关键词：无功补偿 谐波 电能质量
随着建设高产高效现代化矿井目标的实施，石墨矿自动化及信息化程度不断提高，电力电子设备已经广泛应用于石墨生产加工生产的各个环节。一方面石墨生产加工中大功率、非线性设备导致电网电能质量降低，另一方面石墨生产加工各种检测控制设备对电能质量的要求越来越高，由此产生的矛盾越来越引起人们对石墨生产加工中电能质量问题的重视。
石墨生产加工供电系统中的球磨机、破碎机等负载的使用给电网带来电压波动和闪变、功率因数低、谐波含量超标等电能质量问题，这些都将严重危害供电系统和电气设备的安全经济运行。因此，解决好石墨生产加工供电系统的无功补偿和谐波治理问题对于保证系统电能质量及安全运行、降低损耗、提高用电设备效率等具有重要意义。另外也会为企业节约电能、避免因功率因数低而造成罚款，给企业带来经济效益。
鸡西某矿业有限公司是一家生产石墨的企业，主要负荷为高压电机、低压变频电机和软启动电机。由于高压电机、低压变频电机和软启动电机为非线性冲击负荷，生产时不但产生谐波，而且还有无功冲击。大量无功以及谐波电流的存在，既影响电网安全稳定运行，其自身用电也存在着安全隐患。
该公司有一条10kV进线，共有5台变压器和1台高压电机。其中，有3台变压器型号均为SC11-2000/10，额定容量均为2000kVA，联接组别均为Dyn11，额定电压比均为（10.5±2×2.5%）/0.4kV；有1台变压器型号为SC11-630/10，额定容量为630kVA，联接组别为Dyn11，额定电压比为（10.5±2×2.5%）/0.4kV；有1台变压器额定容量为400kVA。主要非线性负荷为高压电机、低压变频电机和软启动电机。
图1：鸡西某矿业公司主接线示意图
鸡西某矿业公司主要非线性冲击负荷高压电机、低压变频电机和软启动电机设备引起的电能质量问题如下：
（1） 未投入滤波及无功补偿装置的情况下，低压变频电机和软启动电机共同运行时产生的5、7、11次谐波电流值超出国家标准规定的10kV公共连接点的谐波电流注入允许值的要求。其中，5次谐波电流为15.9A(允许值为2.7A)，7次谐波电流为7.3A(允许值为2.4A)，11次谐波电流为2A(允许值为1.9A)。
（2） 未投入滤波及无功补偿装置的情况下，主要冲击负荷高压电机启动时引起的系统电压波动值为7.8%，超出国标限值的要求（国标限值为3%）。
（3）未投入滤波及无功补偿装置的情况下，进线点（电力部门计量点）的功率因数值只有0.80。
3.1 石墨选矿方法
石墨的可浮性好，目前多用浮选法。浮选常采用FW、XJK型浮选机。产品脱水常采用各种离心脱水机或折带式过滤机。产品分级多采用高方筛，少数采用平而摇动筛、旋回筛。
晶质鳞片石墨多采用粗精矿再磨再选的浮选流程，浮选工艺流程一般为多段磨矿、多段选别、中矿顺序(或集中)返回的闭路流程，以便尽早选出大鳞片石墨。
隐晶质石墨晶体极小，石墨颗粒常常嵌布在粘土中，分离很困难。许多石墨矿山将采出的矿石直接进行粉碎加工。国内，通常都是直接粉碎成产品出售，流程隐晶质石墨选矿加工流程一般为：原矿→粗碎→中碎→烘干→磨矿→分级→包装。
3.2 浮选简介
浮选主要指泡沫浮选，是按矿物表面物理化学性质的差异来分离各种细粒的方法。将疏水的有用矿物粘附在气泡上，亲水的脉石矿物留在水中，从而实现，从而实现彼此分离。
图2：浮选工艺流程图
3.3 本案选矿实例
该厂矿位于黑龙江省鸡某市附近，是我国细鳞片石墨的重要产地，年产石墨20000t。根据多年生产经验，该矿采用4次再磨，6次精选的流程，最终产品品位为89—90％。
图3：柳毛石墨矿选矿流程图
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序号 |
设备名称 |
型号规格 |
台数 |
用途 |
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1 |
颚式破碎机 |
300×380，t/h |
1 |
粗碎 |
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2 |
颚式破碎机 |
380×280，t/h |
1 |
粗碎 |
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3 |
锤式破碎机 |
800×600，t/h |
2 |
中碎 |
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4 |
锥形球磨机 |
2100×900，23.5r/min |
1 |
粗磨 |
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5 |
耙式分级机 |
1400×6000，16.5r/min |
1 |
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6 |
搅拌槽 |
Φ2108×2200，220r/min |
1 |
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7 |
浮选机 |
FW-24型，XJK-2.8 |
37 |
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8 |
球磨机 |
1000×3500，33.5r/min，装钢段3.5t |
1 |
再磨 |
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9 |
球磨机 |
900×2200，38r/min，装钢段2.2t |
2 |
再磨 |
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10 |
球磨机 |
900×3000，40r/min，装钢段3.0t |
1 |
再磨 |
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11 |
真空过滤机 |
10m2 |
1 |
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12 |
烘干炕 |
4000×18000mm |
1 |
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13 |
分级筛 |
2500×500mm |
2 |
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表1：主要的石墨选矿设备表
随着本案石墨生产逐渐上轨道，供电系统非线性负荷的大量增加，对电网造成的干扰愈加严重和复杂，导致电网供电质量下降。主要是谐波污染与功率因数降低、电磁干扰。
4.1 无功功率补偿
石墨生产加工企业中存在大量的感性电力负荷，自然功率因数较低，如不补偿，提高系统功率因数，将造成如下不良影响：
（1）降低发电机的输出功率，当发电机需提高功率无功输出，低于额定功率因数运行时，将使发电机有功输出降低。
（2）降低了变电、输电设施的供电能力。
（3）使网络电力损耗增加（网络中的电能损失与功率值的平方成正比），如电机、变压器、电力电缆等。
（4）功率因数愈低线路的电压降愈大，使得用电设备的运行条件恶化。
可见，提高功率因数不仅对电力系统，而且对本企业的经济运行有着重大意义。企业在考虑提高功率因数时，应采用静止无功补偿装置，以提高电力系统的功率因数，改善供电质量。
4.2 电网谐波
谐波主要由谐波电流源产生：当正弦基波电压施加于非线性设备时，设备吸收的电流与施加的电压波形不同，电流因而发生了畸变，由于负荷与电网相连，故谐波电流注入到电网中，这些设备就成了电力系统的谐波源。
系统中的主要谐波源可分为两类：① 含半导体的非线性元件，如各种整流设备、变流器、交直流换流设备、PWM变频器等节能和控制用的电力电子设备；② 含电弧和铁磁非线性设备的谐波源，如日光灯、交流电弧炉、变压器、发电机组及铁磁谐振设备等。
工业企业供电系统中的高次谐波除来自外部电源，主要产生于企业自身非线性负荷用电设备，如大容量整流装置、变频器等。
严重的谐波污染对供配电系统的电能质量造成了极大的危害，如：电流和电压波形畸变；电压波动及闪变加剧；功率因数降低；供、配、用电设备发热严重，电网供电能力（容量）下降，用电设备的利用率降低；线路和变压器损耗增加并加速老化；电子设备及控制系统受干扰而无法正常工作，继电器误动作。
本工程在鸡西某矿业公司10kV母线安装1套动态无功补偿装置，动态补偿方案采用加装iSVG系列高压静止无功发生器，iSVG补偿容量为±3.5MVar，通过iSVG对整个系统进行集中补偿，总补偿容量为-3.5MVar～+3.5MVar，补偿后功率因数可达0.95以上。同时低压变频电机和软启动电机共同运行时产生的各次谐波电流值均满足国家标准规定的10kV公共连接点的谐波电流注入允许值的要求。
图4：iSVG系列高压静止无功发生器电气连接示意图
主开关柜QF向iSVG系列高压静止无功发生器供电，iSVG装置并联在10kV母线侧，对系统进行集中补偿。整套无功补偿装置运行操作步骤如下：
* 二次控制系统上电，观察控制面板指示灯，此时指示灯均不亮，当前触摸屏显示 QF、KM1、KM2 均未合闸，iSVG 为待机状态；
* 用户操作闭合用户开关柜断路器QF，将高压电送至SVG 装置，当前触摸屏显示QF 断路器为闭合 状态，装置仍处于待机状态；
* 将控制柜面板上本地/远程按钮旋到本地状态，点击触摸屏KM2 闭合接触器，主接触器KM2闭合，触摸屏显示KM2 闭合，装置状态提示充电中；
* 运行就绪等待时间到达后，设置运行就绪等待时间为 12S，即12S后，就绪灯亮，装置进入就绪 状态；若12s后就绪灯仍处于熄灭状态且故障灯亮，则说明装置有故障，需要排除故障后再启机。
* 确认就绪灯点亮后，点击触摸屏主界面运行按钮；
* 确认装置运行指示灯点亮，装置进入并网运行状态。
5.1 系统二次回路控制方案
iSVG系列高压静止无功发生器控制系统具有就地监控方式和远程监控方式（DCS远程控制系统），两种功能可以在操作面板上设定。在就地监控方式下，通过装置上的触摸屏显示无功、电流、电压等参数，可就地启动、停止装置，可以修改相关配置参数。
5.2 iSVG系列高压静止无功发生器运行特点
1) 并网电流无冲击：采用精确的电网同步技术和自励启动技术，并网电流无冲击。
2) 矢量控制，响应速度小于5ms：采用矢量控制，响应时间小于5ms。对快速冲击负荷和闪变具有更好的补偿效果。
图5 感性到容性电流阶跃响应
3) 补偿功能多样化：具有无功补偿、谐波补偿、稳压补偿、三相不平衡补偿等功能
图6 无功补偿输出电压电流波形
6.1设备效益
6.1.1 电能质量改善
使用iSVG高压静止无功发生器装置对鸡西某矿业公司整体10kV母线进行无功和谐波补偿后，系统功率因数提高；低压变频电机和软启动电机共同运行时产生的各次谐波电流值均满足国家标准规定的10kV公共连接点的谐波电流注入允许值的要求；高压电机启动时引起的系统电压波动也满足国标限值的要求。iSVG装置投入运行后，大大的改善用户电能质量，提高了用户用电设备的使用寿命。
图7：iSVG系列高压静止无功发生器投入使用前后现场电网电能质量对比
6.1.2 减少工作量、无需专人值守
iSVG高压静止无功发生器是新一代无功补偿装置，iSVG自动采集系统电压、电流信号，通过控制系统处理后计算系统所需的无功和谐波情况，最后发出。响应时间小于5ms。同时iSVG具有多达十几种保护功能，可以确保整套装置的安全性。无需专人值守、操作，装置也可正常使用。
图8：iSVG系列高压静止无功发生器现场图片
6.2 经济效益
6.2.1合规
鸡西某矿业公司当地电能质量考核标准为功率因数0.90，未使用iSVG系列高压静止无功发生器，功率因数为0.80。用iSVG后，系统功率因数可达0.95，避免被罚款。
6.2.2 电能质量达标奖励
使用iSVG系列高压静止无功发生器后，系统功率因数可达0.95。按照国家标准月电费少交0.75%，且可获得当地电网公司奖励。
随着国家对生产企业的供电网络电能质量标准的进一步提高，而且响应“绿色，环保，低碳”的口号，为SVG产品的推广提供了广阔的应用前景。通过本方案分析,可以看到深圳市英威腾电气股份有限公司iSVG系列高压静止无功发生器对于鸡西某石墨生产企业系统供电系统的安全和经济运行水平起到了很大的促进作用,它将能大大加强该石墨矿电网一次、二次系统的效能和可靠性,对保证电网安全稳定运行具有重大的意义。
参考文献：
【1】深圳市英威腾电气股份有限公司 《iSVG高压静止无功发生器说明书》
【2】董宗斌 《SVG动态无功补偿无功补偿装置在煤矿中的应用》水利采煤及管道运输 2010年6月
