刍议矿热炉无功补偿新技术

包金国

（北京思能达节能电气股份有限公司，河南 郑州 450001）

1 矿热炉的节能原理

矿热炉电气系统主要由冶炼变压器、短网、电极和熔池四部分组成。交流电流分别由三根电极导入炉内，电流经电极与电极间的炉料在电极下方产生电弧，在电弧高温作用下，炉料产生化学反应生成各种化合物比如硅铁、电石、单晶硅等等。冶炼变压器、短网部分是感性负载，需耗掉大量的无功功率。而无功的损耗又需要消耗有功，不仅影响产品的质量与产量，并且使冶炼变压器的使用效率降低，产品能耗升高[1]。如果在电极和短网之间通过并联电容组对无功进行补偿，那么，就可以提高功率因数，减小线损，提高电极对地电压，从而达到节能减耗的目的，这就是下面重点所讲的无功补偿中的低压并联电容器补偿的工作原理。

2 无功补偿的方式

根据电工基本知识知道，功率因数COSθ=R／，R是炉子电阻。包括四个部分：变压器电阻、电流网路电阻、炉料电阻和熔池电阻。X是炉子电抗，包括三方面：变压器电抗、设备电抗和炉内电抗。要提高COSθ，一是要提高电阻R。但如果提高变压器电阻、电流网路电阻，只能使导体变热，损失的功率增加，使电效率降低，因此，这两部分要尽量降低，所以要提高R只能从工艺上采取措施来提高熔池电阻和电炉炉料电阻；二是要降低炉子电抗，占主导地位的电炉变压器二次侧电流回路中设备的电抗值占总电抗值的60%～70%，因此电炉变压器的电抗应尽可能低。在电炉工艺参数和设备参数已定的情况下，要有效提高系统的功率因数，最有效的办法就是增加电力电容器无功补偿。对电炉来说，无功补偿有三种方式，高压补偿、中压补偿和低压补偿。

高压补偿是在电炉变压器一次侧接入并联串接10KV电容器组进行功率因数补偿，它能降低供电线路电能损失，释放供电设备容量，减少线路压降，满足供电部门对功率因数的要求。高压补偿的优点是补偿电压高、电流小、电容器利用率高，一般情况下为固定容量补偿，运行稳定，缺点是不能减少补偿接入点后端的电炉变压器绕组和短网部分无功功率，对企业的增产、节能并无实际意义[2]。

中压补偿的优点与高压补偿相似，但由于补偿接入端是电炉变压器中压补偿端子，主要的无功补偿容量来自变压器，而并非从电网获得。因此，在大中型电炉变压器中，中压补偿具有不可忽视的经济效益。

低压补偿是在电炉变压器低压二次侧短网最靠近电极的地方接入电容器组进行分相动态补偿。由于接入点位于无功损耗和电压损失最大的电流回路上，不但能提高整个供电系统的功率因数，还对提升电极电压、减少电能损失、增加产量、平衡三相功率有着十分明显的作用。

3 矿热炉低压无功补偿的应用

低压补偿不是一项简单的电工技术，需要针对不同的电炉系统了解电炉工艺参数、短网结构和压降，选择合适的接入点，充分认识补偿设备运行环境，科学计算补偿容量，选择合理控制方式，避免投切涌流和操作过电压，选择合适配比的电抗器抑制谐波对电容器造成发热的致命影响，否则低压补偿设备将不能正常运行。

现以某电石厂的一台矿热炉为例，说明通过低压无功补偿方式来提高电炉的功率。这台矿热炉其冶炼变压器容量为5000kVA，一次侧电压为10KV，二次侧电压为100V，功率因数为0.90-0.91，炉子运行情况比较稳定。为了进一步降低能耗，我们在低压侧采取电容器补偿的办法来提高电极对地电压，将功率因数提高到0.94-0.95。

3.1 选择合适的补偿位置

在电极之前的短网、变压器感性负载需要消耗大量的无功，测试资料表明[2]，短网部分消耗的无功占总量的70%。在一次电压一定的情况下，电极对地电压的大小与感性负载消耗的无功多少有直接关系，如果在变压器二次侧进行补偿，那么补偿的无功只有一小部分补给了变压器，而大部分则通过变压器补给了10kv的高压线路，短网消耗的无功并没有得到有效补偿，对用电企业来说是不划算的。因此，我们将补偿点选在电极与短网之间。

3.2 确定补偿容量

一般情况下，补偿后的功率因数不要超过0.95，否则就会存在过补现象，影响系统的稳定性。根据理论计算及借鉴成功的经验[3]，选定整个补偿容量798kvar（三相)，换算成电容器只数，共228只容量为3.5kvar的电容器，因为3个电极在物理上的分布为非完全对称，短网的长短也不同，因此实际布置为两相，一相80只电容器，一相68只电容器。确定电容器长期运行电压时，应使电容器的额定电压和接入点的实际运行电压接近或相等，充分发挥电容器的无功输出，同时需要考虑电容器投入运行后可能会导致电压升高。实际运行中，由于一次侧电压有时高于10kv，使二次侧电压可能会达到106V左右。因此，以运行中可能出现的最高电压的1.1倍作为电容器的额定工作电压，可以保证电容器在可能出现的最高电压下长期运行。因此，确定低压电容器额定电压为120V，额定电流30A。

3.3 组成补偿系统需要的硬件

低压并联电容器补偿系统主要由电容柜、控制柜和控制台等组成，信号检测、手、自动投切电容器的功能通过一台OMRON SYSMAC C60PLC完成[4]，集成在控制台内。每2面电容柜、1面控制柜组成一组，分成3个单相对称分布在3根电极的上方。柜子下方是一个整体的风道，通过每面电容柜上配置的风机将热量散发到空气中。

3.4 控制方式

结合矿热炉的工作流程和考虑到对电容器的保护，在电容器投入操作之前，一定要检测电容器两端的电压、温度、风机电源、断路器及各电极电流等状态，在确保电容器两端工作电压小于额定电压的110%、各电极电流都处于稳定工作、电容器的温度、风机电源及断路器的工作电源正常后。按顺序分相延时投入电容器组，同时投入风冷设备；反之，在上述任一条件不能满足的情况下，不能执行投入操作。当电容器组投入运行后，如发生风机电源故障、电容器温度超出范围、断路器工作故障或电极工作状态不稳定时，经适当延时后，应把三相电容器组和风机同时切除，并投入放电电阻。

3.5 运行配合

低压无功补偿设备投入运行后，电石炉的运行工况发生明显变化，电极电流与炉变高压侧电流不再成正比例，电极电流变为炉变低压侧电流与低压补偿电容器电流的矢量和，炉变高压侧的电流变化已不能正确反应出电石炉电极的电流变化情况，应改为测量炉变输出的有功功率，更好的方法是在电极处安装电流互感器，直接测量电极电流，正确指导电极的操作。

结论

理论和实践表明，要提高矿热炉的生产效率，达到节能降耗的目的，应该针对不同的情况采取不同的无功补偿方式，本文阐述的低压补偿的补偿效果虽好，但要受电炉各种复杂因素的影响，实施的技术风险较大，投资大但收益最高。

[1]金修海 赵宗保.低压并联电容器补偿在矿热炉上的应用.工业加热，2002：5-6.

[2]李建国 李兴波 杨树明.浅谈矿热炉无功补偿及实践.机械工业出版社，2005：12-14.

[3]刘宝林 电气设备设计手册.中国水利水电出版社，1998:23-25.

[4]崔立军 变压器理论与设计.科学技术文献出版社，1994:45-46.