關(guān)鍵詞：無功補(bǔ)償 諧波 電能質(zhì)量
隨著建設(shè)高產(chǎn)高效現(xiàn)代化礦井目標(biāo)的實(shí)施，石墨礦自動化及信息化程度不斷提高，電力電子設(shè)備已經(jīng)廣泛應(yīng)用于石墨生產(chǎn)加工生產(chǎn)的各個環(huán)節(jié)。一方面石墨生產(chǎn)加工中大功率、非線性設(shè)備導(dǎo)致電網(wǎng)電能質(zhì)量降低，另一方面石墨生產(chǎn)加工各種檢測控制設(shè)備對電能質(zhì)量的要求越來越高，由此產(chǎn)生的矛盾越來越引起人們對石墨生產(chǎn)加工中電能質(zhì)量問題的重視。
石墨生產(chǎn)加工供電系統(tǒng)中的球磨機(jī)、破碎機(jī)等負(fù)載的使用給電網(wǎng)帶來電壓波動和閃變、功率因數(shù)低、諧波含量超標(biāo)等電能質(zhì)量問題，這些都將嚴(yán)重危害供電系統(tǒng)和電氣設(shè)備的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。因此，解決好石墨生產(chǎn)加工供電系統(tǒng)的無功補(bǔ)償和諧波治理問題對于保證系統(tǒng)電能質(zhì)量及安全運(yùn)行、降低損耗、提高用電設(shè)備效率等具有重要意義。另外也會為企業(yè)節(jié)約電能、避免因功率因數(shù)低而造成罰款，給企業(yè)帶來經(jīng)濟(jì)效益。
雞西某礦業(yè)有限公司是一家生產(chǎn)石墨的企業(yè)，主要負(fù)荷為高壓電機(jī)、低壓變頻電機(jī)和軟啟動電機(jī)。由于高壓電機(jī)、低壓變頻電機(jī)和軟啟動電機(jī)為非線性沖擊負(fù)荷，生產(chǎn)時不但產(chǎn)生諧波，而且還有無功沖擊。大量無功以及諧波電流的存在，既影響電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行，其自身用電也存在著安全隱患。
該公司有一條10kV進(jìn)線，共有5臺變壓器和1臺高壓電機(jī)。其中，有3臺變壓器型號均為SC11-2000/10，額定容量均為2000kVA，聯(lián)接組別均為Dyn11，額定電壓比均為（10.5±2×2.5%）/0.4kV；有1臺變壓器型號為SC11-630/10，額定容量為630kVA，聯(lián)接組別為Dyn11，額定電壓比為（10.5±2×2.5%）/0.4kV；有1臺變壓器額定容量為400kVA。主要非線性負(fù)荷為高壓電機(jī)、低壓變頻電機(jī)和軟啟動電機(jī)。
圖1：雞西某礦業(yè)公司主接線示意圖
雞西某礦業(yè)公司主要非線性沖擊負(fù)荷高壓電機(jī)、低壓變頻電機(jī)和軟啟動電機(jī)設(shè)備引起的電能質(zhì)量問題如下：
（1） 未投入濾波及無功補(bǔ)償裝置的情況下，低壓變頻電機(jī)和軟啟動電機(jī)共同運(yùn)行時產(chǎn)生的5、7、11次諧波電流值超出國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的10kV公共連接點(diǎn)的諧波電流注入允許值的要求。其中，5次諧波電流為15.9A(允許值為2.7A)，7次諧波電流為7.3A(允許值為2.4A)，11次諧波電流為2A(允許值為1.9A)。
（2） 未投入濾波及無功補(bǔ)償裝置的情況下，主要沖擊負(fù)荷高壓電機(jī)啟動時引起的系統(tǒng)電壓波動值為7.8%，超出國標(biāo)限值的要求（國標(biāo)限值為3%）。
（3）未投入濾波及無功補(bǔ)償裝置的情況下，進(jìn)線點(diǎn)（電力部門計(jì)量點(diǎn)）的功率因數(shù)值只有0.80。
3.1 石墨選礦方法
石墨的可浮性好，目前多用浮選法。浮選常采用FW、XJK型浮選機(jī)。產(chǎn)品脫水常采用各種離心脫水機(jī)或折帶式過濾機(jī)。產(chǎn)品分級多采用高方篩，少數(shù)采用平而搖動篩、旋回篩。
晶質(zhì)鱗片石墨多采用粗精礦再磨再選的浮選流程，浮選工藝流程一般為多段磨礦、多段選別、中礦順序(或集中)返回的閉路流程，以便盡早選出大鱗片石墨。
隱晶質(zhì)石墨晶體極小，石墨顆粒常常嵌布在粘土中，分離很困難。許多石墨礦山將采出的礦石直接進(jìn)行粉碎加工。國內(nèi)，通常都是直接粉碎成產(chǎn)品出售，流程隱晶質(zhì)石墨選礦加工流程一般為：原礦→粗碎→中碎→烘干→磨礦→分級→包裝。
3.2 浮選簡介
浮選主要指泡沫浮選，是按礦物表面物理化學(xué)性質(zhì)的差異來分離各種細(xì)粒的方法。將疏水的有用礦物粘附在氣泡上，親水的脈石礦物留在水中，從而實(shí)現(xiàn)，從而實(shí)現(xiàn)彼此分離。
圖2：浮選工藝流程圖
3.3 本案選礦實(shí)例
該廠礦位于黑龍江省雞某市附近，是我國細(xì)鱗片石墨的重要產(chǎn)地，年產(chǎn)石墨20000t。根據(jù)多年生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，該礦采用4次再磨，6次精選的流程，最終產(chǎn)品品位為89—90％。
圖3：柳毛石墨礦選礦流程圖
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序號 |
設(shè)備名稱 |
型號規(guī)格 |
臺數(shù) |
用途 |
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1 |
顎式破碎機(jī) |
300×380，t/h |
1 |
粗碎 |
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2 |
顎式破碎機(jī) |
380×280，t/h |
1 |
粗碎 |
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3 |
錘式破碎機(jī) |
800×600，t/h |
2 |
中碎 |
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4 |
錐形球磨機(jī) |
2100×900，23.5r/min |
1 |
粗磨 |
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5 |
耙式分級機(jī) |
1400×6000，16.5r/min |
1 |
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6 |
攪拌槽 |
Φ2108×2200，220r/min |
1 |
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7 |
浮選機(jī) |
FW-24型，XJK-2.8 |
37 |
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8 |
球磨機(jī) |
1000×3500，33.5r/min，裝鋼段3.5t |
1 |
再磨 |
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9 |
球磨機(jī) |
900×2200，38r/min，裝鋼段2.2t |
2 |
再磨 |
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10 |
球磨機(jī) |
900×3000，40r/min，裝鋼段3.0t |
1 |
再磨 |
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11 |
真空過濾機(jī) |
10m2 |
1 |
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12 |
烘干炕 |
4000×18000mm |
1 |
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13 |
分級篩 |
2500×500mm |
2 |
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表1：主要的石墨選礦設(shè)備表
隨著本案石墨生產(chǎn)逐漸上軌道，供電系統(tǒng)非線性負(fù)荷的大量增加，對電網(wǎng)造成的干擾愈加嚴(yán)重和復(fù)雜，導(dǎo)致電網(wǎng)供電質(zhì)量下降。主要是諧波污染與功率因數(shù)降低、電磁干擾。
4.1 無功功率補(bǔ)償
石墨生產(chǎn)加工企業(yè)中存在大量的感性電力負(fù)荷，自然功率因數(shù)較低，如不補(bǔ)償，提高系統(tǒng)功率因數(shù)，將造成如下不良影響：
（1）降低發(fā)電機(jī)的輸出功率，當(dāng)發(fā)電機(jī)需提高功率無功輸出，低于額定功率因數(shù)運(yùn)行時，將使發(fā)電機(jī)有功輸出降低。
（2）降低了變電、輸電設(shè)施的供電能力。
（3）使網(wǎng)絡(luò)電力損耗增加（網(wǎng)絡(luò)中的電能損失與功率值的平方成正比），如電機(jī)、變壓器、電力電纜等。
（4）功率因數(shù)愈低線路的電壓降愈大，使得用電設(shè)備的運(yùn)行條件惡化。
可見，提高功率因數(shù)不僅對電力系統(tǒng)，而且對本企業(yè)的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行有著重大意義。企業(yè)在考慮提高功率因數(shù)時，應(yīng)采用靜止無功補(bǔ)償裝置，以提高電力系統(tǒng)的功率因數(shù)，改善供電質(zhì)量。
4.2 電網(wǎng)諧波
諧波主要由諧波電流源產(chǎn)生：當(dāng)正弦基波電壓施加于非線性設(shè)備時，設(shè)備吸收的電流與施加的電壓波形不同，電流因而發(fā)生了畸變，由于負(fù)荷與電網(wǎng)相連，故諧波電流注入到電網(wǎng)中，這些設(shè)備就成了電力系統(tǒng)的諧波源。
系統(tǒng)中的主要諧波源可分為兩類：① 含半導(dǎo)體的非線性元件，如各種整流設(shè)備、變流器、交直流換流設(shè)備、PWM變頻器等節(jié)能和控制用的電力電子設(shè)備；② 含電弧和鐵磁非線性設(shè)備的諧波源，如日光燈、交流電弧爐、變壓器、發(fā)電機(jī)組及鐵磁諧振設(shè)備等。
工業(yè)企業(yè)供電系統(tǒng)中的高次諧波除來自外部電源，主要產(chǎn)生于企業(yè)自身非線性負(fù)荷用電設(shè)備，如大容量整流裝置、變頻器等。
嚴(yán)重的諧波污染對供配電系統(tǒng)的電能質(zhì)量造成了極大的危害，如：電流和電壓波形畸變；電壓波動及閃變加劇；功率因數(shù)降低；供、配、用電設(shè)備發(fā)熱嚴(yán)重，電網(wǎng)供電能力（容量）下降，用電設(shè)備的利用率降低；線路和變壓器損耗增加并加速老化；電子設(shè)備及控制系統(tǒng)受干擾而無法正常工作，繼電器誤動作。
本工程在雞西某礦業(yè)公司10kV母線安裝1套動態(tài)無功補(bǔ)償裝置，動態(tài)補(bǔ)償方案采用加裝iSVG系列高壓靜止無功發(fā)生器，iSVG補(bǔ)償容量為±3.5MVar，通過iSVG對整個系統(tǒng)進(jìn)行集中補(bǔ)償，總補(bǔ)償容量為-3.5MVar～+3.5MVar，補(bǔ)償后功率因數(shù)可達(dá)0.95以上。同時低壓變頻電機(jī)和軟啟動電機(jī)共同運(yùn)行時產(chǎn)生的各次諧波電流值均滿足國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的10kV公共連接點(diǎn)的諧波電流注入允許值的要求。
圖4：iSVG系列高壓靜止無功發(fā)生器電氣連接示意圖
主開關(guān)柜QF向iSVG系列高壓靜止無功發(fā)生器供電，iSVG裝置并聯(lián)在10kV母線側(cè)，對系統(tǒng)進(jìn)行集中補(bǔ)償。整套無功補(bǔ)償裝置運(yùn)行操作步驟如下：
* 二次控制系統(tǒng)上電，觀察控制面板指示燈，此時指示燈均不亮，當(dāng)前觸摸屏顯示 QF、KM1、KM2 均未合閘，iSVG 為待機(jī)狀態(tài)；
* 用戶操作閉合用戶開關(guān)柜斷路器QF，將高壓電送至SVG 裝置，當(dāng)前觸摸屏顯示QF 斷路器為閉合 狀態(tài)，裝置仍處于待機(jī)狀態(tài)；
* 將控制柜面板上本地/遠(yuǎn)程按鈕旋到本地狀態(tài)，點(diǎn)擊觸摸屏KM2 閉合接觸器，主接觸器KM2閉合，觸摸屏顯示KM2 閉合，裝置狀態(tài)提示充電中；
* 運(yùn)行就緒等待時間到達(dá)后，設(shè)置運(yùn)行就緒等待時間為 12S，即12S后，就緒燈亮，裝置進(jìn)入就緒 狀態(tài)；若12s后就緒燈仍處于熄滅狀態(tài)且故障燈亮，則說明裝置有故障，需要排除故障后再啟機(jī)。
* 確認(rèn)就緒燈點(diǎn)亮后，點(diǎn)擊觸摸屏主界面運(yùn)行按鈕；
* 確認(rèn)裝置運(yùn)行指示燈點(diǎn)亮，裝置進(jìn)入并網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)。
5.1 系統(tǒng)二次回路控制方案
iSVG系列高壓靜止無功發(fā)生器控制系統(tǒng)具有就地監(jiān)控方式和遠(yuǎn)程監(jiān)控方式（DCS遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)），兩種功能可以在操作面板上設(shè)定。在就地監(jiān)控方式下，通過裝置上的觸摸屏顯示無功、電流、電壓等參數(shù)，可就地啟動、停止裝置，可以修改相關(guān)配置參數(shù)。
5.2 iSVG系列高壓靜止無功發(fā)生器運(yùn)行特點(diǎn)
1) 并網(wǎng)電流無沖擊：采用精確的電網(wǎng)同步技術(shù)和自勵啟動技術(shù)，并網(wǎng)電流無沖擊。
2) 矢量控制，響應(yīng)速度小于5ms：采用矢量控制，響應(yīng)時間小于5ms。對快速沖擊負(fù)荷和閃變具有更好的補(bǔ)償效果。
圖5 感性到容性電流階躍響應(yīng)
3) 補(bǔ)償功能多樣化：具有無功補(bǔ)償、諧波補(bǔ)償、穩(wěn)壓補(bǔ)償、三相不平衡補(bǔ)償?shù)裙δ?/span>
圖6 無功補(bǔ)償輸出電壓電流波形
6.1設(shè)備效益
6.1.1 電能質(zhì)量改善
使用iSVG高壓靜止無功發(fā)生器裝置對雞西某礦業(yè)公司整體10kV母線進(jìn)行無功和諧波補(bǔ)償后，系統(tǒng)功率因數(shù)提高；低壓變頻電機(jī)和軟啟動電機(jī)共同運(yùn)行時產(chǎn)生的各次諧波電流值均滿足國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的10kV公共連接點(diǎn)的諧波電流注入允許值的要求；高壓電機(jī)啟動時引起的系統(tǒng)電壓波動也滿足國標(biāo)限值的要求。iSVG裝置投入運(yùn)行后，大大的改善用戶電能質(zhì)量，提高了用戶用電設(shè)備的使用壽命。
圖7：iSVG系列高壓靜止無功發(fā)生器投入使用前后現(xiàn)場電網(wǎng)電能質(zhì)量對比
6.1.2 減少工作量、無需專人值守
iSVG高壓靜止無功發(fā)生器是新一代無功補(bǔ)償裝置，iSVG自動采集系統(tǒng)電壓、電流信號，通過控制系統(tǒng)處理后計(jì)算系統(tǒng)所需的無功和諧波情況，最后發(fā)出。響應(yīng)時間小于5ms。同時iSVG具有多達(dá)十幾種保護(hù)功能，可以確保整套裝置的安全性。無需專人值守、操作，裝置也可正常使用。
圖8：iSVG系列高壓靜止無功發(fā)生器現(xiàn)場圖片
6.2 經(jīng)濟(jì)效益
6.2.1合規(guī)
雞西某礦業(yè)公司當(dāng)?shù)仉娔苜|(zhì)量考核標(biāo)準(zhǔn)為功率因數(shù)0.90，未使用iSVG系列高壓靜止無功發(fā)生器，功率因數(shù)為0.80。用iSVG后，系統(tǒng)功率因數(shù)可達(dá)0.95，避免被罰款。
6.2.2 電能質(zhì)量達(dá)標(biāo)獎勵
使用iSVG系列高壓靜止無功發(fā)生器后，系統(tǒng)功率因數(shù)可達(dá)0.95。按照國家標(biāo)準(zhǔn)月電費(fèi)少交0.75%，且可獲得當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)公司獎勵。
隨著國家對生產(chǎn)企業(yè)的供電網(wǎng)絡(luò)電能質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的進(jìn)一步提高，而且響應(yīng)“綠色，環(huán)保，低碳”的口號，為SVG產(chǎn)品的推廣提供了廣闊的應(yīng)用前景。通過本方案分析,可以看到深圳市英威騰電氣股份有限公司iSVG系列高壓靜止無功發(fā)生器對于雞西某石墨生產(chǎn)企業(yè)系統(tǒng)供電系統(tǒng)的安全和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行水平起到了很大的促進(jìn)作用,它將能大大加強(qiáng)該石墨礦電網(wǎng)一次、二次系統(tǒng)的效能和可靠性,對保證電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行具有重大的意義。
參考文獻(xiàn)：
【1】深圳市英威騰電氣股份有限公司 《iSVG高壓靜止無功發(fā)生器說明書》
【2】董宗斌 《SVG動態(tài)無功補(bǔ)償無功補(bǔ)償裝置在煤礦中的應(yīng)用》水利采煤及管道運(yùn)輸 2010年6月
