電爐無功補償及諧波治理措施的探討

電爐無功補償及諧波治理措施的探討

1.諧波對供電系統的影響

　　大量高新技術企業對供電質量和可靠性具有嚴格的要求。在大型機器制造廠，0.1s的電壓突降就可能造成異常的生產狀況和質量破壞;幾分之一秒的不正常供電就可能使當今自動化設備控制的連續精加工生產線造成大規模的混亂，其損失是難以估計的，這些用戶對不合格電力的容許度只有1～2周波。總之非線性負荷產生的畸變波-諧波污染對電網電力設備的危害是極其嚴重的，主要表現在如下幾個方面：（1）導致中性線電流過大，造成中性線發熱甚至發生火災;（2）加大線路損耗，使電力電纜過熱、絕緣老化，電力電纜產生過負荷或過電壓;（3）大大增加電網發生諧振的可能，諧振產生的過電壓和過電流會引起更嚴重的事故;（4）變壓器產生發熱，損耗增加，同時降低變壓器容量;（5）損害電網中的敏感用電設備;（6）使電容器過載發生，加速電容器老化和損毀;（7）對繼電保護和自動控制裝置產生干擾和造成誤動作或拒動，造成區域性停電事故;（8）畸變電流在旋轉電繞組中流通，使電機產生附加功率損耗而過熱，產生脈動轉矩和噪聲;（9）引起計量儀表，特別是感應式電能表產生計量誤差;（10）對通信、電子設備產生干擾。

　　由于現有技術的局限性，電爐存在生產率降低和電能質量得不到保證的問題。作為一種特殊的非線性沖擊負荷，在冶煉過程中，會產生大量諧波、負序電流，產生無功沖擊并導致電壓波動和閃變，冶煉功率因數低等電能質量問題，降低供電系統的可靠性，危害其他設備的安全運行，也影響電爐自身的產量、質量，使電耗、電極消耗增大，從而成為電網的主要公害之一。因此必須采取綜合治理措施，提高供電電網的電能質量，達到國標和電業管理部門的規定，是決定電爐（如LF爐、電弧爐等）是否被允許生產和能否正常安全生產的關鍵因素。因此，積極有效地治理諧波，已經成為越來越緊迫的技術課題。

　　2.電爐應用企業節電無功補償及諧波治理的措施

　　無功補償方式很多，目前大部分采用并聯電容器，由于電容器是靜止的，具有無噪音、消耗量小、安裝方便等優點，因此應用的比較廣泛。在本行業大多采用電容器高壓側補償或在爐前進行低壓補償這兩種方式。

　　2.1高壓集中補償

　　高壓集中補償是將電容器安裝在變電所（開關站）的35KV（66KV）或10KV的母線上，這種補償方法只能補償母線電源側線路的無功功率，而對變電所（開關站）及變壓器負荷側的無功得不到補償。其向量分析如下圖所示。

　　2.2低壓集中補償

　　電爐的低壓補償裝置，是將電容器安裝在冶煉變壓器的低壓出線端短網上，這種補償裝置較高壓補償范圍向后移到變壓器的二次出線端，把變電所母線至變壓器之間的線路和冶煉變壓器的無功功率進行了補償。這種補償裝置雖然比高壓補償擴大了范圍，對改善供電質量起到了一定作用，但是目前常用的方法是將電爐變的二次低壓通過一個升壓變壓器升高到上一級電壓供補償電容器用，這種補償方式需要增加一臺升壓變壓器，電容室，電抗器，放電線圈，冶煉變壓器至升壓變壓器之間的銅管和維修工作量。

　　電爐變壓器的二次電壓一般來說只有120伏～200伏左右，但某些電爐變壓器的二次電壓在240伏～390伏之間，而電流則高達幾萬安培，從變壓器二次出線端至電爐電極短網的感抗很大，電壓降高達20伏以上，無功損耗占的比例也很大，但這一段且未在低補范圍內。

　　2.3爐前低壓補償

　　爐前低壓補償是將電容器安裝在短網和電極銅瓦之間，它可以補償銅瓦前所有高低壓線路和變壓器的無功壓降，從上圖可以看出，它的補償范圍大，效果好，是電爐無功補償的優選方案。

　　3. 經濟效益分析

　　3.1補償后效能

　　綜合補償后主要效能：噸產品平均降低電耗1%～3%;在一次電流減小的同時提高有功功率，增加產量8%～10%;消除冶煉系統電流諧波和三相功率不平衡，優化冶煉系統電能質量;提高功率因數，月功率因數罰款改變為月獎勵;提高產品合格率;增大爐前變壓器出力和過負荷能力。

　　3.2經濟效益

　　3.2.1降低變壓器的占有率。通過低壓濾波無功補償裝置可降低變壓器的占有率，變壓器的電流下降，擴充變壓器容量，充分發揮投資效率，減輕變壓器長期超負荷的負擔，延長了變壓器的使用壽命，減少了日常維護費用。為企業創造了較大的效益。

　　3.2.2降低有功損失。電爐變壓器通過加裝低壓濾波補償裝置后線路中的無功電流大大減少，從而大大減少了有功損失，降低了變壓器有功損失（銅損）及降低線路損失。變壓器的損耗中的銅損和實際運行電流的平方成正比，所以電流的降低，變壓器的有功損耗一定隨之下降。線損降低率與變壓器銅損降低率是29%，大大節省了線路損失，減少了系統中的有功損失，節省了電能。

　　3.2.3治理諧波所產生的效益。濾除諧波，改善用電環境，提高產品質量，確保了設備正常運行。當系統存在諧波時：會增大有功損耗。諧波使設備絕緣強度降低，減少設備的使用壽命。諧波是變壓器產生噪音的重要來源。諧波會增大變壓器、電動機的渦流損失。由于集膚效應，諧波會增大線路、變壓器的阻值，變成√h倍，這樣大大增加了線路損耗，給企業造成了浪費。通過諧波治理，給企業創造了經濟效益。

　　3.2.4改善電壓質量。在線路中電壓損失△U的計算如下：△U=（P*R+Q*X）/1000U，當線路中的無功功率Q減少以后，電壓損失△U也就減少了，從而穩定了線路電壓，提高電壓質量。

　　3.2.5消除力率電費。電爐變壓器未投用濾波及補償裝置前功率因數平均為0.8左右，功率因數沒有達到國家標準。功率因數小于0.8時罰款比例為直接電費的5%，通過安裝濾波補償裝置可消除力率電費。功率因數超過0.9，還會產生獎勵電費。