大型礦熱電爐廠的供電設(shè)計(jì)

李學(xué)文

(昆明有色冶金設(shè)計(jì)研究院股份公司，云南昆明650051)

大型礦熱電爐廠的供電設(shè)計(jì)

李學(xué)文

(昆明有色冶金設(shè)計(jì)研究院股份公司，云南昆明650051)

隨著礦熱電爐大型化的發(fā)展，電爐變壓器容量的不斷提升，礦熱電爐的供電設(shè)計(jì)出現(xiàn)了一些新問(wèn)題。通過(guò)在大型礦熱電爐設(shè)計(jì)中的經(jīng)驗(yàn)，闡述大型礦熱電爐供電設(shè)計(jì)中所出現(xiàn)的新問(wèn)題及處理方案。

大型礦熱電爐;一次繞組連接;高低壓聯(lián)合補(bǔ)償;防火;排油;余熱發(fā)電并網(wǎng)

0 引言

根據(jù)國(guó)家產(chǎn)業(yè)政策要求，礦熱電爐朝著大型化的方向發(fā)展，小型礦熱電爐將逐漸被淘汰。隨著礦熱電爐容量的不斷提升，其供電系統(tǒng)越來(lái)越大，電壓越來(lái)越高，礦熱電爐的供電設(shè)計(jì)出現(xiàn)了不少新問(wèn)題。該文針對(duì)在大型礦熱電爐供電設(shè)計(jì)中遇到的新問(wèn)題展開(kāi)討論，并提出了解決方案。

1 配電裝置設(shè)置和控制

現(xiàn)在新建的礦熱電爐一般都是大型電爐，電爐變壓器容量一般都在25 MVA及以上，變壓器一次電壓都為110 kV。

對(duì)于110 kV電壓等級(jí)的配電裝置，由于其配電裝置自身的體積和安全要求，不宜配置在電爐車(chē)間內(nèi)，需要獨(dú)立配置，一般配置在距電爐車(chē)間有一定距離的總降壓站內(nèi)。

總降壓站應(yīng)盡量設(shè)置在靠近電爐車(chē)間的地方，盡可能靠近負(fù)荷中心，減小配電距離。但由于工藝的要求和地形、進(jìn)出線(xiàn)、通道等各種條件的限制，通常總降壓站到電爐車(chē)間之間總有一段距離，最好能控制在500 m以下，以盡量減少配電費(fèi)用。

110 kV配電設(shè)備應(yīng)該選用GIS組合電氣，可有效縮小總降壓站的占地面積，利于靠近電爐車(chē)間。不宜采用分離元件露天布置，因?yàn)榇笮偷V熱電爐廠的總降壓站都擁有多臺(tái)電爐，加上動(dòng)力變壓器，110 kV回路很多，需要采用雙母線(xiàn)接線(xiàn)。這種接線(xiàn)采用露天布置占地面積很大，總圖上很難處理，而且，電爐車(chē)間附近粉塵較大，給配電設(shè)備的運(yùn)行和維護(hù)造成了一定的困難。

電爐的配電設(shè)備不設(shè)置在電爐車(chē)間內(nèi)，但控制不能離開(kāi)電爐車(chē)間的控制室。所以，電爐110kV開(kāi)關(guān)的控制應(yīng)采用遠(yuǎn)方控制模式，控制權(quán)應(yīng)該在電爐控制室，總降壓站沒(méi)有開(kāi)關(guān)的操作權(quán)。總降壓站在開(kāi)關(guān)設(shè)備正常時(shí)，應(yīng)給電爐控制室發(fā)出開(kāi)關(guān)正常信號(hào)，把操控權(quán)完全交給電爐控制室。

電爐配電室與總降壓站的信號(hào)傳遞可以采用通訊的方式，但是為了安全可靠，跳閘信號(hào)建議采用專(zhuān)用控制電纜傳輸。最好是兩種方式同時(shí)采用，保證控制的可靠性。

2 大型礦熱電爐變壓器的高壓電源接入方式

最早的考慮是采用架空引入，因?yàn)檫@樣做最直接，最省投資。但實(shí)際實(shí)施非常困難，很多工程幾乎不可能，主要原因如下:

(1)沒(méi)有線(xiàn)路通道。現(xiàn)在的礦熱電爐廠，一般都有多臺(tái)電爐，在電爐車(chē)間多臺(tái)一字排開(kāi)布置。為了工藝的需要，電爐車(chē)間上方需布置進(jìn)料系統(tǒng)，收塵系統(tǒng)等，這些建筑都很高大，跨越有困難，不可能作為架空進(jìn)線(xiàn)的通道;電爐車(chē)間下方一般布置鑄造車(chē)間及后處理車(chē)間，廠房不是很高，從理論上說(shuō)，可以采用跨越房頂架空引入，但多回110 kV架空線(xiàn)路跨越廠房，存在很多安全隱患，不是一個(gè)好的選擇。另外，為了配合架空引入，總降壓站也需采用架空引出方式，配電設(shè)備距離也需拉開(kāi)，使總降壓站的占地面積大幅增加，浪費(fèi)土地資源。

(2)由于大型礦熱電爐通常采用單相變壓器，每臺(tái)爐子的3臺(tái)單相變壓器圍繞電爐對(duì)稱(chēng)布置，3臺(tái)變壓器在3個(gè)方向，即使電源架空引到電爐車(chē)間，要連接到3臺(tái)位于3個(gè)方向的電爐變壓器上，還需在廠房?jī)?nèi)配線(xiàn)，同樣也是一個(gè)不好處理的問(wèn)題。另外車(chē)間內(nèi)還要進(jìn)行電爐變壓器一次線(xiàn)圈的連接，廠房?jī)?nèi)的配電設(shè)計(jì)會(huì)非常困難。

(3)變壓器室為滿(mǎn)足防火要求，應(yīng)采用封閉式。架空進(jìn)入需采用穿墻套管，其費(fèi)用和電纜頭相當(dāng)，這部分費(fèi)用是無(wú)法節(jié)省的。而如果采用半敞開(kāi)式布置，對(duì)于大型帶油設(shè)備，安全是一個(gè)不容忽視的問(wèn)題。

所以，對(duì)于大型礦熱電爐變壓器的高壓電源，建議采用高壓電纜接入方式。這種方式雖然投資高一些，但敷設(shè)通道要求不高，配置靈活。特別是對(duì)于有多臺(tái)電爐的工廠，電纜接入方式更體現(xiàn)出它的優(yōu)越性。

田間試驗(yàn)于2016年5月—2016年11月在江蘇省句容市白兔鎮(zhèn)稻麥輪作田（31°58'N，119°18'E）進(jìn)行。試驗(yàn)地屬于北亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，年平均氣溫為15.1 ℃，年平均降雨量為1018 mm，水稻-小麥輪作是該地區(qū)的主要作物種植制度。供試土壤為發(fā)育于下蜀黃土的爽水性水稻土，其基本理化性質(zhì)為：砂粒（2~0.02 mm）占比為14%，粉粒（0.02~0.002 mm）占比為69%，粘粒（<0.002 mm）占比為17%，全 C11.5 g·kg-1，全 N1.3 g·kg-1，pH6.9。污泥堆肥的理化性質(zhì)見(jiàn)表1。

筆者曾到多家礦熱電爐廠考察，僅看到2個(gè)廠家的3臺(tái)電爐是采用裸線(xiàn)架空進(jìn)線(xiàn)方式，而且電爐變壓器都是三相變壓器，變壓器室為半敞開(kāi)布置，朝廠房外的一面是敞開(kāi)的。

3 單相電爐變壓器一次繞組的連接

大型礦熱電爐一般采用單相變壓器，3臺(tái)單相變壓器圍繞電爐配置在3個(gè)方向，這樣就帶來(lái)了3臺(tái)單相變壓器一次繞組連接的問(wèn)題。

不同的電爐變壓器，有不同的連接要求，有要求星型連接的，有要求三角形連接的，也有要求星三角轉(zhuǎn)換的。不管采用哪種連接方式，3臺(tái)單相變壓器之間都存在著高壓的連接。

一次繞組的連接，可以采用裸線(xiàn)架空連接和電纜連接2種方式，相比較而言，電纜連接方式要合理一些。理由如下:

(1)投資方面，電纜連接方案略高，但出入不大。電纜方案雖然增加了電纜頭，卻省去了穿墻套管，投資基本相抵消。投資出入主要在裸線(xiàn)與電纜的價(jià)格上，雖然電纜比裸線(xiàn)貴得多，但由于用量很小，一般幾十米，所以投資差額不大。

(2)管理方面，如果采用裸線(xiàn)架空連接，則架空線(xiàn)經(jīng)過(guò)的地方都需劃分為高壓危險(xiǎn)區(qū)域，禁止非專(zhuān)業(yè)人員進(jìn)入。如果采用電纜連接，就不存在這個(gè)問(wèn)題，方便管理。

(3)安全方面，電纜連接方案在變壓器室外沒(méi)有高電壓導(dǎo)體裸露，安全性更高。

對(duì)于采用電纜連接，由于電纜敷設(shè)方式的不同，也有2種敷設(shè)方案:①是電纜頭在支架上立式安裝，電纜穿過(guò)變壓器室樓板從下一層平面連接;②是電纜頭在變壓器上空水平懸吊安裝，電纜在變壓器室平面上方水平敷設(shè)。推薦采用第2種方案。該方案的特點(diǎn)是電纜用量省，要求必須采用干式電纜頭。雖然干式電纜頭稍貴，但可節(jié)省一些電纜，投資基本持平。

對(duì)于星三角轉(zhuǎn)換問(wèn)題，35 kV以下的電爐變壓器，一般在變壓器室設(shè)置隔離開(kāi)關(guān)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，但對(duì)于110 kV單相變壓器，隔離開(kāi)關(guān)尺寸較大，設(shè)置安裝困難，所以建議不設(shè)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)，在需要轉(zhuǎn)換時(shí)，采用更改變壓器出線(xiàn)端頭接線(xiàn)的方法實(shí)現(xiàn)。由于這樣的轉(zhuǎn)換只有在開(kāi)爐時(shí)需要，操作次數(shù)很少，轉(zhuǎn)換也不復(fù)雜，對(duì)生產(chǎn)幾乎沒(méi)有影響，只是操作稍微麻煩一些。

4 礦熱電爐電容補(bǔ)償問(wèn)題

電爐容量越大，功率因數(shù)越低，需要補(bǔ)償?shù)娜萘吭酱蟆?/p>

礦熱電爐的補(bǔ)償有多種方法，各有特點(diǎn)。主要有以下幾種。

4.1 低壓補(bǔ)償

是指在每臺(tái)電爐變壓器二次側(cè)補(bǔ)償，從理論上來(lái)說(shuō)，是一種理想的補(bǔ)償方式，無(wú)功不通過(guò)變壓器，直接補(bǔ)償于電爐，提高了電爐變壓器的有功傳輸容量，減少了損耗。但是由于電爐變壓器二次側(cè)電流大，電壓低，電壓波動(dòng)大。電容器選擇時(shí)，額定電壓需按最高電壓選取，通常又運(yùn)行在較低電壓狀態(tài)，需要安裝容量較高，容量浪費(fèi)較大，投資很高。

4.2 高壓補(bǔ)償

是指在總降壓站母線(xiàn)上設(shè)置高壓電容器補(bǔ)償，由于高壓側(cè)電壓穩(wěn)定，安裝容量能充分利用，而且同容量的高壓電容器價(jià)格相對(duì)較低，并且可以多臺(tái)電爐補(bǔ)償統(tǒng)一考慮，電容器利用率最高，投資最省;同時(shí)高壓補(bǔ)償回路還可以設(shè)計(jì)成濾波器，可以濾出電爐產(chǎn)生的諧波。但是這種補(bǔ)償方式只是解決了電網(wǎng)對(duì)功率因數(shù)的要求問(wèn)題，對(duì)提高電爐變壓器有功傳輸能力和降低損耗沒(méi)有作用。另外，由于這種方式母線(xiàn)電壓很高，需要多只電容器串聯(lián)使用才能滿(mǎn)足高電壓的要求，電容器的保護(hù)較復(fù)雜。

4.3 第三線(xiàn)圈中壓并聯(lián)補(bǔ)償

這種補(bǔ)償方式是在變壓器設(shè)置第三線(xiàn)圈，在第三線(xiàn)圈上并聯(lián)電容器進(jìn)行補(bǔ)償。這種補(bǔ)償方式的效果與高壓補(bǔ)償一致，只是采用了較低的補(bǔ)償電壓，不需采用多電容器串聯(lián)，電容器保護(hù)要簡(jiǎn)單一些。這種方法變壓器需特殊處理，增加第三線(xiàn)圈，投資比高壓補(bǔ)償高，但低于低壓補(bǔ)償。這種方式的電容器容量不能在各臺(tái)電爐間調(diào)劑使用。

4.4 高低壓聯(lián)合補(bǔ)償

這是利用功率因數(shù)與補(bǔ)償容量非線(xiàn)性的特點(diǎn)，綜合高壓補(bǔ)償和低壓補(bǔ)償優(yōu)點(diǎn)的一種補(bǔ)償方式。眾所周知，功率因數(shù)的提高與補(bǔ)償容量的關(guān)系是非線(xiàn)性的，在功率因數(shù)較低時(shí)提高0.1的功率因數(shù)比在功率因數(shù)較高時(shí)提高同樣多的功率因數(shù)需要的電容容量要低得多，根據(jù)這個(gè)特性設(shè)計(jì)了高低壓聯(lián)合補(bǔ)償方式。在利用低功率因數(shù)情況下，提高功率因數(shù)需要容量較少的有利條件，采用成本較高的低壓補(bǔ)償方式，以較少的電容器容量將功率因數(shù)提高到一個(gè)適當(dāng)?shù)母叨?，可以充分提高變壓器有功功率的傳輸能力，降低變壓器損耗。然后再利用價(jià)格較為便宜的高壓補(bǔ)償方式，進(jìn)一步提高功率因數(shù)，滿(mǎn)足供電部門(mén)對(duì)功率因數(shù)的要求。這種方式對(duì)于有多臺(tái)電爐的系統(tǒng)，效果更好，是一種優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)的補(bǔ)償方式，值得推薦。

5 電爐變壓器室設(shè)防火和排油

大型礦熱電爐的變壓器，由于一次電壓高，采用的都是油浸變壓器，而且由于容量很大，變壓器的油量也很大，每臺(tái)電爐有3臺(tái)單相變壓器，油量可以高達(dá)20～30 t。礦熱電爐低電壓、大電流的特點(diǎn)又要求電爐變壓器靠近電爐安裝，為了減少短網(wǎng)損耗，變壓器幾乎是緊貼電爐安裝，電爐與變壓器之間往往僅是一墻之隔。1個(gè)電爐廠房，布置著2～3臺(tái)電爐，有的甚至布置了4臺(tái)電爐，車(chē)間內(nèi)存在著上百?lài)嵉淖儔浩饔?。高溫的電爐、巨大的油量，使電爐車(chē)間成為一個(gè)非常危險(xiǎn)的火災(zāi)場(chǎng)所。

為了防止火災(zāi)危險(xiǎn)，在設(shè)計(jì)上應(yīng)采取有效預(yù)防措施:

(1)變壓器室設(shè)置為封閉式，在發(fā)生火災(zāi)時(shí)防止火災(zāi)的蔓延。

(2)設(shè)置有效的排油設(shè)施。由于電爐變壓器一般都設(shè)置在樓上，只需讓變壓器室樓面有一定的坡度，設(shè)置排油口，用管道把油排到安全的地方，即可有效控制火勢(shì)。

(3)設(shè)置火災(zāi)探測(cè)器，盡早發(fā)現(xiàn)火災(zāi)，及時(shí)控制，減小損失。

(4)配置消防設(shè)備，做好應(yīng)急預(yù)案，保證生產(chǎn)安全。

6 一級(jí)負(fù)荷保障

礦熱電爐廠的一級(jí)負(fù)荷主要有電爐冷卻循環(huán)系統(tǒng)、電機(jī)提升系統(tǒng)、澆注起重機(jī)和余熱放電給水泵。

對(duì)于大型礦熱電爐廠，由于用電量巨大，進(jìn)廠電源都是110kV及以上，而且多為雙電源，所以電源的可靠性比較高，不需設(shè)置柴油發(fā)電機(jī)。對(duì)于110kV只有單電源的工廠，應(yīng)尋找與110kV電源非同一系統(tǒng)的獨(dú)立的10kV保安電源，非不得已不宜設(shè)置柴油發(fā)動(dòng)機(jī)。

廠內(nèi)最大的一級(jí)負(fù)荷是電爐循環(huán)水泵站，采用的都是低壓電機(jī)，建議采用雙變壓器設(shè)置，任意一臺(tái)變壓器都應(yīng)可以承擔(dān)全部水泵負(fù)荷。水泵的控制建議采用PLC控制或進(jìn)入全廠計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)。

其他一級(jí)負(fù)荷，由于容量較小，沒(méi)有必要設(shè)置雙變壓器，但宜設(shè)置專(zhuān)用配電箱，從不同車(chē)間獲取電源，在末端采用雙電源切換。

7 余熱發(fā)電的并網(wǎng)

礦熱電爐煙氣的余熱較多，為節(jié)約能源，應(yīng)設(shè)余熱發(fā)電。但余熱發(fā)電如何接入系統(tǒng)，在什么地方并網(wǎng)，是一個(gè)值得注意的問(wèn)題。

通常情況下，余熱發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)電電壓是10 kV，在10 kV系統(tǒng)并網(wǎng)是最方便的。但是，礦熱電爐廠的負(fù)荷有一個(gè)特點(diǎn):高電壓的電爐負(fù)荷巨大，而低電壓的動(dòng)力負(fù)荷較小，所有動(dòng)力變壓器的容量都不大。而余熱發(fā)電的容量都比較大，通常其容量比動(dòng)力負(fù)荷大。在這樣的情況下，如果發(fā)電機(jī)在10 kV系統(tǒng)并網(wǎng)，發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)10 kV系統(tǒng)的沖擊較大，電壓波動(dòng)會(huì)較劇烈，對(duì)10 kV系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行不利。

建議余熱發(fā)電機(jī)通過(guò)升壓變壓器，在110 kV系統(tǒng)并網(wǎng)，這樣做的優(yōu)點(diǎn)是消除了發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)10 kV系統(tǒng)的影響，保證10 kV系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行、保護(hù)簡(jiǎn)單。缺點(diǎn)是投資較高，需增加升壓變壓器及110 kV開(kāi)關(guān)間隔。

對(duì)于有多臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)的大型礦熱爐廠，可以設(shè)置與動(dòng)力10 kV系統(tǒng)分開(kāi)專(zhuān)用的10 kV系統(tǒng)，在10 kV并網(wǎng)，通過(guò)升壓變壓器接入110 kV系統(tǒng)。

8 結(jié)語(yǔ)

對(duì)于大型礦熱電爐的配電設(shè)計(jì)，筆者認(rèn)為，110 kV配電裝置應(yīng)與電爐車(chē)間分離設(shè)置，配電裝置的控制權(quán)應(yīng)在電爐車(chē)間;配電設(shè)備到電爐變壓器之間應(yīng)采用電纜連接;變壓器一次繞組的連接應(yīng)采用電纜在變壓器上方水平敷設(shè)連接，星三角轉(zhuǎn)換不采用隔離開(kāi)關(guān);功率因數(shù)補(bǔ)償宜采用高低壓聯(lián)合補(bǔ)償方式;應(yīng)設(shè)計(jì)防火排油設(shè)施;一級(jí)負(fù)荷電源采取電網(wǎng)保障，不建議設(shè)置柴油發(fā)電機(jī);余熱發(fā)電宜在110 kV系統(tǒng)并網(wǎng)。

Electric Supply Design of Large－Scale Ore－Smelting Electric Furnace Factory

LI Xue－wen
(Kunming Engineering ＆ Research Institute of Nonferrous Metallurgy Co.Ltd，Kunming 650051，China)

With the development of the large ore－smelting electric furnace and continuous growth of transformer capacity of electric furnace，there are some new problems on the electric supply design of large ore－smelting electric furnace.According to the practical design experiences on large ore－smelting electric furnace，new problems arisen during the design of large ore－smelting electric furnace and the solutions were expounded.

Large ore－smelting electric furnace;primary winding connection;high and low－voltage joint compensation;fire protection;discharge of oil;connecting grid power by waste heat

TM924.02

A

1004－2660(2011)04－0019－04

2011－06－06.

李學(xué)文(1962－)，男，四川人，高級(jí)工程師、注冊(cè)電氣工程師、注冊(cè)咨詢(xún)工程師.主要研究方向:電氣設(shè)計(jì).