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摘要：本文介紹了英威騰iSVG高壓靜止無功發(fā)生器在雞西某礦業(yè)電能質量控制上的的應用，分析了石墨生產(chǎn)工藝以及在石墨生產(chǎn)過程中負載對電網(wǎng)造成的影響，以及根據(jù)現(xiàn)場的負載情況制定的SVG方案和實際產(chǎn)生的經(jīng)濟社會效益。

關鍵詞：英威騰iSVG；無功補償；諧波；電能質量

1　引言

隨著建設高產(chǎn)高效現(xiàn)代化礦井目標的實施，石墨礦自動化及信息化程度不斷提高，電力電子設備已經(jīng)廣泛應用于石墨生產(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、非線性設備導致電網(wǎng)電能質量降低，另一方面石墨生產(chǎn)加工各種檢測控制設備對電能質量的要求越來越高，由此產(chǎn)生的矛盾越來越引起人們對石墨生產(chǎn)加工中電能質量問題的重視。

石墨生產(chǎn)加工供電系統(tǒng)中的球磨機、破碎機等負載的使用給電網(wǎng)帶來電壓波動和閃變、功率因數(shù)低、諧波含量超標等電能質量問題，這些都將嚴重危害供電系統(tǒng)和電氣設備的安全經(jīng)濟運行。因此，解決好石墨生產(chǎn)加工供電系統(tǒng)的無功補償和諧波治理問題對于保證系統(tǒng)電能質量及安全運行、降低損耗、提高用電設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)濟效益。

2　工況介紹

雞西某礦業(yè)公司是一家生產(chǎn)石墨的企業(yè)，主要負荷為高壓電機、低壓變頻電機和軟啟動電機。由于高壓電機、低壓變頻電機和軟啟動電機為非線性沖擊負荷，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)定運行，其自身用電也存在著安全隱患。

該公司有一條10kV進線，共有5臺變壓器和1臺高壓電機。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（10.5±2×2.5%）/0.4kV；有1臺變壓器額定容量為400kVA。產(chǎn)線主要非線性負荷為高壓電機、低壓變頻電機和軟啟動電機。

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荷高壓電機、低壓變頻電機和軟啟動電機設備引起的電能質量問題如下：

（1）未投入濾波及無功補償裝置的情況下，低壓變頻電機和軟啟動電機共同運行時產(chǎn)生的5、7、11次諧波電流值超出國家標準規(guī)定的10kV公共連接點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償裝置的情況下，主要沖擊負荷高壓電機啟動時引起的系統(tǒng)電壓波動值為7.8%，超出國標限值的要求（國標限值為3%）；

（3）未投入濾波及無功補償裝置的情況下，進線點（電力部門計量點）的功率因數(shù)值只有0.80。

3　石墨選礦生產(chǎn)工藝

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。產(chǎn)品脫水常采用各種離心脫水機或折帶式過濾機。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行粉碎加工。國內，通常都是直接粉碎成產(chǎn)品出售，流程隱晶質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性質的差異來分離各種細粒的方法。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，從而實現(xiàn)彼此分離。

圖2 浮選工藝流程圖

3.3　本案選礦實例

該廠礦是我國細鱗片石墨的重要產(chǎn)地，年產(chǎn)石墨20000t。根據(jù)多年生產(chǎn)經(jīng)驗，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 石墨礦選礦流程圖

表1 主要的石墨選礦設備表

4　無功補償對石墨生產(chǎn)以及該項目供電系統(tǒng)的影響

隨著本案石墨生產(chǎn)逐漸上軌道，供電系統(tǒng)非線性負荷的大量增加，對電網(wǎng)造成的干擾愈加嚴重和復雜，導致電網(wǎng)供電質量下降。主要是諧波污染與功率因數(shù)降低、電磁干擾。

4.1　無功功率補償

石墨生產(chǎn)加工企業(yè)中存在大量的感性電力負荷，自然功率因數(shù)較低，如不補償，提高系統(tǒng)功率因數(shù)，將造成如下不良影響：

（1）降低發(fā)電機的輸出功率，當發(fā)電機需提高功率無功輸出，低于額定功率因數(shù)運行時，將使發(fā)電機有功輸出降低。

（2）降低了變電、輸電設施的供電能力。

（3）使網(wǎng)絡電力損耗增加（網(wǎng)絡中的電能損失與功率值的平方成正比），如電機、變壓器、電力電纜等。

（4）功率因數(shù)愈低線路的電壓降愈大，使得用電設備的運行條件惡化。

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)濟運行有著重大意義。企業(yè)在考慮提高功率因數(shù)時，應采用靜止無功補償裝置，以提高電力系統(tǒng)的功率因數(shù)，改善供電質量。

4.2　電網(wǎng)諧波

諧波主要由諧波電流源產(chǎn)生：當正弦基波電壓施加于非線性設備時，設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，由于負荷與電網(wǎng)相連，故諧波電流注入到電網(wǎng)中，這些設備就成了電力系統(tǒng)的諧波源。

系統(tǒng)中的主要諧波源可分為兩類：（1）含半導體的非線性元件，如各種整流設備、變流器、交直流換流設備、PWM變頻器等節(jié)能和控制用的電力電子設備；（2）含電弧和鐵磁非線性設備的諧波源，如日光燈、交流電弧爐、變壓器、發(fā)電機組及鐵磁諧振設備等。

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)自身非線性負荷用電設備，如大容量整流裝置、變頻器等。嚴重的諧波污染對供配電系統(tǒng)的電能質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??；功率因數(shù)降低；供、配、用電設備發(fā)熱嚴重，電網(wǎng)供電能力（容量）下降，用電設備的利用率降低；線路和變壓器損耗增加并加速老化；電子設備及控制系統(tǒng)受干擾而無法正常工作，繼電器誤動作。

5　項目實施方案

本案在雞西某礦業(yè)公司10kV母線安裝1套動態(tài)無功補償裝置，動態(tài)補償方案采用加裝英威騰iSVG系列高壓靜止無功發(fā)生器，iSVG補償容量為±3.5MVar，通過iSVG對整個系統(tǒng)進行集中補償，總補償容量為-3.5MVar～+3.5MVar，補償后功率因數(shù)可達0.95以上。同時低壓變頻電機和軟啟動電機共同運行時產(chǎn)生的各次諧波電流值均滿足國家標準規(guī)定的10kV公共連接點的諧波電流注入允許值的要求。

圖4 英威騰iSVG系列高壓靜止無功發(fā)生器電氣連接示意圖

主開關柜QF向iSVG系列高壓靜止無功發(fā)生器供電，英威騰iSVG裝置并聯(lián)在10kV母線側，對系統(tǒng)進行集中補償。整套無功補償裝置運行操作步驟如下：

（1）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，當前觸摸屏顯示QF、KM1、KM2均未合閘，iSVG為待機狀態(tài)；

（2） 用戶操作閉合用戶開關柜斷路器QF，將高壓電送至SVG裝置，當前觸摸屏顯示QF斷路器為閉合狀態(tài)，裝置仍處于待機狀態(tài)；

（3） 將控制柜面板上本地/遠程按鈕旋到本地狀態(tài)，點擊觸摸屏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；

（4） 運行就緒等待時間到達后，設置運行就緒等待時間為12s，即12s后，就緒燈亮，裝置進入就緒狀態(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；

（5）確認就緒燈點亮后，點擊觸摸屏主界面運行按鈕；

（6）確認裝置運行指示燈點亮，裝置進入并網(wǎng)運行狀態(tài)。

5.1　系統(tǒng)二次回路控制方案

英威騰iSVG系列高壓靜止無功發(fā)生器控制系統(tǒng)具有就地監(jiān)控方式和遠程監(jiān)控方式（DCS遠程控制系統(tǒng)），兩種功能可以在操作面板上設定。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，可以修改相關配置參數(shù)。

5.2　英威騰 iSVG系列高壓靜止無功發(fā)生器運行特點

（1）并網(wǎng)電流無沖擊

采用精確的電網(wǎng)同步技術和自勵啟動技術，并網(wǎng)電流無沖擊。

（2）矢量控制，響應速度小于5ms

對快速沖擊負荷和閃變具有更好的補償效果。

圖5 感性到容性電流階躍響應

（3）補償功能多樣化

具有無功補償、諧波補償、穩(wěn)壓補償、三相不平衡補償?shù)?span style="text-indent: 2em;">功能。

圖6 無功補償輸出電壓電流波形電力能源

6　效益分析

6.1　設備效益

（1）電能質量改善

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母線進行無功和諧波補償后，系統(tǒng)功率因數(shù)提高；低壓變頻電機和軟啟動電機共同運行時產(chǎn)生的各次諧波電流值均滿足國家標準規(guī)定的10kV公共連接點的諧波電流注入允許值的要求；高壓電機啟動時引起的系統(tǒng)電壓波動也滿足國標限值的要求。iSVG裝置投入運行后，大大的改善用戶電能質量，提高了用戶用電設備的使用壽命。

圖7 英威騰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)電能質量對比

（2）減少工作量、無需專人值守

英威騰iSVG高壓靜止無功發(fā)生器是新一代無功補償裝置，iSVG自動采集系統(tǒng)電壓、電流信號，通過控制系統(tǒng)處理后計算系統(tǒng)所需的無功和諧波情況，最后發(fā)出；響應時間小于5ms；同時iSVG具有多達十幾種保護功能，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 英威騰iSVG系列高壓靜止無功發(fā)生器現(xiàn)場圖片

6.2　經(jīng)濟效益

（1）合規(guī)

雞西某礦業(yè)公司當?shù)仉娔苜|量考核標準為功率因數(shù)0.90，未使用英威騰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0.95，避免被罰款。

（2）電能質量達標獎勵

使用英威騰iSVG系列高壓靜止無功發(fā)生器后，系統(tǒng)功率因數(shù)可達0.95。按照國家標準月電費少交0.75%，且可獲得當?shù)仉娋W(wǎng)公司獎勵。

7　結束語

隨著國家對生產(chǎn)企業(yè)的供電網(wǎng)絡電能質量標準的進一步提高，而且響應“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)濟運行水平起到了很大的促進作用，它將能大大加強該石墨礦電網(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)定運行具有重大的意義。

參考文獻：

[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[Z].

[2] 董宗斌. SVG動態(tài)無功補償無功補償裝置在煤礦中的應用[J]. 水利采煤及管道運輸. 2010, 6.

摘自《自動化博覽》2020年9月刊