SNTA1006系列矿热炉低压短网动态无功补偿

二、矿热炉无功补偿与谐波治理技术的历史和现状

      到目前为止，为了提高矿热炉的功率因数，国内大部分厂家采用两种补偿方式，如图1，图2所示

1.1 矿热炉工作原理

矿热炉是一种耗电量巨大的工业电炉，又称电弧电炉或电阻电炉。主要由炉壳，炉盖、炉衬、

短网，水冷系统，排烟系统，除尘系统，电极壳，电极压放及升降系统，上下料系统，把持器，烧穿器，液压系统，矿热炉变压器及各种电气设备等组成。它主要用于还原冶炼矿石，碳质还原剂及溶剂等原料。主要生产电石、黄磷、硅、锰铁、铬铁、钨铁合金等产品，是冶金业中

重要工业原料。矿热炉是一种陆续加料，间歇式出渣，连续作业的工业电炉。其工作特点是采用碳质或镁质耐火材料作炉衬，使用自培电极，电极插入炉料进行埋弧操作，利用电弧的能量及电流通过炉料而产生能量来加热炉料，炉料在高温作用下产生化学反应生成各种化合物如硅铁、电石、单晶硅等等工业原料。

1.2 矿热炉的工作特性

根据矿热炉的结构特点以及工作特点，矿热炉的系统电抗的70％是由短网系统产生的，而短网是一个大电流工作的系统，最大电流可以达到上万安培，因此短网的性能决定了矿热炉的性能，正是由于这个原因，因此矿热炉的自然功率因数很难达到0.85以上，绝大多数的炉子的自然功率因数都在0.7~0.8之间，较低的功率因数不仅使变压器的效率下降，消耗大量的无用功，不仅如此，某些矿热炉（如工业硅炉）工作时，由于电弧延时发弧，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发生畸变和大幅脉动，而且还产生大量谐波，尤其以3、5、7、次含量较大，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。电力部门对功率因数低和谐波超标都要加收额外的电力罚款。因此提高短网的功率因数，治理谐波污染，提高电能质量，降低电网损耗是企业节能降耗，提高冶炼效率的最有效手段。

1.3 矿热炉对其他设备的影响

由于矿热炉工作时功率因数低并且具有较大的谐波含量，对电气设备的影响主要有以下三点：

1.3.1 低功率因数运行损耗大

低功率因数负载从系统吸收大量无功功率，大大增加了系统的线损和变压器的损耗。由于矿热炉长期处于过负荷状态，使电网长时间高负荷（输送无功成份含量大）运行，降低了电网的电压水

平，造成了系统电压的不稳定，不利于电网运行的经济性；由于短网感抗较大，使得流经矿热炉的电流大部分属无功成份，大大降低了变压器的有功出力，同时也增大了变压器的损耗，单位耗电量加大，产能下降，产品合格率也受到很大程度上的影响；上万安培的大电流流经短网，损耗更是高不可估，导体温升有较大幅度升高，更容易使导体受到腐蚀，使企业成本抬高。

1.3.2 谐波对供电变压器的影响

谐波电流不但引起变压器绕组附加损耗，也引起外壳、外层硅钢片和某些紧固件发热，并且有可能引起局部的严重过热。谐波使变压器噪声增大，谐波源造成的流经变压器的谐波电流在谐振条件下可能损害变压器。

1.3.3 谐波对并联补偿电容器的影响

谐波会引起电容器局部放电，加速电容器介质老化，缩短使用寿命。在一定条件下谐波极易与无功补偿电容器组引起谐振或谐波放大，从而导致电容器因过负荷或过电压而损坏。

针对矿热炉而言，无功的产生主要是由电弧电流引起，如在炉变高压侧实施无功补偿，补偿对改善高压侧的供电状况，提高运行功率因数的效果是明显的，但对于降低低压侧短网的无功损耗、提高变压器出力、提高产品合格率、抑制谐波却无能为力；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。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，从而提高产品产量、质量，降低单位电耗、原料消耗。

可见电容器组并接于短网终端的补偿方式效果远胜高压补偿，经济性很明显，在技术上也没有多少困

难。但至今却一直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，补偿容量大，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）控制方式落后。传统的接触器投切电容器，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，安全系数低。

（3）设计经验缺乏。以前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，设备未配置滤波电抗器，不能有效抑制谐波，且保护不完善，导致设备损坏率太高。

（4）低压补偿装置安装后，改变了矿热炉变实际运行参数，给用户生产操作人员带来操作不便，容易误导操作人员。

三、矿热炉无功谐波综合治理装置

3.1 装置概述

矿热炉谐波无功综合治理装置主要由矿热炉低压动态无功补偿装置和固定补偿装置两部分组成。两部分并联安装在矿热炉短网侧，动态补偿部分串联电抗率适合的电抗器，抑制矿热炉工作时产生的谐波电流，并对短网实现快速动态补偿；固定补偿部分容量输出直接受电网电压影响，无功输出基本恒定，满足矿热炉感性最小无功需求量。

3.2 装置工作原理及命名原则

原理示意图（图三）

                                                                              图三

3.3 装置主要功能

3.3.1 提高矿热炉功率因数，提高矿热炉变压器有功出力；

3.3.2 吸收矿热炉产生的谐波电流，改善电能质量；

3.3.3 降低矿热炉变压器运行温度，提高变压器使用寿命；

3.3.4 提高用户终端电压，降低线路损耗；

3.3.5 抑制电压波动和闪变，提高电能质量；

3.3.6 提高产品合格率，降低单位电耗；

3.3.7 减少损耗、节约电能，提高矿热炉产能。

3.4 装置参数

3.4.1 使用环境环境条件

最高温度：+45℃

最低温度：－45℃

海拔高度：≤2000M

环境相对湿度：70%

污秽等级：Ⅲ级

安装场所：户内或户外

3.4.2 控制目标：功率因数 0.95～0.99

并网侧谐波含量满足《电能质量公用电网谐波》GB/T 14549－93要求

3.4.3 响应时间：

矿热炉谐波无功综合治理装置：响应时间≤500mS。

3.4.4 终端控制器技术指标：

基本参数：

电源电压：AC 220V ±20%

电源频率：50HZ ±5%

取样电压：AC 100V

取样电流：0 – 5A

测量精度：

电压：±0.2% 电流：±0.2%

有功功率：±0.5% 无功功率：±0.5%

功率因数：±0.5%

3.4.6 产品选型说明

整套装置由补偿主体、后台监控系统组成。补偿主体由若干补偿单元和控制柜组成，单个补偿单元的补偿容量为162×4kvar，安装于一面柜体内，柜体尺寸为1200×1200×2500；每套装置配备一面控制柜，柜体尺寸与补偿单元柜一致；后台监控系统，每套装置配备一套后台监控系统。

3.4.7 装置特点

● 无触点开关与交流接触器相结合的组合开关，自动投切，可以连续频繁投切电容器组而不影响开关和电容器的寿命；

● 晶闸管柔性投切技术解决了暂态冲击，合闸涌流，电弧重燃，电容器第二次投入需放电的问题；

● 无触点开关晶闸管投切电容器完成后，电容器的正常工作电流只流过交流接触器主触点而晶闸管不导通，这样既保证了交流接触器分合时无拉弧现象，又消除了晶闸管本身的功率损耗；

● 装置装有串联电抗器，既可以抑制系统谐波电流放大，又可以吸收部分谐波电流，使系统电压电流波形更加平滑；

● 快速检测系统情况，根据系统所需要的无功量进行快速、实时补偿；

● 装置配有后台机，可将矿热炉运行参数传送到矿热炉操作平台，为工作人员工序操作提供便利；

● 液晶屏实时显示系统电压、功率因数、投入系统电容器的组数、补偿电流等数据；

● 动态响应时间快，响应时间≤500mS；

● 自带防尘装置，全封闭结构，自净化系统，保证设备在恶劣的工作环境下安全可靠运行；

● 内部控制元件采用大功率晶闸管、接触器，使整体装置占用空间小；

● 箱式结构，安装快捷，美观大方。

3.4.8保护齐全

● 速断保护  ● 过流保护  ● 过压保护  ● 失压保护  ● 欠压保护

四、各种矿热炉无功补偿装置的技术经济比较

参照上表，在炉变高压侧实施高压无功补偿，这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、提高产品合格率、抑制谐波却无能为力；采用接触器投切电容器的低压无功补偿虽然弥补了高压补偿的部分缺点，但是由于接触器本身的工作特性以及矿热炉变二次侧的工况等原因，此方案的补偿装置使用寿命极短，元件损坏率极高，维护工作繁重，往往用户的投资还没有得到更大的回报，装置的使用寿命已达到了极限，给用户又带来更大的经济损失；我公司的矿热炉低压无功补偿谐波治理装置采用了晶闸管、接触器组合开关柔性投切的技术，这种技术可有效解决传统接触器由于分合闸出现拉弧烧毁主触点的问题，又可解决采用传统晶闸管电压过零投切技术时产生的过电压、过电流、暂态冲击导致的触发可靠性低、晶闸管易损坏等问题，这样从实质上解决了传统的项目投资大，控制方式落后，设计经验缺乏，误导操作人员的四大顽症，降低了用户的生产成本，提高了用户的电能质量，保证了用户用电设备安全可靠的运行，确保用户经济效益大化。

五、矿热炉短网补偿经济效益分析案例

对于一台容量为12500KVA的矿热炉，自然功率因数约0.74，年耗电费约3300万元人民币，年产电石28800吨，耗电9500万kwh，吨耗电3300kwh电，目前每吨电石约3100－3500，成本

约2000元，每吨纯利润约1000元左右。如果每年目标功率因数约0.96，补偿容量6000kvar,则年节电约6％左右，有功出力增加20％左右，约每年节电200万元，增加产量年增产

5760吨，增加利润收入576万。每年的总收益约776万元。如果目标功率因数为0.9，则补偿容量为4000kvar，则年节电约3％左右，有功功率增加10％左右，约每年节电100万元，增加产量年增产2880吨，增加利润收入288万。每年的总收益约388万元。提高短网侧的功率因数后，炉内炉料反应需要的温度得到进一步保证，产品合格率得到了很大程度的提高，因此从多个角度讲，增加短网侧补偿装置能带来巨大的经济效益，约一年即可收回全部投资。

六、设计矿热炉谐波无功综合治理装置所需的基础数据

矿热炉变压器并网母线最小、最大短路容量；矿热炉变压器铭牌参数；矿热炉变压器正常运行参数，包括电压、电流、最大有功功率及对应的功率因数、谐波含量（有则提供，无则可免）等数据。