電爐無功補(bǔ)償及諧波治理措施的探討

1.諧波對(duì)供電系統(tǒng)的影響

　　大量高新技術(shù)企業(yè)對(duì)供電質(zhì)量和可靠性具有嚴(yán)格的要求。在大型機(jī)器制造廠，0.1s的電壓突降就可能造成異常的生產(chǎn)狀況和質(zhì)量破壞;幾分之一秒的不正常供電就可能使當(dāng)今自動(dòng)化設(shè)備控制的連續(xù)精加工生產(chǎn)線造成大規(guī)模的混亂，其損失是難以估計(jì)的，這些用戶對(duì)不合格電力的容許度只有1～2周波。總之非線性負(fù)荷產(chǎn)生的畸變波-諧波污染對(duì)電網(wǎng)電力設(shè)備的危害是極其嚴(yán)重的，主要表現(xiàn)在如下幾個(gè)方面：（1）導(dǎo)致中性線電流過大，造成中性線發(fā)熱甚至發(fā)生火災(zāi);（2）加大線路損耗，使電力電纜過熱、絕緣老化，電力電纜產(chǎn)生過負(fù)荷或過電壓;（3）大大增加電網(wǎng)發(fā)生諧振的可能，諧振產(chǎn)生的過電壓和過電流會(huì)引起更嚴(yán)重的事故;（4）變壓器產(chǎn)生發(fā)熱，損耗增加，同時(shí)降低變壓器容量;（5）損害電網(wǎng)中的敏感用電設(shè)備;（6）使電容器過載發(fā)生，加速電容器老化和損毀;（7）對(duì)繼電保護(hù)和自動(dòng)控制裝置產(chǎn)生干擾和造成誤動(dòng)作或拒動(dòng)，造成區(qū)域性停電事故;（8）畸變電流在旋轉(zhuǎn)電繞組中流通，使電機(jī)產(chǎn)生附加功率損耗而過熱，產(chǎn)生脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩和噪聲;（9）引起計(jì)量儀表，特別是感應(yīng)式電能表產(chǎn)生計(jì)量誤差;（10）對(duì)通信、電子設(shè)備產(chǎn)生干擾。

　　由于現(xiàn)有技術(shù)的局限性，電爐存在生產(chǎn)率降低和電能質(zhì)量得不到保證的問題。作為一種特殊的非線性沖擊負(fù)荷，在冶煉過程中，會(huì)產(chǎn)生大量諧波、負(fù)序電流，產(chǎn)生無功沖擊并導(dǎo)致電壓波動(dòng)和閃變，冶煉功率因數(shù)低等電能質(zhì)量問題，降低供電系統(tǒng)的可靠性，危害其他設(shè)備的安全運(yùn)行，也影響電爐自身的產(chǎn)量、質(zhì)量，使電耗、電極消耗增大，從而成為電網(wǎng)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(wǎng)的電能質(zhì)量，達(dá)到國標(biāo)和電業(yè)管理部門的規(guī)定，是決定電爐（如LF爐、電弧爐等）是否被允許生產(chǎn)和能否正常安全生產(chǎn)的關(guān)鍵因素。因此，積極有效地治理諧波，已經(jīng)成為越來越緊迫的技術(shù)課題。

　　2.電爐應(yīng)用企業(yè)節(jié)電無功補(bǔ)償及諧波治理的措施

　　無功補(bǔ)償方式很多，目前大部分采用并聯(lián)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(yōu)點(diǎn)，因此應(yīng)用的比較廣泛。在本行業(yè)大多采用電容器高壓側(cè)補(bǔ)償或在爐前進(jìn)行低壓補(bǔ)償這兩種方式。

　　2.1高壓集中補(bǔ)償

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

　　2.2低壓集中補(bǔ)償

　　電爐的低壓補(bǔ)償裝置，是將電容器安裝在冶煉變壓器的低壓出線端短網(wǎng)上，這種補(bǔ)償裝置較高壓補(bǔ)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(jìn)行了補(bǔ)償。這種補(bǔ)償裝置雖然比高壓補(bǔ)償擴(kuò)大了范圍，對(duì)改善供電質(zhì)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(gè)升壓變壓器升高到上一級(jí)電壓供補(bǔ)償電容器用，這種補(bǔ)償方式需要增加一臺(tái)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(dá)幾萬安培，從變壓器二次出線端至電爐電極短網(wǎng)的感抗很大，電壓降高達(dá)20伏以上，無功損耗占的比例也很大，但這一段且未在低補(bǔ)范圍內(nèi)。

　　2.3爐前低壓補(bǔ)償

　　爐前低壓補(bǔ)償是將電容器安裝在短網(wǎng)和電極銅瓦之間，它可以補(bǔ)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(bǔ)償范圍大，效果好，是電爐無功補(bǔ)償?shù)膬?yōu)選方案。

　　3. 經(jīng)濟(jì)效益分析

　　3.1補(bǔ)償后效能

　　綜合補(bǔ)償后主要效能：噸產(chǎn)品平均降低電耗1%～3%;在一次電流減小的同時(shí)提高有功功率，增加產(chǎn)量8%～10%;消除冶煉系統(tǒng)電流諧波和三相功率不平衡，優(yōu)化冶煉系統(tǒng)電能質(zhì)量;提高功率因數(shù)，月功率因數(shù)罰款改變?yōu)樵陋?jiǎng)勵(lì);提高產(chǎn)品合格率;增大爐前變壓器出力和過負(fù)荷能力。

　　3.2經(jīng)濟(jì)效益

　　3.2.1降低變壓器的占有率。通過低壓濾波無功補(bǔ)償裝置可降低變壓器的占有率，變壓器的電流下降，擴(kuò)充變壓器容量，充分發(fā)揮投資效率，減輕變壓器長期超負(fù)荷的負(fù)擔(dān)，延長了變壓器的使用壽命，減少了日常維護(hù)費(fèi)用。為企業(yè)創(chuàng)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(bǔ)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(shí)際運(yùn)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(jié)省了線路損失，減少了系統(tǒng)中的有功損失，節(jié)省了電能。

　　3.2.3治理諧波所產(chǎn)生的效益。濾除諧波，改善用電環(huán)境，提高產(chǎn)品質(zhì)量，確保了設(shè)備正常運(yùn)行。當(dāng)系統(tǒng)存在諧波時(shí)：會(huì)增大有功損耗。諧波使設(shè)備絕緣強(qiáng)度降低，減少設(shè)備的使用壽命。諧波是變壓器產(chǎn)生噪音的重要來源。諧波會(huì)增大變壓器、電動(dòng)機(jī)的渦流損失。由于集膚效應(yīng)，諧波會(huì)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(yè)造成了浪費(fèi)。通過諧波治理，給企業(yè)創(chuàng)造了經(jīng)濟(jì)效益。

　　3.2.4改善電壓質(zhì)量。在線路中電壓損失△U的計(jì)算如下：△U=（P*R+Q*X）/1000U，當(dāng)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(wěn)定了線路電壓，提高電壓質(zhì)量。

　　3.2.5消除力率電費(fèi)。電爐變壓器未投用濾波及補(bǔ)償裝置前功率因數(shù)平均為0.8左右，功率因數(shù)沒有達(dá)到國家標(biāo)準(zhǔn)。功率因數(shù)小于0.8時(shí)罰款比例為直接電費(fèi)的5%，通過安裝濾波補(bǔ)償裝置可消除力率電費(fèi)。功率因數(shù)超過0.9，還會(huì)產(chǎn)生獎(jiǎng)勵(lì)電費(fèi)。