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《矿热炉低压无功补偿优化设计方案》
叶辛1，许朝阳2，郭松2，段志强3 国网冀北电力有限公司，南瑞（武汉）电气设备与工程能效测评中心，国网湖北省电力公司经济技术研究院
摘要：本文通过对矿热炉3种无功补偿方式的综合分析，设计了一种合理的低压无功补偿方案。重点分析了设计方案、投切的依据以及低压侧补偿所涉及相关关键参数的计算．并选用了适用于矿热炉低压动态无功补偿系统的新型组合式电容投切开关。实际工程案例表明该方案能有效提升矿热炉的功率因数、降低系统能耗，可作为矿热炉无功补偿系统设计的参考。 关键词：矿热炉；无功补偿；功率因数；能耗
0 引言 矿热炉是一种耗电量巨大的工业电炉，广泛应用于铁合金冶炼和化学制造等工业领域中，主要用于还原冶炼矿石、碳质还原剂及溶剂等原料。矿热炉在电气结构上大致可分为4个部分：电炉变压器、短网系统、熔池和电极。由于短网是一种低电压、大电流的系统，且其电抗相对较大，会消耗大量无功容量．矿热炉的性能受短网影响严重，功率因数普遍较低，大型矿热炉的功率因数大都低于0.65。过低的功率因数会降低电炉变压器运行效率，再加上熔池与电极工艺上的缺陷，矿热炉三相不平衡度状况较为严重。对于正在设计中的矿热炉，可通过2种途径提升电炉的自然功率因数：一是通过合理设计炉膛、电极与极心圆直径等炉体尺寸使之与电炉变压器相匹配；二是在确定最佳工艺与设备参数的同时控制入炉料的成分与质量，做到精料人炉。对于已经建成的矿热炉而言，只能采取人工补偿，且实际中大多采用电容器补偿的方法，其补偿原理为将产生容性功率的负荷并联入呈感性的电路系统中，通过容性负荷输出的无功来补偿感性负荷所消耗的无功。传统的无功补偿系统存在以下缺点：电容投切依据单一，达不到较好的改善效果；补偿容量不精确，容易造成过补或欠补；投切开关数量多、使用寿命低等。本文针对以上问题，设计了一种合理的矿热炉低压无功补偿方案。
1 无功补偿方式的选择 我们可以根据补偿电容器的安装位置进行划分。矿热炉的无功补偿可分为高压补偿、中压补偿和低压补偿3种方式。3种无功补偿方式的性能对比见表1。 表1 3种无功补偿方式对比表
高压补偿是在变压器一次侧并联接人电容器组进行无功补偿，提高功率因数，中压补偿的补偿投入点位于变压器中压补偿端子，两者的补偿效果只能满足电力部门对企业功率因数指标的要求，对投入点之后包括变压器绕组和短网系统的二次侧大电流回路没有任何补偿效果，因而对矿热炉的输出功率和节能增产无任何提升作用；低压补偿是在变压器的二次侧分相投入电容器组进行无功补偿的一种方式，原理如图1昕示，其补偿点位于短网末端靠近电极附近，大量无功电流将不再进入补偿点前的变压器绕组和短网系统，而是直接流入电弧电抗和补偿电容所组成的回路，因而不仅能提高矿热炉系统的功率因数，还能有效地减小三相不平衡度、降低电能损耗，因此本文重点研究低压无功补偿方案。
图1 低压补偿原理圈
2 系统方案设计 矿热炉低压无功补偿系统的组成主要包括电压电流互感器、采集器、系统控制器、补偿电容器和投切装置，如图2所示。通过互感器对高压侧和低压侧的电压、电流等数据进行采集，再利用系统计算模块得出无功补偿容量的大小，通过控制器投切相应组数的电容器组。
图2 低压无功补偿系统
投切的判断依据包括一次侧电流、二次侧电压、无功功率和功率因数等综合因数，避免了判据单一化的劣势，例如仅根据二次侧电压或功率因数的大小进行投切．都不能满足三相的无功平衡，且容易造成电容器的频繁投切甚至误投切。具体的投切依据为： 1)满足下列全部条件，则投入。
2) 满足下列任一条件，则切除。
3) 其余情况为不动作： 式中：UL为欠压门限；UH为过压门限，△U为电压回差；cosφL为功率因数投入门限，cosφH为功率因数切除门限；IL为欠流门限，IH为过流门限；U、I、cosφ为实时运行的电压、电流和功率因数；Qcal为无功补偿计算值，Qset为无功容量投入门限值。
3 相关参数计算及优化设计 低压补偿方案实施较为复杂，需要充分掌握矿热炉各项工艺参数、变压器压降和短网系统机构，全面了解设备运行的恶劣环境，准确计算补偿容量、配置合适的电抗器来降低谐波的干扰，并选用合适的投切开关等。下面针对相关参数计算以及投切开关的优化设计进行详细说明。 3.1 电抗器参数计算 矿热炉电弧在结构和性能上的缺陷，例如电弧游动和电弧电阻的非线性因素，导致流经电弧的电流畸变幅度大、三相不平衡严重并且产生了大量谐波，其中以3、5、7次谐波比例最大。一旦谐波未能得到治理和抑制，将对各电气设备带来巨大损害。此外，对大中型矿热炉而言补偿容量非常大，补偿电容器组数较多，会导致合闸涌流冲击较大。在矿热炉低压补偿系统中接入串联电抗器能有效抑制谐波的危害、降低涌流的冲击。电抗器的电抗率X%计算过程如下：
考虑到电抗器存在不大于10％的调谐偏差率，当X%≥1/(0.9×n)2时，补偿回路与电网的综合电路上呈感性阻抗，类似于接人1个高通滤波器．能有效地抑制谐波。针对矿热炉的供电网络而言，为抑制3、5、7次谐波，相应的电抗率取值为：
3.2 电容电压等级计算 补偿电容器的端电压会由于补偿回路接人串联电抗器而上升，端电压计算公式为
式中：巩为电容器的端电压；砜为变压器二次侧电压。 考虑到电容器组投入后会使补偿回路上的电压提升，此外短网系统电压存在一定的波动，因此电容器的额定电压需要考虑20％的安全裕量。综上可知，电容器的额定电压‰的计算公式为
3.3 安装补偿容量计算 补偿容量理论值的计算式为
式中：P为矿热炉平均运行功率；cos妒，、cos垆：分别为补偿前与补偿后的功率因数。 考虑到电容器的实际容量与其端电压的平方成正比，由第3.2节可知，电容器端电压比二次侧的电压值要高，故现场补偿容量p。要求比理论计算值大，其大小为：
上式的计算值包含了串联电抗器的容量，减去电抗器的容量得到的才是实际所需的补偿容量值，电抗器容量QL可依据公式QL=X％×QC求得，因此实际所需补偿容量值QCN的计算公式为
3.4 补偿电容器组数计算 目前用于无功补偿的电容器以自愈式并联电容为主．其额定容量范围为1～60 kvar。电容器容量越大，过热等其他问题出现的概率就会越大，考虑到矿热炉二次侧无功补偿现场环境温度较高，因此单体电容器容量不宜选择过大，通常选用20krar。系统采用分相补偿的方式，将实际所需补偿容量值除以3得到每相的补偿容量，再根据单体电容容量(20 kvar)来选择合适的组数。
3.5投切开关的优化设计 电容投切开关作为低压无功补偿技术中的重点研究对象之一，是用于投切所有电容器组的核心开关器件。以往选用的投切方式主要包括机械接触式投切、晶闸管投切以及将晶闸管、接触器组合并联运行的复合开关投切等，通常只能用于单回路投切电容，且自身都存在一定的问题。接触器投切时投切损耗大，无法过零投切，投切频率上限过低，触头容易灼烧且极易损坏；晶闸管投切开关成本偏高，受电流冲击影响大，投切过程损耗较大、发热现象严重；复合开关造价较高，各性能指标均较为理想，但控制方式唯一且受负荷能力过低。各投切开关的综合比较见表2。
表2 各投切开关的比较情况
本方案采用的是由多个无能耗静态接触器构成的接触器组和晶闸管所组成的新型组合式投切开关，其原理如图3所示，
图3 组合式电容投切开关原理图
图3利用1个晶闸管控制多个接触器投切各路电容器组，KJ1和KJ2分别为第1组至第N组所有的选择接触器和执行接触器。投入过程采取零电压投入能提高电容的投切能力，降低支路上的涌流冲击；且多组接触器共享同一回路减少了投切开关路数，大大降低了造价成本。 具体的实现方案是：组合式电容投切开关包括1个晶闸管和N路投切接触器组，每路投切接触器组包括1个选择接触器和1个执行接触器．其中N大于等于2，所有选择接触器KJ1输入端连接在一起构成投切母线。晶闸管连接在相线与投切母线之间，其中每1路投切接触器组包括选择接触器KJ1、执行接触器KJ2，电容输出端连接零线或另外一路相线，电容输入端分别与选择接触器KJ1和执行接触器KJ2输出端连接；选择接触器KJl的输入端与晶闸管的输出端相连接；执行接触器KJ2的输入端与晶闸管连接的相线相连接。 系统根据无功补偿容量的大小决定投入电容器的组数，依照“循环投切”的原则进行投切，即电容组的切除顺序按照投入时的顺序进行，这样能均衡电容的利用率，避免单一电容频繁使用，延长了整体电容器组平均使用年限。
4 工程案例验证 某冶金企业25 MVA矿热炉补偿前其自然功率因数仅为0.702，未达到国家规定的0.9以上，导致电力部门对企业的罚款；且产品单耗达到8 356 kWh/t，巨额的电费支出和罚款大大降低了企业的利润。为了提高矿热炉的功率因数避免电力部门的罚款、降低能耗减少电费支出，在其低压侧安装无功补偿系统，同时验证本方案实际的无功补偿效果。 通常补偿后功率因数的理论设定值不要高于0.95，以免出现过补的情况，进一步加大系统的损耗。以提高功率因数至0.95计算得出补偿总容量为17.3 Mvar，投入补偿后各项电力参数的对照情况见表3。
表3 投入补偿后相关数据的对比
从表3可知，实施低压补偿方案后功率因数由0.702提高到0。965，电炉单耗由8 356 kWh/t降低至7 771 kWh/t，节电率达到了7%。实际结果表明无功补偿效果显著，能有效提高系统的功率因数、改善电能质量，为企业带来良好的经济效益。
5 结束语 设计合理的低压无功补偿方案能有效解决矿热炉运行过程中功率因数低、电能质量差等问题，对冶炼企业节能减排、增产创收具有重大意义。需要注意的是，在进行低压补偿时，必须经过充分的现场勘察和测量，对补偿点的选取、各元器件的参数及选型进行全面掌握、精准计算，保证补偿设备的可靠稳定，确保在改善矿热炉电力指标的同时系统能够长期安全运行。 |
