矿热炉大容量低压无功补偿系统分析

栾春沂

（大连华锐重工集团股份有限公司，辽宁 大连 116000）

矿热炉大容量低压无功补偿系统分析

栾春沂

（大连华锐重工集团股份有限公司，辽宁 大连 116000）

我国矿热炉数量众多，分布广泛，是高能耗用电的主要产品，目前其主要向高功率、大型化方向发展，而短网的性能直接决定了矿热炉的性能，对短网侧进行低压无功补偿对设备的功率因数提高有着重要的影响，已成为降低能耗，提高冶炼效率的有效手段。本文阐述了一种基于PLC控制的矿热炉大容量低压无功补偿系统，对其系统构成进行了说明，并分析了各组成部件的功能及特点。

矿热炉；无功补偿；节能增效

矿热炉是冶金行业中重要的设备，主要用于生产各类铁合金、电石等原料，作为高能耗电的大型冶炼设备，其能耗控制一直是各个企业面临的难题，随着电价成本的提高，用电成本所占的比重也越来越大，同时还必须满足电力部门对高能耗设备的功率因数标准，避免不达标造成处罚。因此，大容量无功补偿系统是矿热炉企业必须选择的产品，而早期大多企业采用高压侧集中无功补偿系统，虽能达到电力部门要求的不处罚标准，但缺点比较明显，因高压补偿多采用固定容量投切，容易造成过补或欠补的情况发生，且高压设备的投资大，维护成本高，补偿效果不理想。如果同时在短网侧进行低压无功补偿，因低压动态补偿系统的响应速度快，精度高，更适合负荷变化较大的工况，这样不仅可以提高高压侧的功率因数，还可以对变压器与电极间的短网无功损耗进行动态的补偿，从而更有效的提高变压器的有功输出，达到了节能增效的目的，给企业带来更好的经济效益。

1 低压短网无功补偿系统

1.1 系统构成

矿热炉大容量无功补偿系统采用PLC进行投切控制，系统主要由控制单元、采样通讯单元、保护监控单元、投切单元、补偿单元等组成（图1）。

1.2 主要组成部件及功能

（1）控制单元。主要由西门子S7-300 PLC系统构成，具有Profibus-DP及以太网通讯方式，其主要功能是将采集到的取样信息、保护装置信息、投切单元的状态信息进行处理后，通过通信网络完成与自动化工作站的实时数据交换，实现计算机自动跟踪、自动控制。具有运行参数记录和故障代码储存功能，并且可以自动生成报表，为后续运行维护提供便利。安装为电石炉补偿定制开发的控制程序，其根据所设置的目标功率因数值，依据实时电流、电压参数，控制投切单元动作，具有手动、自动投切转换功能，并可通过人机界面实时显示系统各个电量值及历史数据等，可方便的设置额定参数及保护特性参数的阈值，如变比、目标功率因数、投切模式、投切顺序、超温报警值等。

（2）采样通讯单元。基于西门子PAC4200多功能检测装置，将引自66kV变电站的电压信号与电炉变压器一次侧的电流信号进行处理，同时采集电炉变压器二次侧的功率因数值，并将信号反馈至控制单元，使其能够精确地对电炉短网侧进行补偿控制。

图1 补偿系统构成示意

（3）保护监控单元。采用专用投切及电容保护单元，具有自诊断故障保护、电源电压缺相保护、停电保护、过电压保护等功能，可存储运行事件记录和故障事件记录，对故障事件发出声音报警并提示故障原因，并通过总线系统将故障信息反馈至控制单元。

（4）投切单元。由专用的真空复合开关组构成，补偿单元的切除和投入由其内部的可控硅开关进行操作，而接触器负责电容器投入后的保持接通，两者配合工作，当接触器投入后，可控硅开关即退出。该投切模块动作速度快，响应速度小于20ms，能够实时跟随控制单元的命令执行补偿单元的投入及退出。投切单元触发模块具有光电隔离，充分实现一、二次系统的电气隔离，实现投切时无涌流和无操作过电压，具有熄孤能力强，操作频率较高，寿命长，且可避免大功率晶闸管长期运行时的过热问题，显著延长了设备使用寿命，完全适用于电石炉这种高温、高导电粉尘的恶劣环境。

（5）补偿单元。由大容量滤波电抗器和补偿电容组成。采用滤波电抗器，可有效消除5次以上谐波对系统的影响，同时在一定程度上抑制冲击涌流，保护电容器组安全运行。

电容器采用进口金属化膜材料的补偿及滤波专用耐高温电容膜，适应电石现场恶劣环境，能够在标称电压1.2倍，电流1.3倍下长期使用，并且能在+55℃的环境下长期正常运行，具有过压保护功能。过压产生时，电容器内部局部击穿的情况下，具备自愈恢复功能，并自动释放瞬间过电压能量。 具有温度和过电流保护功能，当温度或电流超出允许值时，其内部的压力保险装置可切断电源，充分保证运行的安全性。

（6）成套设备。根据矿热炉现场环境，成套设备采用了高防护等级组合式隔磁开关柜结构，采用不锈钢、SMC板、金属板混合隔磁设计，可有效避免电流磁场引起的涡流发热损耗。同时采用发泡密封技术和安装大功率、高防护等级的轴流风机装置，确保其内部的设备能够处于良好的运行工况。

1.3 系统特点

矿热炉大容量无功补偿系统采用PLC进行投切控制，稳定性高，扩展性强。整套系统自动化程度高，操作可靠简单，保护功能完善，根据负荷运行情况，可以实时对系统无功量进行补偿，而当外部电网停电或故障时，立即退出系统，恢复后，自动投入系统。具有缺相、过流、过压、超温、速断等保护，同时补偿单元由多个小容量单路电容和电抗组成，能够使补偿精度更高，且补偿过程中不会产生涌流和谐波（图2）。

系统具有手动和自动两种控制方式。自动方式：根据设定目标功率因数，由控制单元对投切单元进行智能化控制。

手动方式：可完全脱离控制单元，由操作人员通过手动开关投入或退出不同的电容器组，也可在自动化后台系统中远方手动投切电容器组，方便调试及在特殊工况下运行的需要。

图2 系统流程图

2 结语

矿热炉的无功补偿最有效的方法是在对高压侧进行适量无功补偿的同时，在低压短网侧进行补偿，能够有效的提高短网侧功率因数，降低能耗可达5%～20%，提高产量5%～10%以上。而基于PLC进行投切控制控制的大容量低压动态无功补偿系统在提高功率因数的基础上，还具有较强的扩展性，可实时与矿热炉主控制系统进行通信，交换数据状态，对于进一步完善矿热炉工艺控制环节有着积极的作用，该系统对未来矿热炉控制系统的智能化发展，将有着重要作用。

[1]崔洁玲.浅析提高功率因数的意义和方法[J]. 科技创新导报，2009(7):89～89.

[2]臧晔阳.矿热炉短网补偿设计运行分析[J]. 电力电容器与无功补偿，2007, 28(5):5～9.

[3]杨双胜.矿热炉电气特性分析[J]. 山西电力， 2007(3):15～16.

[4]廖常初.S7-300/400 PLC应用技术[M]. 机械工业出版社，2011.

[5]张定华，桂卫华，王卫安，等.大型电弧炉无功补偿与谐波抑制的综合补偿系统[J]. 电网技术， 2008, 32(12):23～29.

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