工業(yè)電氣設計中電氣節(jié)能的應用
——冶金礦熱爐無功補償分析

姚冬平

（貴州正業(yè)工程技術投資有限公司，貴州 貴陽 550000）

我國是能源消耗的大國，經濟發(fā)展離不開各種能源，對能源的消耗量和需求量都很大，節(jié)能在各行各業(yè)、公共設施、民生利用等方面被大眾廣泛認同。冶金行業(yè)屬于高能耗行業(yè)，其中礦熱爐的使用非常普遍，電爐的能耗占了總耗的60%以上，因此改善提高電爐的能耗效率十分重要，國家的產業(yè)政策和規(guī)定，鼓勵通過技術創(chuàng)新和科學改造，達到節(jié)能降耗和有效利用資源的要求。下面就冶金礦熱爐采用無功補償技術達到比較好的節(jié)能效果進行闡述。

1 概述

冶金礦熱爐是一種耗電量巨大的工業(yè)電爐，主要由爐殼，爐蓋、爐襯、短網，水冷系統(tǒng)，排煙系統(tǒng)，除塵系統(tǒng)，電極殼，電極壓放及升降系統(tǒng)，上下料系統(tǒng)，把持器，燒穿器，液壓系統(tǒng)，礦熱爐變壓器及各種電器設備等組成。根據電爐的結構特點以及工作特點，電爐系統(tǒng)電抗約70%是由短網系統(tǒng)產生的，而短網是一種大電流工作的系統(tǒng)，最大電流可以達到幾萬安培，因此短網的性能決定了電爐的性能，繼而決定了冶煉電耗的高低。電爐在生產時特別是工藝技術出現強化冶煉后，電爐過負荷運行狀況比較多，這就造成了電爐功率因數偏低，一般都運行在0.65～0.81之間，較低的功率因數不僅使變壓器的效率下降，消耗大量的無用功，同時由于電極的控制以及堆料的工藝，極易導致三相間的電力不平衡加大，最高不平衡度可以達到15%以上，導致冶煉效率的低下，單位電耗增高，因此提高電爐短網的功率因數，降低三相不平衡度就成了降低能耗，提高冶煉效率的有效手段。

2 技術原理

礦熱爐電弧冶煉的現狀是：自然功率因數大都較低，一般不超過0.83，大部分在0.7左右。三相變壓器的大量使用，必然使短網布置長度不等，從而導致三相功率不平，無功功率嚴重占用變壓器有效荷載，制約了變壓器輸送有功的能力，電弧電流產生的無功在爐變和短網上流轉，大量增加無功損耗。礦熱爐短網低壓動態(tài)無功補償裝置采用短網無功動態(tài)就地補償技術，在短網末端進行動態(tài)、三相分布不等量、就地無功補償，可有效解決以上問題。無論在提高功率因數、吸收諧波，還是在增產降耗上，都有著高壓端補償無法比擬的優(yōu)勢。

爐前低壓無功補償是降低礦熱爐的感抗、提高功率因數、降低冶煉電耗、提高經濟效益的有效方法。因為導體內無功電壓分量是電流與感抗的乘積，感抗稍有變化，無功電壓分量及電爐功率因數將產生較大變化。短網的大電流特征決定了電弧電流產生的大量無功主要以無功電流的形式體現在短網、變壓器及供電網路上，從而造成這些電路中大量無功損耗。在短網末端進行補償，無功電流將直接經低壓電容器和電弧形成的回路流過，不再經過補償點前的短網、變壓器及供電網路，在提高功率因數的同時，提高變壓器的有功輸出率，降低變壓器、短網的無功消耗。

3 設計技術方案

3.1 設計原則

自動控制綜合補償是利用現代控制技術與短網技術將大容量、大電流的超低壓電力電容器組接入礦熱爐二次側。在設計中主回路、控制回路、檢測回路和短網結構遵循分相、就地不等量補償的原則，設計中遵循重點調平三相有功功率，輔助提高三相和每一相功率因數在0.93左右運行的設計思路，使礦熱爐的功率中心、熱力中心和爐膛中心相重合，使坩堝擴大、熱量集中，反應加快、達到降耗和增產的目的。

3.2 補償投入點的選擇

無功補償降低的是接入點前的線路無功損耗，根據這一原理，針對礦熱爐低壓側短網進行補償，使補償點上連接的無功補償裝置既能盡可能多的補償系統(tǒng)無功，同時要兼顧短網的合理接入，減少冶煉環(huán)境及操作維護等不利因素帶來的影響。因此二次補償連接點選在短網與軟銅纜的連接點上，濾波補償系統(tǒng)由濾波電容器、濾波電抗器、投切開關、熔斷器、微機保護單元、主監(jiān)測控制系統(tǒng)等組成。

3.3 無功補償方案的比較

針對冶金礦熱爐企業(yè)用電功率因數過低，采取的較經濟的無功補償方式主要有兩種：高壓側無功補償和低壓側無功補償（主要指短網側），下面對兩種補償方式分別說明。

1）高壓側無功補償：由于高壓無功補償的電容器組加裝在高壓側，它只作用于接入點之前的線路，滿足供電系統(tǒng)對該負荷線路功率因數方面的要求，但不能對從電爐變壓器到電極全部二次側低電壓大電流回路的無功功率進行補償。由于短網的感抗占整個系統(tǒng)感抗的70%以上，因此高壓端補償并沒有達到降低短網系統(tǒng)感抗，提高短網功率因數，增加變壓器出力的目的。強大的電流在變壓器低壓側及短網上形成較大損耗，使變壓器和短網發(fā)熱，造成能源損失，同時，高壓端補償不能解決三相不平衡的問題，不能滿足電爐在生產時負荷變化的動態(tài)補償，無法做到提高企業(yè)產品產量和降低電耗、礦耗的目的。高壓端補償后盡管電網功率因數提高（可達0.9以上），但電爐低壓側功率因數并無改善，給企業(yè)帶來的實際收益很小。

2）低壓側（短網處）無功補償：由于礦熱爐企業(yè)冶煉電耗所占比重非常大，因此低壓側無功補償一般針對短網的低壓無功補償。電爐短網采用低壓側就地無功補償，其電容器組加裝在低壓側（接入點越靠近電極，補償效果越好），它作用于接入點之前的線路，兼顧了一次高壓側和二次低壓側功率因數的補償問題，可以實現動態(tài)補償，解決了變壓器和短網發(fā)熱問題，能夠大幅提高短網端的功率因數，降低電耗，增加產量。低壓側無功補償從技術上來講是可靠、成熟的，從經濟上來講，投入和產出是成正比的，給企業(yè)帶來的實際收益遠大于高壓端補償方式。

3）高、低壓側無功補償方式對比表

注：√表示具有此效果，×表示不具有此效果

4 結語

節(jié)能是現代社會整體發(fā)展的大形勢，加強節(jié)能控制可以增加企業(yè)的核心競爭力，為企業(yè)帶來經濟效益，從而推動整個社會的經濟發(fā)展。企業(yè)通過技術創(chuàng)新和科學改造，可以達到節(jié)能降耗和有效利用資源的要求，采用技術先進、適用性強、成熟穩(wěn)定的設備，降低企業(yè)建設和生產運行成本，提高現代化操作管理水平和生產效率，使企業(yè)取得較好的經濟效益。工業(yè)電氣設計在節(jié)能降耗上有很大的潛力，工業(yè)企業(yè)及時做好電氣節(jié)能工作，可以保證企業(yè)長久穩(wěn)定的發(fā)展。在企業(yè)建設或技改中電氣設計應充分考慮，合理設計，從經濟性、可靠性、安全性等多個方面反復論證，選擇最節(jié)能并且最高效的方案，從而切實有效地幫助企業(yè)達到節(jié)能的目的。