提高冶炼企业用电功率因数的方法

田 浩，王仓继，刘少平

(岐山县电力局生产技术部，陕西宝鸡 722405)

冶炼用中频炉具有维护方便、操作简单可靠、可准确地控制调整金属液温度与成分、熔炼速度快、成型铸件质量好且工作噪音和污染均小于冲天炉等特点。因此在冶炼领域中应用广泛，受到了冶炼企业的青睐。据调研，某供电公司供电区域内共有铸造冶炼企业21户，全部使用中频电炉进行金属冶炼，中频炉熔炼金属时需要消耗大量电能、产生谐波，节能降耗、谐波治理是两个被广泛关注的问题。

1 企业供电系统

某公司由10 kV专线供电，使用中频炉熔炼金属液，铸件年产量3万吨。该公司变压器总容量为7 830 kVA，10 kV高压母线系统所载负荷有4%:6台630 kW 1吨中频炉;1台1 250 kW 2吨中频炉;1台250 kW高压电机;1台300 kW动力负荷。原设计配电变低压侧配置电容补偿柜。

2 供电系统存在的问题及分析

2.1 存在问题

(1)2011年月平均功率因数约为0.82，未达到供电部门0.90的要求，调整电费扣罚每月约3万元;电压谐波总畸变率含量约为6%，高于国标限值4%。(2)专用变压器噪声大、油温高，基本达到80℃，需外加风机散热。(3)中频炉工作时，低压无功补偿柜内的电容器容易烧毁，其他低压设备会出现不明原因跳闸。

2.2 原因分析

(1)中频炉的谐波特性。中频电炉是将工频50 Hz交流电进行整流，然后再逆变为中频10～300 Hz电源，利用电磁感应加热。中频炉属交－直－交供电，整流部分采用三相桥式电路，直流回路的脉动数为6，变流器的特征谐波频谱

式中，P为变压器脉动数;k为正整数。由式(1)得，中频炉的特征谐波为5、7、11、13次谐波，由于存在非对称触发等原因，可能会产生其他次数的非特征谐波，但主要以特征次谐波为主。

(2)原理分析。大量无功功率由专用变压器提供，加重了变压器的负担。由于低压配电的电容器也容易烧毁，无法正常运行，为确保设备安全，中频炉补偿柜的使用应当慎重。避免造成整体功率因数偏低，成本过高。为保证10 kV母线的功率因数及抑制谐波的放大，达到相关要求，同时提高补偿装置的安全性和稳定性，实现无人值守，要求在10 kV母线侧增加1套高压自动无功功率补偿装置，以提高月平均功率因数为主，同时抑制谐波放大。

(3)数据测试。测试点选在10 kV母线侧，采用法国CA8332B电能质量测试仪对电能进行测试，结果可知，电压谐波总畸变率含量约为6%，自然功率因数为0.82，谐波电流主要集中在5次、7次和11次。

表1 三相电压谐波总畸变含量数值

中频炉生产时总进线谐波电流测量，如图3所示。

图3 两相电流波形

图4 总进线的电压、电流谐波柱状图

由于现场B相无法固定电流钳，因此B相电流无法测试，而这对测试数据并无影响。

在测试时，电压互感器产生二次电压信号，故图5测得的有功功率、无功功率为非实在值。

(4)根据中频炉的固有特性，基本可认定以上问题是由中频炉电源的谐波引起。中频炉电源产生的大量谐波直接注入到专用变压器，造成变压器振动和损耗增加，具体表现为噪音大、油温高。同时，部分谐波通过10 kV母线流入配电变压器，并与低压侧的电容器发生谐振，造成电容器烧毁或保护装置误动作。

3 滤波补偿装置的结构特点

若在10 kV高压母线系统安装高压自动无功补偿兼消谐装置，可有效补偿并滤波，在现有负荷下，谐波电压总畸变率可由之前的6%降低到4%以下，功率因数可以提高到0.90以上，调整电费不仅完全避免，还能得到电费奖励。根据上述原则，在中频炉专用变压器的高压侧安装了中频炉专用MSCGD高压滤波补偿装置。

3.1 设计思路

设计目标是确保设备安全、节约电能的同时兼顾滤波。谐波治理以3次、5次和7次谐波为主，其他高次谐波无需考虑。预期目标:(1)提高系统的功率因数，月平均功率因数不低于0.90。(2)抑制负荷产生的谐波，避免谐波放大及谐振，改善电能质量，保证电器设备的安全。(3)减少变压器有功损耗。(4)减少配电线路的有功损耗。(5)减少设备故障率，提高生产效率，延长使用寿命。

3.2 MSFGD高压滤波补偿装置原理

电网向用电设备提供的负载电流由有功、无功电流组成，无功电流在电源和负载间往复交换，占用大量电网，使供电能力降低，导致功率因数降低。MSFGD装置是用装置产生的容性无功电流快速、准确地跟踪抵消电网中的感性无功电流，从而提高功率因数，保证用电质量，提高供电设备的供电能力，并减小电路中的损耗。装置针对用户系统含有的谐波情况分为不同的滤波支路，分别对相应的特征次谐波呈现低阻抗、滤波阻抗和系统阻抗分流后可滤除大部分谐波电流，同时避免对其他特征次谐波的放大。

3.3 MSFGD高压滤波补偿装置系统组成

图7 系统组成框图

电压检测和无功电流检测用于无功计算和仪表显示;控制器完成无功电流计算、投入退出命令的发送、参数设定及存储等功能;补偿控制单元包括真空接触器、控制继电器及继电保护;滤波电容器和滤波电抗器完成无功补偿和谐波治理。

3.4 MSFGD装置控制原理

图8 MSFGD装置原理图

由图8可看出，控制器主要完成无功电流计算及投切命令分配。控制器计算出负载无功容量，根据各路补偿的容量，判断并延时投入与当前无功容量最为接近的补偿支路的滤波支路，退出与投入动作原理相同。控制器通过液晶屏和按键进行人机对话，可以进行控制方式切换和参数设置。

3.5 MSFGD高压滤波补偿装置的系统

表2 系统参数表

图9 系统实物图

3.6 技术和结构特点

(1)电容器一般采用星型接法。此接法电容器承受较低的电压;故障时短路电流较小;电容器单相可调，因此在与电抗器构成滤波支路时能够有更为理想的调谐特性。

(2)采用快速无功算法，且特殊处理电容器放电方式，能实现快速投切，具体投切速率由用户设定。

(3)补偿装置的滤波器由高次滤波器组按8∶4∶2∶1比例分配。通常在设计上，负载基波无功功率小于补偿装置额定基波容量的60%即可投入各次滤波器，从而保证在负载变化的范围内按照国家标准滤除谐波。该结构要求高次滤波器谐波电流与基波电流的比值高于2.5，高于一般生产厂家谐波电流与基波电流的比值为0.5的技术指标。

(4)MSFGD型补偿装置属于有级补偿方式，为保证在补偿容量范围内补偿后功率因数大于0.90，补偿精度必须小于负载最小有功功率的1/3，按8∶4∶2∶1比例分配的低次滤波器虽然滤波器路数增多，却可以保证补偿后的功率因数指标。

(5)MSFGD型补偿装置的自诊断系统可对多种故障进行处理，如过电流、过载、过电压和超温等;控制器对消失的故障可自动恢复装置运行，提高了补偿装置在无人值守时的运行可靠性。

关键元件选取:(1)接触器:顶级高性能真空接触器作为投切器件，其性能可靠，电寿命可达60万次，损耗小。(2)滤波电容器:采用特殊制造的单相滤波电容器，其主要绝缘材料采用国外品牌。滤波电容器使用寿命长、损耗小，可长期在谐波较大的环境下使用。(3)滤波电抗器:采用低损耗的铁心滤波电抗器，电抗器正常运行的温度升高不超过60 K，装置整体损耗确保小于总容量的1%。

4 改造后的综合效益

MSCGD高压滤波补偿装置可自动跟踪调节各支路的投切，开启后无需人工操作。投入使用当月功率因数由0.82提高至0.9，随后稳定在0.97。功率因数提高，力率调整电费由罚款变为奖励，大幅节省了用电成本。

4.1 产生的间接效益

提高供配电设备的供电能力(S，P)，减少增容费用。在相同的有功负荷条件下，适当进行无功补偿，可降低配电变压器的视在功率。由于S=，设无功补偿后，功率因数由 cosφ1升至 cosφ2，则

在相同功率条件下，适当补偿无功，可提高配电变压器的有功输出。设P1、P2分别为配电变压器补偿前后输送的有功功率，因P1=S ×cosφ1，P2=S ×cosφ2，那么

因为 cosφ2＞ cosφ1，故 P2＞P1，即同样容量的供电设备可输出较大的有功功率。

4.2 降低线路和配电变压器的损耗

由配电线路的等值电路和变压器的等值电路可看出提高功率因数能够减少其传输的总电流，从而减少线路和变压器的有功损耗。当线路通过电流I时，其有功损耗

图10 等值电路

可见线路有功损耗ΔP与cosφ的平方成反比，cosφ越高，ΔP越小。若加装无功补偿设备后，功率因数由cosφ1升至 cosφ2，则

同理可计算出线路损耗降低率为

配电网电压的波动主要由无功功率的波动所引起，安装无功补偿兼滤波装置后，装置对负荷实时跟踪补偿，限制无功波动、稳定电压，特别是在重负荷时，有效的无功补偿可提高配电电压，改善负荷运行条件。

5 结束语

综上所述，铸造冶炼企业增加 MSCGD高压滤波补偿装置具有理想的效果，其兼顾了无功补偿和滤波功能，并具有提高生产效率、提高设备可靠性和节省电能的优点。

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