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《礦熱爐低壓無功補償優化設計方案》
葉辛1，許朝陽2，郭松2，段志強3 國網冀北電力有限公司，南瑞（武漢）電氣設備與工程能效測評中心，國網湖北省電力公司經濟技術研究院
摘要：本文通過對礦熱爐3種無功補償方式的綜合分析，設計了一種合理的低壓無功補償方案。重點分析了設計方案、投切的依據以及低壓側補償所涉及相關關鍵參數的計算．并選用了適用于礦熱爐低壓動態無功補償系統的新型組合式電容投切開關。實際工程案例表明該方案能有效提升礦熱爐的功率因數、降低系統能耗，可作為礦熱爐無功補償系統設計的參考。 關鍵詞：礦熱爐；無功補償；功率因數；能耗
0 引言 礦熱爐是一種耗電量巨大的工業電爐，廣泛應用于鐵合金冶煉和化學制造等工業領域中，主要用于還原冶煉礦石、碳質還原劑及溶劑等原料。礦熱爐在電氣結構上大致可分為4個部分：電爐變壓器、短網系統、熔池和電極。由于短網是一種低電壓、大電流的系統，且其電抗相對較大，會消耗大量無功容量．礦熱爐的性能受短網影響嚴重，功率因數普遍較低，大型礦熱爐的功率因數大都低于0.65。過低的功率因數會降低電爐變壓器運行效率，再加上熔池與電極工藝上的缺陷，礦熱爐三相不平衡度狀況較為嚴重。對于正在設計中的礦熱爐，可通過2種途徑提升電爐的自然功率因數：一是通過合理設計爐膛、電極與極心圓直徑等爐體尺寸使之與電爐變壓器相匹配；二是在確定最佳工藝與設備參數的同時控制入爐料的成分與質量，做到精料人爐。對于已經建成的礦熱爐而言，只能采取人工補償，且實際中大多采用電容器補償的方法，其補償原理為將產生容性功率的負荷并聯入呈感性的電路系統中，通過容性負荷輸出的無功來補償感性負荷所消耗的無功。傳統的無功補償系統存在以下缺點：電容投切依據單一，達不到較好的改善效果；補償容量不精確，容易造成過補或欠補；投切開關數量多、使用壽命低等。本文針對以上問題，設計了一種合理的礦熱爐低壓無功補償方案。
1 無功補償方式的選擇 我們可以根據補償電容器的安裝位置進行劃分。礦熱爐的無功補償可分為高壓補償、中壓補償和低壓補償3種方式。3種無功補償方式的性能對比見表1。 表1 3種無功補償方式對比表
高壓補償是在變壓器一次側并聯接人電容器組進行無功補償，提高功率因數，中壓補償的補償投入點位于變壓器中壓補償端子，兩者的補償效果只能滿足電力部門對企業功率因數指標的要求，對投入點之后包括變壓器繞組和短網系統的二次側大電流回路沒有任何補償效果，因而對礦熱爐的輸出功率和節能增產無任何提升作用；低壓補償是在變壓器的二次側分相投入電容器組進行無功補償的一種方式，原理如圖1昕示，其補償點位于短網末端靠近電極附近，大量無功電流將不再進入補償點前的變壓器繞組和短網系統，而是直接流入電弧電抗和補償電容所組成的回路，因而不僅能提高礦熱爐系統的功率因數，還能有效地減小三相不平衡度、降低電能損耗，因此本文重點研究低壓無功補償方案。
圖1 低壓補償原理圈
2 系統方案設計 礦熱爐低壓無功補償系統的組成主要包括電壓電流互感器、采集器、系統控制器、補償電容器和投切裝置，如圖2所示。通過互感器對高壓側和低壓側的電壓、電流等數據進行采集，再利用系統計算模塊得出無功補償容量的大小，通過控制器投切相應組數的電容器組。
圖2 低壓無功補償系統
投切的判斷依據包括一次側電流、二次側電壓、無功功率和功率因數等綜合因數，避免了判據單一化的劣勢，例如僅根據二次側電壓或功率因數的大小進行投切．都不能滿足三相的無功平衡，且容易造成電容器的頻繁投切甚至誤投切。具體的投切依據為： 1)滿足下列全部條件，則投入。
2) 滿足下列任一條件，則切除。
3) 其余情況為不動作： 式中：UL為欠壓門限；UH為過壓門限，△U為電壓回差；cosφL為功率因數投入門限，cosφH為功率因數切除門限；IL為欠流門限，IH為過流門限；U、I、cosφ為實時運行的電壓、電流和功率因數；Qcal為無功補償計算值，Qset為無功容量投入門限值。
3 相關參數計算及優化設計 低壓補償方案實施較為復雜，需要充分掌握礦熱爐各項工藝參數、變壓器壓降和短網系統機構，全面了解設備運行的惡劣環境，準確計算補償容量、配置合適的電抗器來降低諧波的干擾，并選用合適的投切開關等。下面針對相關參數計算以及投切開關的優化設計進行詳細說明。 3.1 電抗器參數計算 礦熱爐電弧在結構和性能上的缺陷，例如電弧游動和電弧電阻的非線性因素，導致流經電弧的電流畸變幅度大、三相不平衡嚴重并且產生了大量諧波，其中以3、5、7次諧波比例最大。一旦諧波未能得到治理和抑制，將對各電氣設備帶來巨大損害。此外，對大中型礦熱爐而言補償容量非常大，補償電容器組數較多，會導致合閘涌流沖擊較大。在礦熱爐低壓補償系統中接入串聯電抗器能有效抑制諧波的危害、降低涌流的沖擊。電抗器的電抗率X%計算過程如下：
考慮到電抗器存在不大于10％的調諧偏差率，當X%≥1/(0.9×n)2時，補償回路與電網的綜合電路上呈感性阻抗，類似于接人1個高通濾波器．能有效地抑制諧波。針對礦熱爐的供電網絡而言，為抑制3、5、7次諧波，相應的電抗率取值為：
3.2 電容電壓等級計算 補償電容器的端電壓會由于補償回路接人串聯電抗器而上升，端電壓計算公式為
式中：鞏為電容器的端電壓；砜為變壓器二次側電壓。 考慮到電容器組投入后會使補償回路上的電壓提升，此外短網系統電壓存在一定的波動，因此電容器的額定電壓需要考慮20％的安全裕量。綜上可知，電容器的額定電壓‰的計算公式為
3.3 安裝補償容量計算 補償容量理論值的計算式為
式中：P為礦熱爐平均運行功率；cos妒，、cos壚：分別為補償前與補償后的功率因數。 考慮到電容器的實際容量與其端電壓的平方成正比，由第3.2節可知，電容器端電壓比二次側的電壓值要高，故現場補償容量p。要求比理論計算值大，其大小為：
上式的計算值包含了串聯電抗器的容量，減去電抗器的容量得到的才是實際所需的補償容量值，電抗器容量QL可依據公式QL=X％×QC求得，因此實際所需補償容量值QCN的計算公式為
3.4 補償電容器組數計算 目前用于無功補償的電容器以自愈式并聯電容為主．其額定容量范圍為1～60 kvar。電容器容量越大，過熱等其他問題出現的概率就會越大，考慮到礦熱爐二次側無功補償現場環境溫度較高，因此單體電容器容量不宜選擇過大，通常選用20krar。系統采用分相補償的方式，將實際所需補償容量值除以3得到每相的補償容量，再根據單體電容容量(20 kvar)來選擇合適的組數。
3.5投切開關的優化設計 電容投切開關作為低壓無功補償技術中的重點研究對象之一，是用于投切所有電容器組的核心開關器件。以往選用的投切方式主要包括機械接觸式投切、晶閘管投切以及將晶閘管、接觸器組合并聯運行的復合開關投切等，通常只能用于單回路投切電容，且自身都存在一定的問題。接觸器投切時投切損耗大，無法過零投切，投切頻率上限過低，觸頭容易灼燒且極易損壞；晶閘管投切開關成本偏高，受電流沖擊影響大，投切過程損耗較大、發熱現象嚴重；復合開關造價較高，各性能指標均較為理想，但控制方式唯一且受負荷能力過低。各投切開關的綜合比較見表2。
表2 各投切開關的比較情況
本方案采用的是由多個無能耗靜態接觸器構成的接觸器組和晶閘管所組成的新型組合式投切開關，其原理如圖3所示，
圖3 組合式電容投切開關原理圖
圖3利用1個晶閘管控制多個接觸器投切各路電容器組，KJ1和KJ2分別為第1組至第N組所有的選擇接觸器和執行接觸器。投入過程采取零電壓投入能提高電容的投切能力，降低支路上的涌流沖擊；且多組接觸器共享同一回路減少了投切開關路數，大大降低了造價成本。 具體的實現方案是：組合式電容投切開關包括1個晶閘管和N路投切接觸器組，每路投切接觸器組包括1個選擇接觸器和1個執行接觸器．其中N大于等于2，所有選擇接觸器KJ1輸入端連接在一起構成投切母線。晶閘管連接在相線與投切母線之間，其中每1路投切接觸器組包括選擇接觸器KJ1、執行接觸器KJ2，電容輸出端連接零線或另外一路相線，電容輸入端分別與選擇接觸器KJ1和執行接觸器KJ2輸出端連接；選擇接觸器KJl的輸入端與晶閘管的輸出端相連接；執行接觸器KJ2的輸入端與晶閘管連接的相線相連接。 系統根據無功補償容量的大小決定投入電容器的組數，依照“循環投切”的原則進行投切，即電容組的切除順序按照投入時的順序進行，這樣能均衡電容的利用率，避免單一電容頻繁使用，延長了整體電容器組平均使用年限。
4 工程案例驗證 某冶金企業25 MVA礦熱爐補償前其自然功率因數僅為0.702，未達到國家規定的0.9以上，導致電力部門對企業的罰款；且產品單耗達到8 356 kWh/t，巨額的電費支出和罰款大大降低了企業的利潤。為了提高礦熱爐的功率因數避免電力部門的罰款、降低能耗減少電費支出，在其低壓側安裝無功補償系統，同時驗證本方案實際的無功補償效果。 通常補償后功率因數的理論設定值不要高于0.95，以免出現過補的情況，進一步加大系統的損耗。以提高功率因數至0.95計算得出補償總容量為17.3 Mvar，投入補償后各項電力參數的對照情況見表3。
表3 投入補償后相關數據的對比
從表3可知，實施低壓補償方案后功率因數由0.702提高到0。965，電爐單耗由8 356 kWh/t降低至7 771 kWh/t，節電率達到了7%。實際結果表明無功補償效果顯著，能有效提高系統的功率因數、改善電能質量，為企業帶來良好的經濟效益。
5 結束語 設計合理的低壓無功補償方案能有效解決礦熱爐運行過程中功率因數低、電能質量差等問題，對冶煉企業節能減排、增產創收具有重大意義。需要注意的是，在進行低壓補償時，必須經過充分的現場勘察和測量，對補償點的選取、各元器件的參數及選型進行全面掌握、精準計算，保證補償設備的可靠穩定，確保在改善礦熱爐電力指標的同時系統能夠長期安全運行。 |
