鋼鐵企業(yè)的功率因數(shù)和無功補償方式選擇

張渝南

[摘要]結(jié)合鋼鐵企業(yè)的情況,表述鋼鐵企業(yè)功率因數(shù)現(xiàn)狀和無功補償方式。

[關(guān)鍵詞]鋼鐵企業(yè) 功率因數(shù) 無功補償

中圖分類號:TF0文獻標(biāo)識碼:A文章編號:1671-7597(2009)0920035-02

鋼鐵企業(yè)中有大量的感性負(fù)荷,因此鋼鐵企業(yè)的自然功率因數(shù)比較低,這樣造成的影響有:降低了系統(tǒng)發(fā)電機的輸出有功功率、降低了變電和輸電設(shè)施的供電能力、增加了供電網(wǎng)絡(luò)的損耗、增加了輸電線路的電壓降。鑒于功率因數(shù)的高低對發(fā)、供、用電設(shè)備的充分利用、節(jié)約電能和改善電壓質(zhì)量有著重要影響。為了提高用電用戶的功率因數(shù)并保持其均衡,按原水利電力部、國家物價局(83)水電財字第215號文件中規(guī)定,“功率因數(shù)標(biāo)準(zhǔn)0.90,試用于160千伏安(千瓦)以上的高壓供電工業(yè)用戶(包括社隊工業(yè)用戶)、裝有帶負(fù)荷調(diào)整電壓裝置的高壓供電電力用戶3200千伏安及以上的電力排灌站…”,并且在以0.90為標(biāo)準(zhǔn)的功率因數(shù)調(diào)整電費表中,對0.90以上的功率因數(shù)減少電費,對0.90以下的功率因數(shù)增加電費。由以上可看出,提供功率因數(shù)不僅對電力系統(tǒng),對鋼鐵企業(yè)的經(jīng)濟運行有重大意義。

在考慮提高功率因數(shù)時,應(yīng)首先提高企業(yè)用電設(shè)備的自然功率因數(shù),當(dāng)采取設(shè)施后還達不到電力部門的要求時,才考慮人工補償。

一、提高鋼鐵企業(yè)自然功率因數(shù)的措施

鋼鐵企業(yè)無功功率消耗,一般感應(yīng)電機占70%,變壓器占20%,線路占10%。因此提供鋼鐵企業(yè)的功率因數(shù),應(yīng)從降低感應(yīng)電機無功損耗和降低變壓器無功損耗著手:

(一)降低感應(yīng)電機的無功損耗

1.提供電機的負(fù)載率,使其接近滿載運行。根據(jù)感應(yīng)電機的性能和特性,感應(yīng)電機的功率因數(shù)、效率與負(fù)荷率的關(guān)系,見圖1。

由圖1可以看出,感應(yīng)電機的最高效率,一般在3/4負(fù)載至滿載期間出現(xiàn),而功率因數(shù)則在滿負(fù)荷時最高,因此使用適當(dāng)容量的電機,使其接近滿載運行,不但能節(jié)約用電,而且可以提高功率因數(shù),降低無功損耗。在鋼鐵企業(yè)中,選擇電機容量時,一般是按電機最大出力的情況下,考慮了一定的余度,又將電機額定容量靠上一級的標(biāo)準(zhǔn)容量,因此在實際運行時電機很少運行在滿載情況,甚至經(jīng)常運行在50%負(fù)載率或更低的情況。這就需要設(shè)計院在設(shè)計時就要選擇合適的電機,使電機能經(jīng)濟合理地運行。

2.降低輕負(fù)載感應(yīng)電機的電壓

感應(yīng)電機降壓運行后,因降低了磁通,無功功率顯著減少。不同負(fù)載時,改變電機電壓對功率因數(shù)的影響見圖2。由圖2可看出,降壓運行對電機功率因數(shù)的改變具有很明顯的改善。但由于電機電壓與輸出轉(zhuǎn)矩的平方成正比關(guān)系,降低電機定子電壓后,會使電機的輸出轉(zhuǎn)矩降低很多,所以對輕負(fù)載電機才能采用這種方式。降低感應(yīng)電機的電壓有兩種方式:降低電機的電源電壓;改變電機的內(nèi)部接線。

3.用同步電機代替感應(yīng)電機

同步電機與感應(yīng)電機相比,同步電機轉(zhuǎn)速恒定不變,與負(fù)載大小沒有關(guān)系;而且同步電機的功率因數(shù)可以調(diào)節(jié),能夠在cosφ=1的情況下運行;在運行中還可以調(diào)節(jié)勵磁電流,使同步電機在超前功率因數(shù)情況下運行,從而改善整個電網(wǎng)的功率因數(shù),這是感應(yīng)電機不能做到的。

過去由于同步電機的啟動問題不能很好解決,而且勵磁電流還需要直流電源,因而限制了同步機的應(yīng)用,隨著工業(yè)的發(fā)展,同步電機采用了異步啟動,又采用了可控硅整流裝置作為勵磁電源,使同步電機的應(yīng)用廣泛起來。在鋼鐵企業(yè)中有一些大型的電動機往往是采用的同步電機,例如:高爐鼓風(fēng)站的鼓風(fēng)機、制氧站的氧壓機、燒結(jié)廠的燒結(jié)機等等,這些電機都有不需要調(diào)速、負(fù)載平穩(wěn)、且長期運行的特點,采用同步機后能很好地改善鋼鐵企業(yè)的功率因數(shù)。

(二)降低變壓器的無功損耗

變壓器的無功功率損耗包括兩個方面:一個是空載無功損耗;另一個是負(fù)載無功損耗。要控制變壓器的無功損耗必須要做到:避免變壓器輕載運行,切除空載運行的變壓器。

1.變壓器的無功損耗與變壓器本身的空載電流和短路阻抗有關(guān),因此為了降低變壓器的無功損耗,在選擇變壓器時,首先應(yīng)選擇低損耗的變壓器,其次變壓器的有功和無功損耗與變壓器的負(fù)載率有關(guān),變壓器的負(fù)載率與功率因數(shù)關(guān)系見圖3。

圖3表示變壓器的二次側(cè)功率因數(shù)維持不變,而負(fù)載率變化時,一次側(cè)功率因數(shù)的變化情況?？梢?負(fù)載率越低,通過變壓器以后,一次側(cè)功率因數(shù)下降得越低。根據(jù)國內(nèi)電網(wǎng)運行經(jīng)驗,為了節(jié)約有功損耗,降低無功功率在電網(wǎng)中的環(huán)流,提高功率因數(shù),變壓器的負(fù)載小于30%時,都應(yīng)更換成較小容量的變壓器;變壓器的負(fù)載率為30%～60%時,經(jīng)過技術(shù)經(jīng)濟比較后,再決定是否需要更換變壓器,負(fù)載超過60%是正常的,不需要更換。

在鋼鐵企業(yè)中,為了保證電力系統(tǒng)可靠運行,各工藝設(shè)施和公輔設(shè)施的變壓器均按100%備用容量設(shè)置,即當(dāng)一臺變壓器故障或檢修時,其余的變壓器能滿足100%負(fù)荷容量要求,當(dāng)僅設(shè)置2臺變壓器時,正常運行時每臺變壓器就只有50%的負(fù)載率,有時考慮了擴建的余度,變壓器的負(fù)載率只有30%～40%是較常見的情況。針對這種情況,經(jīng)過技術(shù)經(jīng)濟比較后,可考慮增加變壓器臺數(shù),減少變壓器容量的方法,來增加變壓器的負(fù)載率。例如:380V計算負(fù)荷為2000kVA,可考慮設(shè)置2臺2000kVA的變壓器或3臺1000kVA的變壓器。2臺2000kVA變壓器,正常工作時每臺變壓器平均分負(fù)荷率為50%,而設(shè)置3臺1000kVA的變壓器,正常工作時,每臺變壓器的平均負(fù)荷率為67%。這樣提高了負(fù)荷率,降低了變壓器的無功損耗,還減少了變壓器的安裝容量,降低了投資。當(dāng)然,電氣接線復(fù)雜了,增加了操作的難度。

2.切除空載變壓器

有多臺變壓器并列運行或有多個變電所供電的工礦企業(yè),應(yīng)盡可能在負(fù)載低的時候,如廠休、例假或夜間,適當(dāng)進行調(diào)度,保留必要的變壓器,將多余的切除,以節(jié)約有功損耗和無功損耗。

綜上所述,降低鋼鐵企業(yè)的自然無功損耗,需要從設(shè)計時開始就要貫徹節(jié)約環(huán)保的觀念,首先要選擇節(jié)能降耗的電機和變壓器,其次選擇的電機和變壓器容量不能一味求大,要合適,使電機和變壓器在接近滿載的情況下工作,然后設(shè)計的供配電接線方式要靈活,方便倒換負(fù)荷,方便切除空載電機和變壓器等等。另外在日常的運行及時根據(jù)負(fù)荷情況調(diào)整運行方式。

二、無功補償裝置的選擇

當(dāng)企業(yè)的自然功率因數(shù)不能滿足電力部門的要求時,必須安裝無功功率補償裝置。常見的無功補償裝置有并聯(lián)電容器補償裝置(包括集中補償、分組補償、就地補償?shù)确绞?、同步調(diào)相機、靜止無功補償裝置(SVC)、可控電抗器、柔性控制裝置(STATCOM)等方式。

(一)無功補償?shù)姆诸?/p>

對于采用并聯(lián)電容器進行無功補償,按其在供電系統(tǒng)中安裝的位置來分,可分為集中補償、分組補償、就地補償?shù)确绞健?/p>

1.集中補償,在高、低壓配電所內(nèi)設(shè)置若干組電容器組,電容器接在配電母線上,補償該配電所范圍內(nèi)的無功功率,并使總功率因數(shù)達到所規(guī)定的值以上。這種補償方式只能補償高、低壓母線之前(電源方向)線路上的無功功率,而對于配電母線以下的變壓器和線路的無功功率不能起到補償?shù)淖饔?仍會有大量的無功功率在內(nèi)部線路上流動,并且產(chǎn)生損耗。這種方式在鋼鐵企業(yè)中得到了廣泛地應(yīng)用,原因是它能起到補償無功的作用,投資少,便于集中管理。

2.分組補償,用電設(shè)備的實際負(fù)荷電流是每時每刻都在不斷變化的,三班工作制工廠是如此,二兩班制和一班制的工廠更是如此。最佳效益無功補償目標(biāo)值是由最大計算負(fù)荷(即半小時最大值)決定的,那么在負(fù)荷變低的情況下,電容器就要產(chǎn)生過補,這樣就會產(chǎn)生母線電壓過高,和過多的容性電流流回系統(tǒng)進而會增加系統(tǒng)線路和變壓器上的功率損耗,因此應(yīng)該采用跟隨無功負(fù)荷變化(緩慢地平均變化),而自動投入或切除分組電容器自動功率因數(shù)補償方式就比較適用。對于電機臺數(shù)多,且成組投入或推出的情況多,是一種很好解決無功功率損耗的方式。這種方式在鋼鐵企業(yè)內(nèi)正在逐步得到推廣應(yīng)用。

3.就地補償,把無功補償器直接接在異步電機旁或進線端子上。相當(dāng)于把無功電源接到了異步電機旁,使異步電機所需要的大部分無功功率由無功就地補償器供給,無功功率僅在異步電機和并聯(lián)電容器之間流動,從而消除了無功電流在高、低壓線路上的流動,減小了線路負(fù)載電流和損耗,這是一種最徹底的補償方式。而且補償裝置會隨著切除異步機而切除,不會產(chǎn)生過補償?shù)那闆r。對于異步電機容量較大,長期輕載運行和供電線路較長等情況,采用此種方式節(jié)電效果最顯著。但對于頻繁開停或正反轉(zhuǎn)的異步電機等不要采用這種方式。

綜上所述,集中補償、分組補償、就地補償?shù)确绞礁饔兴L,應(yīng)根據(jù)實際情況來確定。建議采用三種方式相結(jié)合的設(shè)施,相互彌補,更好地發(fā)揮補償效果。

(二)同步調(diào)相機

改變同步電動機的勵磁電流的大小,可以控制它從電網(wǎng)中吸收無功功率或輸出無功功率,根據(jù)這個原理制造出的調(diào)相機即為空載運行的同步電動機。調(diào)相機的價格、運行費用都較高,因此在鋼鐵企業(yè)中很少采用。但同步調(diào)相機可以按照無功負(fù)荷變化,而隨時調(diào)整輸出無功功率,而且可以欠勵磁狀態(tài)下進相運行吸收多余的無功,從而保持無功功率的平衡和電壓穩(wěn)定,因此在電力系統(tǒng)和發(fā)電廠得到了廣泛使用。

(三)靜止無功補償裝置(SVC)

有別于上述的功率自動調(diào)節(jié),都是采用斷路器分組投入或切除電容器組,SVC是采用晶閘管裝置來取代了有觸點的開關(guān),從而使無功能夠平滑地、連續(xù)地、快速地得以調(diào)節(jié)控制。在鋼鐵企業(yè)中,有大量的無功沖擊負(fù)荷,例如:電弧爐、LF爐、軋機等,這些負(fù)荷變化的幅度和速率都很大,且功率因數(shù)都很低,但還各有其特點,例如電弧爐、LF爐的沖擊負(fù)荷,三相不平衡,低次諧波含量高;軋機的沖擊負(fù)荷三相基本平衡,高次諧波含量高。SVC通常由并聯(lián)電容器組(或濾波器)和一個可調(diào)節(jié)電感量的電感元件組成。其補償原理為:QL為無功負(fù)荷(變化的量),QC為SVC中固定的電容器組提供的無功功率(固定的量),QR為SVC中電抗器吸收的無功功率(隨QL成反比例變化),這樣使QL+QR-QC≈0。SVC有很多種類型,鋼鐵企業(yè)中當(dāng)需要補償沖擊無功功率時,目前普遍使用的是TCR+FC型。

(四)可控電抗器

可控電抗器的原理是通過在帶氣隙變壓器的二次側(cè)采用有源的方式注入一個與一次側(cè)電流頻率相同、相位相反的電流,改變變壓器的二次側(cè)注入電流的大小便可實現(xiàn)變壓器主磁通的連續(xù)可調(diào),從而實現(xiàn)變壓器一次側(cè)阻抗的連續(xù)可調(diào)。與現(xiàn)有的可調(diào)電抗器相比,當(dāng)變壓器中帶有氣隙時,該基于磁通可控的可調(diào)電抗器沒有飽和現(xiàn)象,不產(chǎn)生諧波并可以實現(xiàn)電抗值的無級可調(diào)。在鋼鐵企業(yè)中,可應(yīng)用在代替SVC裝置中的TCR。在TCR方案中,由于采用晶閘管調(diào)觸發(fā)角的方式改變電感量,因此必然產(chǎn)生諧波,而采用可控電抗器則不會產(chǎn)生諧波。因可控電抗器造價較低,也可與并聯(lián)無功補償裝置一起使用,實現(xiàn)無功功率平滑地、連續(xù)地、快速地調(diào)節(jié)控制。

(五)柔性控制裝置(STATCOM)

STATCOM應(yīng)用IGBT,在SVC裝置基礎(chǔ)上發(fā)展起來的無功補償裝置,克服了SVC由于呈恒阻抗特性,使得在電壓低時,無法提供所需的無功支持,應(yīng)付突發(fā)事件的能力較弱,而且占地面積大,過多的SVC易引發(fā)系統(tǒng)振蕩的弊端。STATCOM的無功電流輸出可在很大電壓變化范圍內(nèi)恒定,在電壓低時仍能提供較強的無功支撐,并且可從感性到容性全范圍內(nèi)連續(xù)調(diào)節(jié),使得其無功輸出相當(dāng)于同容量SVC的1.4～2倍;因STATCOM的靈活調(diào)壓,還可以大大減少變壓器分接頭的切換次數(shù),從而減少分接頭故障次數(shù)。另外,STATCOM還可以抑制電壓閃變,提高系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定水平,結(jié)合我國的國情和已有的技術(shù),發(fā)展STATCOM應(yīng)是解決我國電壓穩(wěn)定問題的有效手段。STATCOM

和SVC相比具有如下優(yōu)勢:

1.響應(yīng)時間快,可達10ms～20ms,特別適合用在鋼鐵企業(yè)沖擊無功變化較快的場所,如:電弧爐和LF爐;

2.不會引起諧振短路,雖然該裝置仍然采用并聯(lián)型結(jié)構(gòu),但是它與電網(wǎng)之間有連接電抗器,因此不會出現(xiàn)并聯(lián)諧振現(xiàn)象;

3.可以吸收無功和發(fā)出無功,從感性到容性全范圍內(nèi)連續(xù)調(diào)節(jié),該裝置不僅可以應(yīng)用在感性負(fù)荷場合,還可以應(yīng)用在容性負(fù)荷的場合;

4.精準(zhǔn)電壓控制,該裝置除了可以按照功率因數(shù)或者無功功率控制之外,還可以按照電壓幅值來控制,確保用戶獲得的電壓的平穩(wěn)性,降低電壓紋波;

5.具有自適應(yīng)功能,實現(xiàn)了動態(tài)補償,可對頻率和大小都變化的諧波以及變化的無功功率進行補償,對補償對象的變化有極快的響應(yīng);

6.可同時對諧波和無功功率進行補償,補償無功功率時不需要儲能元件,補償諧波時所需儲能元件的容量不大,且補償無功功率的大小可以做到連續(xù)調(diào)節(jié)。

有上可看出,STATCOM裝置代表了現(xiàn)階段無功補償和電能質(zhì)量控制的發(fā)展方向,值得我們進一步學(xué)習(xí)、研究和推廣。

三、總結(jié)

鋼鐵企業(yè)無功補償?shù)哪康脑谟诮档推髽I(yè)無功損耗,滿足電力部門對電能質(zhì)量的要求。要達到這個目的,應(yīng)根據(jù)負(fù)荷的特性、電網(wǎng)的情況、結(jié)合企業(yè)本身的特點確定補償?shù)姆绞?經(jīng)濟、可靠、安全地用電,為企業(yè)生產(chǎn)服務(wù)。

參考文獻:

[1]《鋼鐵企業(yè)電力設(shè)計手冊》編委會,《鋼鐵企業(yè)電力設(shè)計手冊》.

[2]陸安定主編,《功率因數(shù)與無功補償》,上?？茖W(xué)普及出版社.