jié)的能源損耗機(jī)制。通過深入分析能源在供電系統(tǒng)中的流動路徑、能耗特征，能夠準(zhǔn)確識別能源損耗的主要來源，為制定有效的技術(shù)和管理措施提供重要依據(jù)。然而，煤礦礦井供電系統(tǒng)的能源效率低下，其本質(zhì)在于無功功率的浪費(fèi)。傳統(tǒng)的無功補(bǔ)償技術(shù)采用固定補(bǔ)償方式，無法根據(jù)煤礦礦井供電系統(tǒng)的實(shí)際情況和能源消耗特征進(jìn)行合理選擇，無法發(fā)揮無功補(bǔ)償技術(shù)的節(jié)能作用。

3 無功補(bǔ)償技術(shù)在煤礦供電系統(tǒng)中的具體運(yùn)用

3.1 提升功率因數(shù)

在煤礦供電系統(tǒng)中，無功補(bǔ)償技術(shù)的應(yīng)用是不可忽視的重要環(huán)節(jié)。由于煤礦設(shè)備多為電動機(jī)等感性負(fù)荷，其運(yùn)行會產(chǎn)生大量的無功功率，導(dǎo)致功率因數(shù)降低，增加線路損耗，降低供電效率。因此，提升煤礦供電系統(tǒng)的功率因數(shù)是提高煤礦能效、降低運(yùn)營成本的關(guān)鍵。無功補(bǔ)償技術(shù)的運(yùn)用，可以有效地提高供電系統(tǒng)的功率因數(shù)。第一，可以采取集中補(bǔ)償和分散補(bǔ)償兩種方式。集中補(bǔ)償是在供電系統(tǒng)的中心節(jié)點(diǎn)或主干線上安裝大容量的補(bǔ)償裝置，一次性補(bǔ)償多個負(fù)荷；分散補(bǔ)償是在各個負(fù)荷的近旁安裝小容量的補(bǔ)償裝置，分別對各負(fù)荷進(jìn)行補(bǔ)償。通常情況下，會采取兩種相結(jié)合的方法，以獲得最佳的補(bǔ)償效果。第二，可以根據(jù)負(fù)荷的性質(zhì)和變化特點(diǎn)，選擇動態(tài)無功補(bǔ)償或者靜態(tài)無功補(bǔ)償。動態(tài)無功補(bǔ)償可以實(shí)時地根據(jù)負(fù)荷的變化，調(diào)整補(bǔ)償量，以保持供電系統(tǒng)的功率因數(shù)在一個較高的水平。靜態(tài)無功補(bǔ)償則是根據(jù)負(fù)荷的平均水平，提前設(shè)定好補(bǔ)償量，不會隨負(fù)荷的變化而調(diào)整。第三，可以采用并聯(lián)補(bǔ)償、串聯(lián)補(bǔ)償或者混合補(bǔ)償。并聯(lián)補(bǔ)償是將補(bǔ)償裝置并聯(lián)在負(fù)荷的兩端，串聯(lián)補(bǔ)償是將補(bǔ)償裝置串聯(lián)在負(fù)荷的一端，混合補(bǔ)償是將這兩種補(bǔ)償方式結(jié)合起來[2]。這些不同的補(bǔ)償方式，可以根據(jù)具體的供電系統(tǒng)情況和負(fù)荷特點(diǎn)，靈活選擇。第四，可以采用不同類型的補(bǔ)償裝置，如SVC、STATCOM、MSC、LCR 等。這些設(shè)備各有特點(diǎn)和適用范圍，需要根據(jù)具體情況選擇適當(dāng)?shù)脑O(shè)備。綜上所述，提升煤礦供電系統(tǒng)的功率因數(shù)，可以采取多種方式和設(shè)備，靈活選擇、合理搭配，才能獲得最佳的補(bǔ)償效果。

3.2 減輕系統(tǒng)過載

在煤礦供電系統(tǒng)中，由于電動機(jī)、變頻器等感性負(fù)荷的廣泛應(yīng)用，系統(tǒng)中的無功功率往往較大，導(dǎo)致線路電壓下降，甚至可能引發(fā)電力設(shè)備過載，影響正常生產(chǎn)。因此，通過無功補(bǔ)償技術(shù)來減輕系統(tǒng)過載，是提高煤礦生產(chǎn)效率、保障生產(chǎn)安全的必要措施。第一，需要正確理解無功功率對系統(tǒng)過載的影響。由于感性負(fù)荷產(chǎn)生的無功功率，會導(dǎo)致系統(tǒng)中的實(shí)際功率因數(shù)下降，從而增加電力系統(tǒng)的輸電損耗，降低電能的利用率。由于無功功率的存在，會使電流的有效值增大，對電力設(shè)備和電力線路造成較大的負(fù)荷，甚至可能超過設(shè)備和線路的額定負(fù)荷，造成過載。因此，通過無功補(bǔ)償技術(shù)消耗多余的無功功率，可以降低設(shè)備和線路的負(fù)荷，避免過載。第二，應(yīng)當(dāng)注意選擇合適的無功補(bǔ)償裝置。常見的無功補(bǔ)償裝置有靜止無功補(bǔ)償裝置（SVC）、靜止同步補(bǔ)償裝置（STATCOM）、調(diào)壓變壓器（TCR）等。這些裝置有各自的特點(diǎn)和適用范圍，需要根據(jù)具體情況綜合考慮。例如，SVC 適用于大范圍的功率變化，能夠提供快速、連續(xù)的無功補(bǔ)償；STATCOM適用于需要大量無功補(bǔ)償?shù)膱龊?，能夠提供高速、靈活的無功補(bǔ)償。第三，應(yīng)當(dāng)考慮無功補(bǔ)償?shù)目刂撇呗??？梢圆捎枚▔嚎刂啤⒍üβ士刂?、定功率因?shù)控制等多種控制策略。定壓控制是根據(jù)系統(tǒng)電壓的變化，調(diào)整無功補(bǔ)償裝置的輸出，以保持系統(tǒng)電壓穩(wěn)定；定功率控制是根據(jù)系統(tǒng)功率的變化，調(diào)整無功補(bǔ)償裝置的輸出，以保持系統(tǒng)功率穩(wěn)定；定功率因數(shù)控制是根據(jù)系統(tǒng)功率因數(shù)的變化，調(diào)整無功補(bǔ)償裝置的輸出，以保持系統(tǒng)功率因數(shù)穩(wěn)定[3]。

3.3 提高電能利用率

由于煤礦設(shè)備多為電動機(jī)、變頻器等感性負(fù)荷，其運(yùn)行會產(chǎn)生大量的無功功率，導(dǎo)致功率因數(shù)降低，增加輸電損耗，從而降低電能的利用效率。無功功率的存在會使使得電流的有效值增大，對電力設(shè)備和電力線路造成較大的負(fù)荷，甚至可能超過設(shè)備和線路的額定負(fù)荷，造成過載。通過定期檢查維護(hù)設(shè)備、使用高效節(jié)能設(shè)備和使用智能電力管理系統(tǒng)，提高電能利用率的有效措施。第一，定期檢查和維護(hù)設(shè)備。設(shè)備的正常運(yùn)行可以減少能源的浪費(fèi)和損耗。定期檢查電纜、配電柜、開關(guān)和其他電力設(shè)備的狀況，及時修復(fù)或更換有問題的設(shè)備。第二，使用高效節(jié)能的電器設(shè)備，選擇高效節(jié)能的電器設(shè)備是提高電力技術(shù)使用效率的重要舉措。第三，使用智能電力管理系統(tǒng)，智能電力管理系統(tǒng)可以監(jiān)控和控制電力設(shè)備的使用情況，幫助我們更加有效地管理和利用電力資源。

3.4 優(yōu)化生產(chǎn)能耗

優(yōu)化生產(chǎn)能耗是煤礦企業(yè)降低生產(chǎn)成本、提高經(jīng)濟(jì)效益的重要途徑。在煤礦的供電系統(tǒng)中，存在著許多感性負(fù)荷，如電動機(jī)、變頻器等，這些設(shè)備在運(yùn)行過程中會產(chǎn)生大量的無功功率，導(dǎo)致供電系統(tǒng)的功率因數(shù)下降，進(jìn)而增加電能損耗，降低電能的利用率。采用無功補(bǔ)償技術(shù)來消耗多余的無功功率，是優(yōu)化生產(chǎn)能耗的有效措施。第一，需要分析煤礦供電系統(tǒng)的負(fù)荷特性。煤礦的電力負(fù)荷通常具有以下幾個特點(diǎn)。一是負(fù)荷變動較大，存在著許多起動、停止、變速等突變負(fù)荷；二是負(fù)荷分布不均勻，存在著集中負(fù)荷和分散負(fù)荷；三是負(fù)荷性質(zhì)復(fù)雜，存在著感性負(fù)荷、阻性負(fù)荷、容性負(fù)荷等不同性質(zhì)的負(fù)荷。因此，需要根據(jù)負(fù)荷的具體特性，選擇適當(dāng)?shù)臒o功補(bǔ)償方式。第二，需要選擇適當(dāng)?shù)臒o功補(bǔ)償裝置。常見的無功補(bǔ)償裝置有靜止無功補(bǔ)償裝置（SVC）、靜止同步補(bǔ)償裝置（STATCOM）、調(diào)壓變壓器（TCR）、電容器補(bǔ)償裝置等。這些裝置有各自的特點(diǎn)和適用范圍，需要根據(jù)具體情況選擇。第三，需要考慮無功補(bǔ)償?shù)目刂撇呗浴？梢圆捎枚▔嚎刂?、定功率控制、定功率因?shù)控制等多種控制策略。定壓控制是根據(jù)系統(tǒng)電壓的變化，調(diào)整無功補(bǔ)償裝置的輸出，以保持系統(tǒng)電壓穩(wěn)定；定功率控制是根據(jù)系統(tǒng)功率的變化，調(diào)整無功補(bǔ)償裝置的輸出，以保持系統(tǒng)功率穩(wěn)定；定功率因數(shù)控制是根據(jù)系統(tǒng)功率因數(shù)的變化，調(diào)整無功補(bǔ)償裝置的輸出，以保持系統(tǒng)功率因數(shù)穩(wěn)定[5]。綜上所述，通過合理的無功補(bǔ)償裝置選擇、控制策略設(shè)計(jì)，可以有效地消耗多余的無功功率，降低電能損耗，優(yōu)化生產(chǎn)能耗，從而提高煤礦企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益和生產(chǎn)效率。

4 結(jié)語

對礦井供電系統(tǒng)中的無功補(bǔ)償技術(shù)進(jìn)行分析，通過在供電設(shè)備上安裝無功補(bǔ)償裝置，可以有效地減少電壓降，提高設(shè)備的工作效率，保證礦井供電系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。同時對礦井供電系統(tǒng)中的無功補(bǔ)償技術(shù)進(jìn)行分析，有利于提高煤礦企業(yè)在市場中的競爭力，對于提升煤礦企業(yè)在市場中的競爭力有積極的作用。