鋼鐵企業(yè)用電具有負(fù)荷功率大、沖擊性負(fù)荷大、啟動(dòng)制動(dòng)頻繁、非線性負(fù)荷容量大等特點(diǎn)。大型軋機(jī)、電焊機(jī)、電弧爐等設(shè)備的運(yùn)行會(huì)使系統(tǒng)電壓發(fā)生波動(dòng)、三相負(fù)荷不平衡、功率因數(shù)降低、線損增加，同時(shí)還會(huì)向電網(wǎng)注入大量諧波造成污染，引發(fā)供用電設(shè)備故障。
馬鋼集團(tuán)第四鋼軋總廠用電負(fù)荷主要為各種異步電機(jī)、整流變頻裝置、電弧爐，這必然導(dǎo)致電網(wǎng)中無功消耗巨大，功率因數(shù)偏低，非線性設(shè)備引起的諧波污染和電磁干擾激增。因此，對(duì)電網(wǎng)進(jìn)行無功補(bǔ)償和諧波治理，使電網(wǎng)各項(xiàng)指標(biāo)達(dá)到國家標(biāo)準(zhǔn)要求尤為重要。
科學(xué)確定無功補(bǔ)償方式
補(bǔ)償方式的確定。無功補(bǔ)償?shù)幕驹瓌t是要統(tǒng)籌考慮、合理布局、分級(jí)補(bǔ)償、就地平衡，總體平衡與局部平衡相結(jié)合，既要滿足全網(wǎng)的總無功平衡，又要滿足各線路、各開關(guān)站的無功平衡。無功補(bǔ)償點(diǎn)的合理選擇以及補(bǔ)償容量的確定，要能夠有效維持系統(tǒng)電網(wǎng)的電壓水平，增強(qiáng)系統(tǒng)的電壓穩(wěn)定性，避免遠(yuǎn)距離傳輸大量無功而造成的有功網(wǎng)損。
目前工程上應(yīng)用的并聯(lián)電容器補(bǔ)償形式主要包括：高壓集中補(bǔ)償、低壓集中補(bǔ)償和分散就地補(bǔ)償。
四鋼軋煉鋼、熱軋、冷軋3個(gè)區(qū)域共有19個(gè)高壓開關(guān)站(含水處理)，由第二能源總廠1臺(tái)220kV/110kV/35kV(240MVA)變壓器和1臺(tái)110kV/35kV(75MVA)變壓器(單供2號(hào)LF爐)供電，其中煉鋼區(qū)域平均負(fù)荷為37000kVA左右，熱軋為47000kVA左右，冷軋為26000kVA左右。考慮到生產(chǎn)需要、現(xiàn)場運(yùn)行環(huán)境、設(shè)備維護(hù)保養(yǎng)以及減少新區(qū)電網(wǎng)無功潮流等實(shí)際情況，四鋼軋全部31套補(bǔ)償濾波裝置均采用高壓集中補(bǔ)償方式。
典型工程實(shí)例。熱軋粗軋開關(guān)站II段進(jìn)線的主要負(fù)荷為5臺(tái)電壓10kV、功率3150kVA的高壓水除磷泵電機(jī)。根據(jù)馬鋼新區(qū)電網(wǎng)的統(tǒng)一要求，10kV系統(tǒng)根據(jù)每一條進(jìn)線回路考核功率因數(shù)(cosφ)，其功率因數(shù)波動(dòng)范圍須達(dá)到0.97到1。對(duì)應(yīng)此要求，粗軋II段進(jìn)線安裝了一套無功補(bǔ)償裝置，安裝容量達(dá)6000kvar。
在投入補(bǔ)償裝置SC1和SC2后，功率因數(shù)明顯提高，假設(shè)線路損耗為總電能消耗量的5%，則僅粗軋開關(guān)站II段進(jìn)線每年就可降低電能損耗100萬余千瓦時(shí)，直接節(jié)約電費(fèi)開支50多萬元，經(jīng)濟(jì)效益顯著，各項(xiàng)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)完全滿足企業(yè)和電網(wǎng)的要求。
諧波治理須從源頭入手
諧波來源。第四鋼軋總廠配電網(wǎng)絡(luò)中的高次諧波主要有兩個(gè)來源。一是電力電子裝置，包括氣體放電光源、變壓器、軟啟動(dòng)設(shè)備和IGBT、IEGT整流逆變?cè)O(shè)備等，其中要數(shù)各種整流逆變?cè)O(shè)備所占比例最大，整流電路大都采用晶閘管相控整流電路或二極管整流電路。整流電路的直流側(cè)采用電容濾波的二極管整流電路，這種電路輸入電流的基波分量的相位與電源相位大致相同，所以基波功率因數(shù)接近1，但其輸入電流的諧波成分含量卻很大，而且在整流設(shè)備交流側(cè)和直流側(cè)都會(huì)產(chǎn)生高次諧波，給電網(wǎng)造成了嚴(yán)重污染。另一個(gè)諧波主要來源是電弧爐，電弧爐諧波主要是由起弧的時(shí)延和電弧的嚴(yán)重非線性引起的，電弧長度的不穩(wěn)定性和隨機(jī)性使其電流諧波頻譜十分復(fù)雜。大型電弧爐在生產(chǎn)過程中，負(fù)荷電流不斷劇烈地發(fā)生變化，三相電弧不均衡，導(dǎo)致產(chǎn)生三次諧波;交流電的正負(fù)半周換相，石墨電極和鋼水交替作陰極和陽極，由于發(fā)射電子能力不一樣，故電流的正負(fù)兩個(gè)半周的波形不對(duì)稱，造成偶次諧波;電弧的電阻值不恒定，并且在交流電弧的半個(gè)周期中電弧的電阻也在變動(dòng)，造成電弧電流非正弦畸變。其諧波頻率主要分布在0.1Hz～30Hz，其中2次、3次、5次諧波最為嚴(yán)重，其平均值可達(dá)基波分量的5%～10%，諧波電流流入電網(wǎng)，會(huì)使電壓波形發(fā)生畸變，引起電氣設(shè)備發(fā)熱、振動(dòng)、保護(hù)誤動(dòng)作等。
典型工程實(shí)例。四鋼軋的300噸2號(hào)LF爐為超大功率鋼包精煉爐，采用35kV電壓等級(jí)供電，35kV母線的短路容量為526MVA，根據(jù)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，LF爐變壓器額定容量為45MVA，則精煉爐在110kV母線上引起的電壓波動(dòng)為0.9%，低于國標(biāo)允許值。相比電壓波動(dòng)而言，諧波污染問題更為嚴(yán)重。根據(jù)工程設(shè)計(jì)方提供的數(shù)據(jù)，可計(jì)算出LF爐的諧波電流發(fā)生量。
為使電能質(zhì)量達(dá)到國家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，在2號(hào)LF爐建設(shè)的同時(shí)，就配套了一套濾波補(bǔ)償設(shè)備。該設(shè)備主要由2次、3次、4次、5次4個(gè)濾波通道組成，同時(shí)預(yù)留一路動(dòng)態(tài)補(bǔ)償SVC的TCR入口。整套裝置投運(yùn)后可有效濾除高次諧波，減少電弧爐對(duì)系統(tǒng)造成的無功沖擊以及電壓波動(dòng)和閃變。
從監(jiān)測結(jié)果看，加裝濾波裝置后，主要各次諧波電流均有效消除或減少，降低了設(shè)備故障率。電壓波動(dòng)、閃變、電壓偏差等電網(wǎng)不利因素在濾波補(bǔ)償裝置投運(yùn)后，也得到明顯改善，目前電壓波動(dòng)和閃變已降至較低水平，電網(wǎng)電壓非常平穩(wěn)，幾乎不波動(dòng)。無功沖擊被有效補(bǔ)償，功率因數(shù)在生產(chǎn)時(shí)可達(dá)0.95以上，大大降低了生產(chǎn)成本。
目前存在的問題。電力系統(tǒng)不允許無功功率向電網(wǎng)倒送，因?yàn)闊o功倒送相當(dāng)于有一個(gè)不受供電部門控制的電源向電網(wǎng)送電，會(huì)對(duì)電網(wǎng)的安全運(yùn)行構(gòu)成不穩(wěn)定因素。盡管生產(chǎn)廠家都強(qiáng)調(diào)自己的設(shè)備不會(huì)造成無功功率的倒送，但是實(shí)際情況卻并非如此。因?yàn)閷?duì)于接觸器控制的補(bǔ)償柜，補(bǔ)償量是三相同時(shí)調(diào)節(jié)的，補(bǔ)償量很難做到準(zhǔn)確控制，這可能在生產(chǎn)負(fù)荷處于低谷時(shí)造成無功功率嚴(yán)重倒送，使得電網(wǎng)電壓在某個(gè)時(shí)段過高，甚至過電壓。無功倒送引起電網(wǎng)無功功率過剩的問題，應(yīng)該予以充分重視。
另外，無功補(bǔ)償回路中的諧波，主要作用于設(shè)備的發(fā)熱，只有先治理諧波，才能保證補(bǔ)償電容器自身的安全運(yùn)行。電網(wǎng)內(nèi)所裝的電力電容器的主要作用是進(jìn)行無功功率補(bǔ)償，而馬鋼電網(wǎng)內(nèi)安裝的不少補(bǔ)償電容器還兼有濾波功能。嚴(yán)格來講，主要用于系統(tǒng)無功補(bǔ)償?shù)碾娏﹄娙萜鞑粦?yīng)兼有諧波濾波或其他改善系統(tǒng)諧波的作用，應(yīng)劃清職責(zé)范圍，不能搞補(bǔ)償、濾波兼顧，以利于設(shè)備的安全運(yùn)行和使用。
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