提高冶煉企業(yè)用電功率因數(shù)的方法

田 浩，王倉繼，劉少平

(岐山縣電力局生產(chǎn)技術(shù)部，陜西寶雞 722405)

冶煉用中頻爐具有維護(hù)方便、操作簡(jiǎn)單可靠、可準(zhǔn)確地控制調(diào)整金屬液溫度與成分、熔煉速度快、成型鑄件質(zhì)量好且工作噪音和污染均小于沖天爐等特點(diǎn)。因此在冶煉領(lǐng)域中應(yīng)用廣泛，受到了冶煉企業(yè)的青睞。據(jù)調(diào)研，某供電公司供電區(qū)域內(nèi)共有鑄造冶煉企業(yè)21戶，全部使用中頻電爐進(jìn)行金屬冶煉，中頻爐熔煉金屬時(shí)需要消耗大量電能、產(chǎn)生諧波，節(jié)能降耗、諧波治理是兩個(gè)被廣泛關(guān)注的問題。

1 企業(yè)供電系統(tǒng)

某公司由10 kV專線供電，使用中頻爐熔煉金屬液，鑄件年產(chǎn)量3萬噸。該公司變壓器總?cè)萘繛? 830 kVA，10 kV高壓母線系統(tǒng)所載負(fù)荷有4%:6臺(tái)630 kW 1噸中頻爐;1臺(tái)1 250 kW 2噸中頻爐;1臺(tái)250 kW高壓電機(jī);1臺(tái)300 kW動(dòng)力負(fù)荷。原設(shè)計(jì)配電變低壓側(cè)配置電容補(bǔ)償柜。

2 供電系統(tǒng)存在的問題及分析

2.1 存在問題

(1)2011年月平均功率因數(shù)約為0.82，未達(dá)到供電部門0.90的要求，調(diào)整電費(fèi)扣罰每月約3萬元;電壓諧波總畸變率含量約為6%，高于國標(biāo)限值4%。(2)專用變壓器噪聲大、油溫高，基本達(dá)到80℃，需外加風(fēng)機(jī)散熱。(3)中頻爐工作時(shí)，低壓無功補(bǔ)償柜內(nèi)的電容器容易燒毀，其他低壓設(shè)備會(huì)出現(xiàn)不明原因跳閘。

2.2 原因分析

(1)中頻爐的諧波特性。中頻電爐是將工頻50 Hz交流電進(jìn)行整流，然后再逆變?yōu)橹蓄l10～300 Hz電源，利用電磁感應(yīng)加熱。中頻爐屬交－直－交供電，整流部分采用三相橋式電路，直流回路的脈動(dòng)數(shù)為6，變流器的特征諧波頻譜

式中，P為變壓器脈動(dòng)數(shù);k為正整數(shù)。由式(1)得，中頻爐的特征諧波為5、7、11、13次諧波，由于存在非對(duì)稱觸發(fā)等原因，可能會(huì)產(chǎn)生其他次數(shù)的非特征諧波，但主要以特征次諧波為主。

(2)原理分析。大量無功功率由專用變壓器提供，加重了變壓器的負(fù)擔(dān)。由于低壓配電的電容器也容易燒毀，無法正常運(yùn)行，為確保設(shè)備安全，中頻爐補(bǔ)償柜的使用應(yīng)當(dāng)慎重。避免造成整體功率因數(shù)偏低，成本過高。為保證10 kV母線的功率因數(shù)及抑制諧波的放大，達(dá)到相關(guān)要求，同時(shí)提高補(bǔ)償裝置的安全性和穩(wěn)定性，實(shí)現(xiàn)無人值守，要求在10 kV母線側(cè)增加1套高壓自動(dòng)無功功率補(bǔ)償裝置，以提高月平均功率因數(shù)為主，同時(shí)抑制諧波放大。

(3)數(shù)據(jù)測(cè)試。測(cè)試點(diǎn)選在10 kV母線側(cè)，采用法國CA8332B電能質(zhì)量測(cè)試儀對(duì)電能進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果可知，電壓諧波總畸變率含量約為6%，自然功率因數(shù)為0.82，諧波電流主要集中在5次、7次和11次。

表1 三相電壓諧波總畸變含量數(shù)值

中頻爐生產(chǎn)時(shí)總進(jìn)線諧波電流測(cè)量，如圖3所示。

圖3 兩相電流波形

圖4 總進(jìn)線的電壓、電流諧波柱狀圖

由于現(xiàn)場(chǎng)B相無法固定電流鉗，因此B相電流無法測(cè)試，而這對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)并無影響。

在測(cè)試時(shí)，電壓互感器產(chǎn)生二次電壓信號(hào)，故圖5測(cè)得的有功功率、無功功率為非實(shí)在值。

(4)根據(jù)中頻爐的固有特性，基本可認(rèn)定以上問題是由中頻爐電源的諧波引起。中頻爐電源產(chǎn)生的大量諧波直接注入到專用變壓器，造成變壓器振動(dòng)和損耗增加，具體表現(xiàn)為噪音大、油溫高。同時(shí)，部分諧波通過10 kV母線流入配電變壓器，并與低壓側(cè)的電容器發(fā)生諧振，造成電容器燒毀或保護(hù)裝置誤動(dòng)作。

3 濾波補(bǔ)償裝置的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

若在10 kV高壓母線系統(tǒng)安裝高壓自動(dòng)無功補(bǔ)償兼消諧裝置，可有效補(bǔ)償并濾波，在現(xiàn)有負(fù)荷下，諧波電壓總畸變率可由之前的6%降低到4%以下，功率因數(shù)可以提高到0.90以上，調(diào)整電費(fèi)不僅完全避免，還能得到電費(fèi)獎(jiǎng)勵(lì)。根據(jù)上述原則，在中頻爐專用變壓器的高壓側(cè)安裝了中頻爐專用MSCGD高壓濾波補(bǔ)償裝置。

3.1 設(shè)計(jì)思路

設(shè)計(jì)目標(biāo)是確保設(shè)備安全、節(jié)約電能的同時(shí)兼顧濾波。諧波治理以3次、5次和7次諧波為主，其他高次諧波無需考慮。預(yù)期目標(biāo):(1)提高系統(tǒng)的功率因數(shù)，月平均功率因數(shù)不低于0.90。(2)抑制負(fù)荷產(chǎn)生的諧波，避免諧波放大及諧振，改善電能質(zhì)量，保證電器設(shè)備的安全。(3)減少變壓器有功損耗。(4)減少配電線路的有功損耗。(5)減少設(shè)備故障率，提高生產(chǎn)效率，延長(zhǎng)使用壽命。

3.2 MSFGD高壓濾波補(bǔ)償裝置原理

電網(wǎng)向用電設(shè)備提供的負(fù)載電流由有功、無功電流組成，無功電流在電源和負(fù)載間往復(fù)交換，占用大量電網(wǎng)，使供電能力降低，導(dǎo)致功率因數(shù)降低。MSFGD裝置是用裝置產(chǎn)生的容性無功電流快速、準(zhǔn)確地跟蹤抵消電網(wǎng)中的感性無功電流，從而提高功率因數(shù)，保證用電質(zhì)量，提高供電設(shè)備的供電能力，并減小電路中的損耗。裝置針對(duì)用戶系統(tǒng)含有的諧波情況分為不同的濾波支路，分別對(duì)相應(yīng)的特征次諧波呈現(xiàn)低阻抗、濾波阻抗和系統(tǒng)阻抗分流后可濾除大部分諧波電流，同時(shí)避免對(duì)其他特征次諧波的放大。

3.3 MSFGD高壓濾波補(bǔ)償裝置系統(tǒng)組成

圖7 系統(tǒng)組成框圖

電壓檢測(cè)和無功電流檢測(cè)用于無功計(jì)算和儀表顯示;控制器完成無功電流計(jì)算、投入退出命令的發(fā)送、參數(shù)設(shè)定及存儲(chǔ)等功能;補(bǔ)償控制單元包括真空接觸器、控制繼電器及繼電保護(hù);濾波電容器和濾波電抗器完成無功補(bǔ)償和諧波治理。

3.4 MSFGD裝置控制原理

圖8 MSFGD裝置原理圖

由圖8可看出，控制器主要完成無功電流計(jì)算及投切命令分配。控制器計(jì)算出負(fù)載無功容量，根據(jù)各路補(bǔ)償?shù)娜萘?，判斷并延時(shí)投入與當(dāng)前無功容量最為接近的補(bǔ)償支路的濾波支路，退出與投入動(dòng)作原理相同?？刂破魍ㄟ^液晶屏和按鍵進(jìn)行人機(jī)對(duì)話，可以進(jìn)行控制方式切換和參數(shù)設(shè)置。

3.5 MSFGD高壓濾波補(bǔ)償裝置的系統(tǒng)

表2 系統(tǒng)參數(shù)表

圖9 系統(tǒng)實(shí)物圖

3.6 技術(shù)和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

(1)電容器一般采用星型接法。此接法電容器承受較低的電壓;故障時(shí)短路電流較小;電容器單相可調(diào)，因此在與電抗器構(gòu)成濾波支路時(shí)能夠有更為理想的調(diào)諧特性。

(2)采用快速無功算法，且特殊處理電容器放電方式，能實(shí)現(xiàn)快速投切，具體投切速率由用戶設(shè)定。

(3)補(bǔ)償裝置的濾波器由高次濾波器組按8∶4∶2∶1比例分配。通常在設(shè)計(jì)上，負(fù)載基波無功功率小于補(bǔ)償裝置額定基波容量的60%即可投入各次濾波器，從而保證在負(fù)載變化的范圍內(nèi)按照國家標(biāo)準(zhǔn)濾除諧波。該結(jié)構(gòu)要求高次濾波器諧波電流與基波電流的比值高于2.5，高于一般生產(chǎn)廠家諧波電流與基波電流的比值為0.5的技術(shù)指標(biāo)。

(4)MSFGD型補(bǔ)償裝置屬于有級(jí)補(bǔ)償方式，為保證在補(bǔ)償容量范圍內(nèi)補(bǔ)償后功率因數(shù)大于0.90，補(bǔ)償精度必須小于負(fù)載最小有功功率的1/3，按8∶4∶2∶1比例分配的低次濾波器雖然濾波器路數(shù)增多，卻可以保證補(bǔ)償后的功率因數(shù)指標(biāo)。

(5)MSFGD型補(bǔ)償裝置的自診斷系統(tǒng)可對(duì)多種故障進(jìn)行處理，如過電流、過載、過電壓和超溫等;控制器對(duì)消失的故障可自動(dòng)恢復(fù)裝置運(yùn)行，提高了補(bǔ)償裝置在無人值守時(shí)的運(yùn)行可靠性。

關(guān)鍵元件選取:(1)接觸器:頂級(jí)高性能真空接觸器作為投切器件，其性能可靠，電壽命可達(dá)60萬次，損耗小。(2)濾波電容器:采用特殊制造的單相濾波電容器，其主要絕緣材料采用國外品牌。濾波電容器使用壽命長(zhǎng)、損耗小，可長(zhǎng)期在諧波較大的環(huán)境下使用。(3)濾波電抗器:采用低損耗的鐵心濾波電抗器，電抗器正常運(yùn)行的溫度升高不超過60 K，裝置整體損耗確保小于總?cè)萘康?%。

4 改造后的綜合效益

MSCGD高壓濾波補(bǔ)償裝置可自動(dòng)跟蹤調(diào)節(jié)各支路的投切，開啟后無需人工操作。投入使用當(dāng)月功率因數(shù)由0.82提高至0.9，隨后穩(wěn)定在0.97。功率因數(shù)提高，力率調(diào)整電費(fèi)由罰款變?yōu)楠?jiǎng)勵(lì)，大幅節(jié)省了用電成本。

4.1 產(chǎn)生的間接效益

提高供配電設(shè)備的供電能力(S，P)，減少增容費(fèi)用。在相同的有功負(fù)荷條件下，適當(dāng)進(jìn)行無功補(bǔ)償，可降低配電變壓器的視在功率。由于S=，設(shè)無功補(bǔ)償后，功率因數(shù)由 cosφ1升至 cosφ2，則

在相同功率條件下，適當(dāng)補(bǔ)償無功，可提高配電變壓器的有功輸出。設(shè)P1、P2分別為配電變壓器補(bǔ)償前后輸送的有功功率，因P1=S ×cosφ1，P2=S ×cosφ2，那么

因?yàn)?cosφ2＞ cosφ1，故 P2＞P1，即同樣容量的供電設(shè)備可輸出較大的有功功率。

4.2 降低線路和配電變壓器的損耗

由配電線路的等值電路和變壓器的等值電路可看出提高功率因數(shù)能夠減少其傳輸?shù)目傠娏鳎瑥亩鴾p少線路和變壓器的有功損耗。當(dāng)線路通過電流I時(shí)，其有功損耗

圖10 等值電路

可見線路有功損耗ΔP與cosφ的平方成反比，cosφ越高，ΔP越小。若加裝無功補(bǔ)償設(shè)備后，功率因數(shù)由cosφ1升至 cosφ2，則

同理可計(jì)算出線路損耗降低率為

配電網(wǎng)電壓的波動(dòng)主要由無功功率的波動(dòng)所引起，安裝無功補(bǔ)償兼濾波裝置后，裝置對(duì)負(fù)荷實(shí)時(shí)跟蹤補(bǔ)償，限制無功波動(dòng)、穩(wěn)定電壓，特別是在重負(fù)荷時(shí)，有效的無功補(bǔ)償可提高配電電壓，改善負(fù)荷運(yùn)行條件。

5 結(jié)束語

綜上所述，鑄造冶煉企業(yè)增加 MSCGD高壓濾波補(bǔ)償裝置具有理想的效果，其兼顧了無功補(bǔ)償和濾波功能，并具有提高生產(chǎn)效率、提高設(shè)備可靠性和節(jié)省電能的優(yōu)點(diǎn)。

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