矿热炉短网补偿设计运行分析
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由于矿热炉所需的补偿量很大, 投切组数太 多, 用传统的接触器做投切元件且不加滤波或串 联电抗器 (有的号称加电抗器, 但电抗率很小, 几 乎不起作用 ) , 导致涌流很大, 往往在百倍 以上, 谐波电流也被放大, 而作为补偿设备主体的自愈 式电容器由于结构原因最终经不住涌流、谐波的 冲击, 设备运行往往短则两月、长不过一年就损 坏, 无法使用了。高昂的造价与太高的损坏率制 约了矿热炉低压侧短网补偿的推广应用。即使用
The P rinciples of Com pensation at Bu sbar for Subm erged Arc Furnaces ZANG Ye-yang
( Bayannur P ow er Supply Bureau, Ne im onggu 015000, China ) Abstract: T his paper ontlined the advantages o f com pensation at busbar for subm erged arc furnaces, also included som e key po ints about design, m anu facturing and purchasing o f installatings for react ive com pensation at busbar to subm erged arc furnaces. K eyw ord s: A rc furnaces; Low-vo ltage; Com pensation
针对矿热炉而言, 无功的产生主要是由电弧 电流引起, 如在低压侧进行补偿, 那么大量的无功 电流将直接经低压电容器 和电弧形成的 回路流 过, 而不再经过补偿点前的短网、变压器及供电网 路, 在提高功率因数的同时, 可提高变压器的有功 输出率, 降低变压器、短网的无功消耗, 这一点在 图 1、图 2中表现得很清楚。
图 3 短网侧有功功率与视在功率关系图 可见电容器组并接于短网终端的补偿方式效 果远胜高、中压补偿, 经济性很明显, 在技术上也 没有多少困难。但为什么没有在矿热炉上得到推 广? 主要有下面几个原因: ( 1) 造价高。由于矿热炉变二次电压通常在 100V 左右, 电压 太低, 电 流太大, 往往达上 万安 培, 因此电容器、电抗器、投切开关等的数量很多, 加之以前的油浸式电容器体积很大, 价格太高, 而 自愈式电容器又不太成熟, 因而难以推广。 ( 2) 成功 案例太 少。以 前的 短网 补偿设 备 多, 由矿热炉不相关的企业或开关柜厂家生产, 他 们对补偿装置的特殊性认识不足, 导致设备损坏 率太高, 铁合金、电石厂有顾虑。 现在, 这一切都不成问题了, 随着电容器技术 的进步, 拥有成熟技术与经验的专业厂家的参与, 电容器组并接于短网终端的补偿方式日渐成熟, 应当成为铁合金、电石厂家的优先选择。 低压短网补偿与常规低压补偿比较, 其特点 是安装容量很大, 电压低、电流大, 工作回路中谐 波大, 温度高, 灰尘多, 环境恶劣, 因此, 要确保装 置寿命, 就必须采取针对性的措施。以下主要对 影响装置安全的关键因素作以分析, 希望能给计 划安装低压短网补偿的厂家有所帮助。 # 6#
2 谐波与涌流的抑制 如前所述, 矿热炉无功低压补偿装置的优点
逐渐得到了大家的认同, 自 2000年以来陆续有许 多厂家均投运了低压补偿装置, 但正常运行一年 以上的企业还不多, 主要原因是: 补偿装置上均没 有加装谐波阻尼元件 ) 串联电抗器, 使得非线性 负载矿热炉冶炼系统产生的 3次、5次、7次等高 次谐波电流被放大, 严重危害电容器或其它元件; 另外, 涌流问题也是导致电容器损坏的主要原因 之一。
图 4 晶闸管投入电容器电流波形
矿热炉低压无功补偿采用接触器方案的实践 也证明, 因合闸涌流大, 操作过电压高, 接触器、电 容器极容易损坏, 使用寿命短, 维护工作量大, 如: 长沙 1台矿热炉低压侧补偿用接触器方案, 使用 2个月, 接触器、电容器损坏 20% , 无法使用, 需改 造。四川德阳 1台矿热炉, 低压补偿采用接触器 方案, 使用 4个月后接触器、电容器开始损坏。使 用时间长短, 由两个因素决定, 一是负荷是否经常 变化。负荷经常变化, 接触器动作频繁的使用寿 命只有 2~ 4个月。负荷较稳定, 接触器很少动作 的使用寿命为 6~ 12个月。二是接触器的质量问 题, 现在一些制造厂选用进口接触器, 来达到延长 使用寿命的目的。但合闸涌流和操作过电压的问 题没解决, 接触器和电容器易损坏的问题就不能 根本解决。同时由于矿 热炉低压无功补 偿电流 大, 接触器容量有限, 补偿支路很多, 造价高, 维护 工作量相当大。如 1台 16500kVA 矿热炉低压侧 无功补偿 电流 20000A 左 右。 接触 器额 定电 流 120A左右, 使用电流 80A 左右, 3 个触点并联使 用, 也需接触器 250台以上。
第 28卷 第 5期 2007年 10月
电力电容器 Powe r Capac ito r
V o .l 28 N o. 5 O c t. 2007
矿热炉短网补偿设计运行分析
臧晔阳
(内蒙古巴彦淖尔电业局大用户管理分局, 内蒙古 015000) 摘 要: 阐述了矿热炉低压短网补偿的优点, 以及设计、生产、采购矿热炉低压短网补偿设备过 程中应注意的问题。 关键词: 矿热炉; 低压; 补偿 中图分类号: YM 714. 3 文献标识码: B 文章编号: 1002-0349( 2007) 05-0005-05
因此, 鉴于合闸冲 击涌流 ( 尤其多组 背对背 投切时 ) 和谐波 的影响, 对于短网侧安装 的电容 器组, 我们建议必须加串联电抗器, 在谐波含量超 标的情况下, 为提高电网及设备的运行质量, 应考 虑装设滤波回路。 3 投切开关选择
20世纪 70年代的补偿柜都是采用机械式交 流接触器, 至今仍有延用。但由于接触器三相触 头不能分别进行控制, 要通则几乎一起接通, 要断 则几乎一起断开, 无法选择最合适相位角投入和 切除电容, 这样在投入时会产生很大的冲击电流 ( 在串接较大电抗率的电抗器后, 涌流可限制在 5 倍以下 ) , 容易在接触器的触点处产生火花, 对自 愈式电容器的危害很大。由于冲击电流大, 限制 了一次投入的电容值, 不得不把一次投入的电容 值化整为零, 分几次投入, 这将降低补偿的准确性 和减慢响应的速度, 而且切除时常会引起接触器 触头烧焊现象, 容易粘住触头, 使接触器断不开, 影响正常工作, 实际使用时不得不对触头经常进 行维护和更换, 这影响了整个装置工作的可靠性 和工作寿命, 也降低了工作的准确性和动作响应 速度。
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功率不变时, 则视在功率 S2 = ( 0. 75 /0. 92 ) S1 = 0. 815, 即电流减小了 18. 5% , 变压器及短网的损 耗降低了 1 - 0. 8152 = 33. 5% , 见图 3 ( a) , 图 3 ( b)。
现在普遍采用单片机控制大功率晶闸管来投 切电容, 由于具有过零检测、过零触发的优点, 响 应速度快, 合闸涌流小, 无操作过电压, 无电弧重 燃, 从而基本上解决了投切时交流接触器经常拉 弧甚至于烧结而损坏的不良情况。其中的道理就
如船经过 船闸一样。只 要电容器在等电 压时投 入, 在 电流过零时自动切断, 无 论电容器的投或 切, 都不会产生冲击电流和过电压, 控制简便, 电 容器无需放电即可重新投入, 从而实现电容器的 频繁投切。 ( 图 4图片摘自华北电力大学研究论 文)
图 1 高压补偿简图
* 收稿日期: 2007-06-23
图 2 短网就地补偿简图 此时, 就地补偿了短网的无功消耗, 无功电流 不流经变压器等, 在提高功率因数的同时, 减少了 变压器、短网的损耗; 另外也提高了变压器的有功 出力, 变压器向炉膛输入的功率将会增大, 同时在 恰当的补偿方式下可改善因三相短网布置造成的
1 概述 矿热炉补偿按电容器安装位置, 一般分为三
种方式: 在炉变高压侧、中压侧实施的高压无功补 偿以及在炉变低压侧、短网侧直接补偿。高、中压 侧无功补偿对改善高压侧的供电状况, 提高运行 功率因数效果是明显的, 但对于降低低压侧短网 的无功损耗、提高变压器出力、改善因三相短网布 置造成的三相不平衡状况无能为力。
根据沈阳铝镁设计研究院的实测, A 厂 2 @ 1800 kVA 负荷, 当单台运行时 10kV 馈电线上的 基波和谐波电流在加料升负荷阶段变化很剧烈, 可以有几次从零到过负荷的大摆动, 但在熔化稳 定时, 能在满负荷下稳定运行, 从测量值来看, 主 要谐波电流含有率, I2 /I1 [ 5% ; I3 /I1 [ 11% , I4 /I1
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[ 3% , I5 /I1 [ 3% ; B 厂 1 @ 16. 5M VA 电石炉, 35 kV 进线各次谐波含有率都在 5% 以下, 其变化范 围 TH D 1= 2. 7% ~ 4. 6% , I3 /I1 = 0. 6% ~ 2. 9% ,
三相不平衡状况, 从而使电炉的功率中心, 热力中 心和炉膛中心重合, 电炉坩埚扩大, 热量分布合 理, 从而改善反应条件, 提高产量、质量, 降低单位 电耗、原料消耗。
另外, 短网补偿应同时考虑谐波因素, 以吸收 谐波, 减小进入变压器等用户电气系统的谐波含 量, 相应的延长设备的使用寿命。
理论上, 如短 网侧功率 因数从 0. 75提 高到 0. 90, 则 在 视在 功 率 不 变 时, 有 功 功率 增 加 了 ( 0190- 0. 75) / 0. 75 = 20% ; 这意味着在 炉膛余 量足够的情况下, 不增加变压器的负担, 炉子可从 电网多吸收 20% 的有功, 大幅提高产量。若有功
角形接法, 不会流出三次谐波。这种接法可以使 大量的三次谐波不能反应到高压侧, 但当工业硅 炉容量较大, 特别是接在中小容量的供电系统中, 谐波电流可能超标。 2台或以上工业硅炉所产生 的谐波, 随机性更强, 其合成谐波将很大, 必须给 予重视。对低压侧而言, 三次谐波是在低压侧产 生的, 大量的谐波电流必然在低压侧流动。
串联电阻的电容器专用接触器投切, 也仅仅是加 快了涌流的衰减, 并不能降低涌流倍数。
如工业硅炉电弧延时发弧, 电弧电阻的非线 性和电弧游动等因素, 使得电弧电流变化很不规 则。使得电弧炉电流不仅数值, 而且三相不平衡、 畸变和大幅脉动, 产生大量 谐波, 尤其以 3、5、7、 11次最为严重, 如不对此加以限制和吸收, 无论 对冶炼设备还是补偿装置, 都会产生不利的影响。 有部分观点认为由于冶炼变压器副边绕组均为三
以下对接触器与晶闸管无触点方案作一具体 对比。 3. 1 矿热炉低压无功补偿接触器方案的主要优 缺点
# 7#
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I5 /I1 = 0. 7% ~ 4. 0% , I7 /I1 = 0. 9% ~ 14% ; Ih /I1 < 0. 7% 。他们总结指出: 矿热炉谐波特征与钢厂 电弧炉基本一样, 以 3次谐波为主导的奇次谐波, 8次以上谐波含量较少; 因为电弧的不稳定也有 较强的偶次谐波产生。必须引起注意的是: 这些 数据是变压器一次侧的数据, 由于冶炼变压器副 边绕组均为三角形接法, 使大量的三次谐波不能 反应到高压侧, 实际上变压器一次侧的三次谐波 值应当更大, 正是因为对这一点认识不足, 一些厂 家加了 7% 的电抗器, 将本来就 很大的三次谐波 严重放大, 最终不得不咽下失败的苦果。
The P rinciples of Com pensation at Bu sbar for Subm erged Arc Furnaces ZANG Ye-yang
( Bayannur P ow er Supply Bureau, Ne im onggu 015000, China ) Abstract: T his paper ontlined the advantages o f com pensation at busbar for subm erged arc furnaces, also included som e key po ints about design, m anu facturing and purchasing o f installatings for react ive com pensation at busbar to subm erged arc furnaces. K eyw ord s: A rc furnaces; Low-vo ltage; Com pensation
针对矿热炉而言, 无功的产生主要是由电弧 电流引起, 如在低压侧进行补偿, 那么大量的无功 电流将直接经低压电容器 和电弧形成的 回路流 过, 而不再经过补偿点前的短网、变压器及供电网 路, 在提高功率因数的同时, 可提高变压器的有功 输出率, 降低变压器、短网的无功消耗, 这一点在 图 1、图 2中表现得很清楚。
图 3 短网侧有功功率与视在功率关系图 可见电容器组并接于短网终端的补偿方式效 果远胜高、中压补偿, 经济性很明显, 在技术上也 没有多少困难。但为什么没有在矿热炉上得到推 广? 主要有下面几个原因: ( 1) 造价高。由于矿热炉变二次电压通常在 100V 左右, 电压 太低, 电 流太大, 往往达上 万安 培, 因此电容器、电抗器、投切开关等的数量很多, 加之以前的油浸式电容器体积很大, 价格太高, 而 自愈式电容器又不太成熟, 因而难以推广。 ( 2) 成功 案例太 少。以 前的 短网 补偿设 备 多, 由矿热炉不相关的企业或开关柜厂家生产, 他 们对补偿装置的特殊性认识不足, 导致设备损坏 率太高, 铁合金、电石厂有顾虑。 现在, 这一切都不成问题了, 随着电容器技术 的进步, 拥有成熟技术与经验的专业厂家的参与, 电容器组并接于短网终端的补偿方式日渐成熟, 应当成为铁合金、电石厂家的优先选择。 低压短网补偿与常规低压补偿比较, 其特点 是安装容量很大, 电压低、电流大, 工作回路中谐 波大, 温度高, 灰尘多, 环境恶劣, 因此, 要确保装 置寿命, 就必须采取针对性的措施。以下主要对 影响装置安全的关键因素作以分析, 希望能给计 划安装低压短网补偿的厂家有所帮助。 # 6#
2 谐波与涌流的抑制 如前所述, 矿热炉无功低压补偿装置的优点
逐渐得到了大家的认同, 自 2000年以来陆续有许 多厂家均投运了低压补偿装置, 但正常运行一年 以上的企业还不多, 主要原因是: 补偿装置上均没 有加装谐波阻尼元件 ) 串联电抗器, 使得非线性 负载矿热炉冶炼系统产生的 3次、5次、7次等高 次谐波电流被放大, 严重危害电容器或其它元件; 另外, 涌流问题也是导致电容器损坏的主要原因 之一。
图 4 晶闸管投入电容器电流波形
矿热炉低压无功补偿采用接触器方案的实践 也证明, 因合闸涌流大, 操作过电压高, 接触器、电 容器极容易损坏, 使用寿命短, 维护工作量大, 如: 长沙 1台矿热炉低压侧补偿用接触器方案, 使用 2个月, 接触器、电容器损坏 20% , 无法使用, 需改 造。四川德阳 1台矿热炉, 低压补偿采用接触器 方案, 使用 4个月后接触器、电容器开始损坏。使 用时间长短, 由两个因素决定, 一是负荷是否经常 变化。负荷经常变化, 接触器动作频繁的使用寿 命只有 2~ 4个月。负荷较稳定, 接触器很少动作 的使用寿命为 6~ 12个月。二是接触器的质量问 题, 现在一些制造厂选用进口接触器, 来达到延长 使用寿命的目的。但合闸涌流和操作过电压的问 题没解决, 接触器和电容器易损坏的问题就不能 根本解决。同时由于矿 热炉低压无功补 偿电流 大, 接触器容量有限, 补偿支路很多, 造价高, 维护 工作量相当大。如 1台 16500kVA 矿热炉低压侧 无功补偿 电流 20000A 左 右。 接触 器额 定电 流 120A左右, 使用电流 80A 左右, 3 个触点并联使 用, 也需接触器 250台以上。
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矿热炉短网补偿设计运行分析
臧晔阳
(内蒙古巴彦淖尔电业局大用户管理分局, 内蒙古 015000) 摘 要: 阐述了矿热炉低压短网补偿的优点, 以及设计、生产、采购矿热炉低压短网补偿设备过 程中应注意的问题。 关键词: 矿热炉; 低压; 补偿 中图分类号: YM 714. 3 文献标识码: B 文章编号: 1002-0349( 2007) 05-0005-05
因此, 鉴于合闸冲 击涌流 ( 尤其多组 背对背 投切时 ) 和谐波 的影响, 对于短网侧安装 的电容 器组, 我们建议必须加串联电抗器, 在谐波含量超 标的情况下, 为提高电网及设备的运行质量, 应考 虑装设滤波回路。 3 投切开关选择
20世纪 70年代的补偿柜都是采用机械式交 流接触器, 至今仍有延用。但由于接触器三相触 头不能分别进行控制, 要通则几乎一起接通, 要断 则几乎一起断开, 无法选择最合适相位角投入和 切除电容, 这样在投入时会产生很大的冲击电流 ( 在串接较大电抗率的电抗器后, 涌流可限制在 5 倍以下 ) , 容易在接触器的触点处产生火花, 对自 愈式电容器的危害很大。由于冲击电流大, 限制 了一次投入的电容值, 不得不把一次投入的电容 值化整为零, 分几次投入, 这将降低补偿的准确性 和减慢响应的速度, 而且切除时常会引起接触器 触头烧焊现象, 容易粘住触头, 使接触器断不开, 影响正常工作, 实际使用时不得不对触头经常进 行维护和更换, 这影响了整个装置工作的可靠性 和工作寿命, 也降低了工作的准确性和动作响应 速度。
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功率不变时, 则视在功率 S2 = ( 0. 75 /0. 92 ) S1 = 0. 815, 即电流减小了 18. 5% , 变压器及短网的损 耗降低了 1 - 0. 8152 = 33. 5% , 见图 3 ( a) , 图 3 ( b)。
现在普遍采用单片机控制大功率晶闸管来投 切电容, 由于具有过零检测、过零触发的优点, 响 应速度快, 合闸涌流小, 无操作过电压, 无电弧重 燃, 从而基本上解决了投切时交流接触器经常拉 弧甚至于烧结而损坏的不良情况。其中的道理就
如船经过 船闸一样。只 要电容器在等电 压时投 入, 在 电流过零时自动切断, 无 论电容器的投或 切, 都不会产生冲击电流和过电压, 控制简便, 电 容器无需放电即可重新投入, 从而实现电容器的 频繁投切。 ( 图 4图片摘自华北电力大学研究论 文)
图 1 高压补偿简图
* 收稿日期: 2007-06-23
图 2 短网就地补偿简图 此时, 就地补偿了短网的无功消耗, 无功电流 不流经变压器等, 在提高功率因数的同时, 减少了 变压器、短网的损耗; 另外也提高了变压器的有功 出力, 变压器向炉膛输入的功率将会增大, 同时在 恰当的补偿方式下可改善因三相短网布置造成的
1 概述 矿热炉补偿按电容器安装位置, 一般分为三
种方式: 在炉变高压侧、中压侧实施的高压无功补 偿以及在炉变低压侧、短网侧直接补偿。高、中压 侧无功补偿对改善高压侧的供电状况, 提高运行 功率因数效果是明显的, 但对于降低低压侧短网 的无功损耗、提高变压器出力、改善因三相短网布 置造成的三相不平衡状况无能为力。
根据沈阳铝镁设计研究院的实测, A 厂 2 @ 1800 kVA 负荷, 当单台运行时 10kV 馈电线上的 基波和谐波电流在加料升负荷阶段变化很剧烈, 可以有几次从零到过负荷的大摆动, 但在熔化稳 定时, 能在满负荷下稳定运行, 从测量值来看, 主 要谐波电流含有率, I2 /I1 [ 5% ; I3 /I1 [ 11% , I4 /I1
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[ 3% , I5 /I1 [ 3% ; B 厂 1 @ 16. 5M VA 电石炉, 35 kV 进线各次谐波含有率都在 5% 以下, 其变化范 围 TH D 1= 2. 7% ~ 4. 6% , I3 /I1 = 0. 6% ~ 2. 9% ,
三相不平衡状况, 从而使电炉的功率中心, 热力中 心和炉膛中心重合, 电炉坩埚扩大, 热量分布合 理, 从而改善反应条件, 提高产量、质量, 降低单位 电耗、原料消耗。
另外, 短网补偿应同时考虑谐波因素, 以吸收 谐波, 减小进入变压器等用户电气系统的谐波含 量, 相应的延长设备的使用寿命。
理论上, 如短 网侧功率 因数从 0. 75提 高到 0. 90, 则 在 视在 功 率 不 变 时, 有 功 功率 增 加 了 ( 0190- 0. 75) / 0. 75 = 20% ; 这意味着在 炉膛余 量足够的情况下, 不增加变压器的负担, 炉子可从 电网多吸收 20% 的有功, 大幅提高产量。若有功
角形接法, 不会流出三次谐波。这种接法可以使 大量的三次谐波不能反应到高压侧, 但当工业硅 炉容量较大, 特别是接在中小容量的供电系统中, 谐波电流可能超标。 2台或以上工业硅炉所产生 的谐波, 随机性更强, 其合成谐波将很大, 必须给 予重视。对低压侧而言, 三次谐波是在低压侧产 生的, 大量的谐波电流必然在低压侧流动。
串联电阻的电容器专用接触器投切, 也仅仅是加 快了涌流的衰减, 并不能降低涌流倍数。
如工业硅炉电弧延时发弧, 电弧电阻的非线 性和电弧游动等因素, 使得电弧电流变化很不规 则。使得电弧炉电流不仅数值, 而且三相不平衡、 畸变和大幅脉动, 产生大量 谐波, 尤其以 3、5、7、 11次最为严重, 如不对此加以限制和吸收, 无论 对冶炼设备还是补偿装置, 都会产生不利的影响。 有部分观点认为由于冶炼变压器副边绕组均为三
以下对接触器与晶闸管无触点方案作一具体 对比。 3. 1 矿热炉低压无功补偿接触器方案的主要优 缺点
# 7#
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电力电容器 Powe r Capac ito r
I5 /I1 = 0. 7% ~ 4. 0% , I7 /I1 = 0. 9% ~ 14% ; Ih /I1 < 0. 7% 。他们总结指出: 矿热炉谐波特征与钢厂 电弧炉基本一样, 以 3次谐波为主导的奇次谐波, 8次以上谐波含量较少; 因为电弧的不稳定也有 较强的偶次谐波产生。必须引起注意的是: 这些 数据是变压器一次侧的数据, 由于冶炼变压器副 边绕组均为三角形接法, 使大量的三次谐波不能 反应到高压侧, 实际上变压器一次侧的三次谐波 值应当更大, 正是因为对这一点认识不足, 一些厂 家加了 7% 的电抗器, 将本来就 很大的三次谐波 严重放大, 最终不得不咽下失败的苦果。