815V、5噸中頻電爐無(wú)功補(bǔ)償和諧波治理的成功案例

1、815V、5 噸中頻電爐無(wú)功補(bǔ)償和諧波治理的成功案例2007-4-27天津市津開(kāi)電氣有限公司 總經(jīng)理蓋福健 高級(jí)工程師孫澤林關(guān)鍵詞：中頻電爐、無(wú)功功率、無(wú)功補(bǔ)償、諧波、間諧波、諧波治理、變流、變頻、諧波電流、諧波電流放大、博里葉級(jí)數(shù)1. 緒論：隨著電力電子技術(shù)的飛速發(fā)展，我國(guó)的工礦企業(yè)中，電力電子器件的大量應(yīng)用，可控、全控晶閘管作為為主要開(kāi)關(guān)元件，電力電子器件的整流設(shè)備，變頻、逆變等非線性負(fù)荷設(shè)備的廣泛應(yīng)用，諧波問(wèn)題亦日益廣泛的提出。諸如諧波干擾、諧波放大、無(wú)功補(bǔ)償失效及諧波無(wú)功電流對(duì)供電系統(tǒng)的影響等。 上述電力電子設(shè)備是諧波產(chǎn)生的源頭。諧波電流的危害是嚴(yán)重的，主要有以下幾個(gè)方面：諧波電流在變

2、壓器中，產(chǎn)生附加高頻渦流鐵損，使變壓器過(guò)熱，降低了變壓器的輸出容量，使變壓器噪聲增大，嚴(yán)重影響變壓器壽命。 諧波電流的趨膚效應(yīng)使導(dǎo)線等效截面變小，增加線路損耗。 諧波電流使供電電壓產(chǎn)生畸變， 影響電網(wǎng)上其它各種電器設(shè)備不能正常工作， 導(dǎo)致自動(dòng)控制裝置誤動(dòng)作， 儀表計(jì)量不準(zhǔn)確。 諧波電流對(duì)臨近的通訊設(shè)備產(chǎn)生干擾。 諧波電流使普通電容補(bǔ)償設(shè)備產(chǎn)生諧波放大，造成電容器及電容器回路過(guò)熱，壽命縮短，甚至損壞。 諧波電流會(huì)引起公用電網(wǎng)中局部產(chǎn)生并聯(lián)諧振和串連諧振，造成嚴(yán)重事故及不良后果。2. 概述2.1 天津市某鑄造公司（簡(jiǎn)稱鑄造公司）為生鐵鑄造企業(yè)，工廠主要設(shè)備為兩臺(tái)500HZ 中頻感應(yīng)電爐以溶化生鐵進(jìn)

3、行鑄造，因采用中頻電爐，故由于變流及變頻等原因造成用電諧波超標(biāo)，功率因數(shù)過(guò)低，為此進(jìn)行設(shè)備改造以提高功率因數(shù)，治理諧波，節(jié)約能源，提高電網(wǎng)質(zhì)量，降耗增容。2.2 中頻電爐運(yùn)行主要參數(shù) 電爐為長(zhǎng)期間斷運(yùn)行，運(yùn)行時(shí)間每爐出鐵冷爐約為 2.5 小時(shí)，熱爐約 2 小時(shí)。 在正常運(yùn)行時(shí)高壓側(cè)工作電流為 150160A。整流變壓器二次側(cè)為六相十二脈波輸出。 現(xiàn)場(chǎng)儀表指示數(shù)據(jù)一次測(cè)電壓10.2KV二次測(cè)電壓 815V X 2一次測(cè)電流157A二次測(cè)電流 992A X 2一次測(cè)功率因數(shù) COS? = 0.60.7最低COS? = 0.23最高COS?= 0.79予升溫COS? = 0.49保溫 COS? =

4、0.23 0.49加溫 COS?= 0.720.792.3中頻爐一次系統(tǒng)圖2.4中頻爐諧波測(cè)試電流諧波含量A 相 30.43%B 相 27.81%C 相 29.65%電流諧波含量如棒圖50預(yù)411打iJJ- fifl-110-TTTTTTTTTTTTTT電流諧波含量針對(duì)5、7、11、13次諧波數(shù)值A(chǔ)ts醐C相21 24%193.8A18.83%173.4A20.0(9%184,9 A嗽諧波15.02%137A1375%26 6A14.14%130.3A9.25%S4/43A8.7%80 07AP.OS%83;72A13次諧波&翥62.86A7.12%65:59A7.68%70 79A整流變壓器

5、側(cè)電壓和電流波形 電壓波形在電流諧波影響下發(fā)生畸變，但不失交流正弦波基本波形，其電壓畸變率以嚴(yán)重超標(biāo)。 整流變壓器側(cè)電流畸變比較嚴(yán)重，其電流諧波畸變率達(dá)30%以上，由于中頻爐全控整流系統(tǒng)調(diào)整，測(cè)控，晶閘管性能等因素，電流諧波中雜諧波（間諧波）存在量較多，故中頻爐17次63次諧波均有含量,但由于諧波率較小，對(duì)電網(wǎng)及設(shè)備均無(wú)太大影響。3. FTFC動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償工作原理及特點(diǎn)3.1 FTFC動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償工作原理FTFC系列動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償濾波裝置，主要由監(jiān)控終端、開(kāi)關(guān)模塊、電容器、電抗器、斷路器、機(jī)柜等構(gòu)成,控制器采用前饋式檢測(cè)（三相平衡負(fù)荷、采集單相信號(hào)；三相不平衡負(fù)荷，采集三相信號(hào)），以負(fù)載的實(shí) 時(shí)

6、無(wú)功功率為投切物理量，應(yīng)用瞬時(shí)無(wú)功控制理論及網(wǎng)壓支持算法，在20ms內(nèi)完成信號(hào)數(shù)據(jù)采集、計(jì)算、及控制輸出；投切開(kāi)關(guān)接到投切指令后，在小于 10ms內(nèi)完成零電流投入，投切無(wú)涌流，對(duì)電網(wǎng)無(wú)沖擊， 并且在主電路和開(kāi)關(guān)中采取措施，避免了投切電容的沖擊，使運(yùn)行更加穩(wěn)定、安全、可靠。對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)57次諧波含量較大的用電設(shè)備中亦采用標(biāo)準(zhǔn)型的諧波濾波裝置主要適用于含有少量諧波，負(fù) 荷變化較快的系統(tǒng)中。 一般情況下，在這種系統(tǒng)中，單純投切電容器組的無(wú)功補(bǔ)償裝置是不能直接使用的， 危害有三：一為并聯(lián)電容器組對(duì)諧波的放大，電容器組與電網(wǎng)形成并聯(lián)諧振使諧波電流放大，以致于電壓 及電流的畸變更為嚴(yán)重；二為諧波對(duì)并聯(lián)電器的直

7、接影響，諧波電流疊加在電容器的基波電流上，使電容 器的電流有效值增大，溫升增大，會(huì)降低電容器的使用壽命或使電容器損害；三為難以跟蹤快速變化的負(fù) 載，容易引起過(guò)補(bǔ)和欠補(bǔ)，導(dǎo)致網(wǎng)壓波動(dòng)。針對(duì)于此。在諧波含量小于30%的系統(tǒng)中無(wú)功補(bǔ)償裝置應(yīng)該串接調(diào)諧電抗器，使此回路中的諧振頻率調(diào)諧低于最低次諧波，使其在工頻呈電容性，改善功率因數(shù)，在諧 振頻率時(shí)呈感性，防止諧振的發(fā)生，以防止諧波的放大，調(diào)諧型FTFC動(dòng)補(bǔ)標(biāo)準(zhǔn)裝置能吸收 5次諧波大于40%TI匚拆戒訓(xùn)諧孩賓二鍛制潟碼風(fēng)切方盛對(duì)于諧波含量比較大的系統(tǒng)中FTFC裝置由電容器串聯(lián)濾波電抗器組合而成，在工頻呈電容性，改善功率因數(shù)，在所設(shè)計(jì)的諧振頻率時(shí)形成串聯(lián)諧

8、振，使此L-C回路在此頻率時(shí)形成非常低的阻抗，而能吸收大部分的諧波電流，從而改善系統(tǒng)中電壓和電流的諧波畸變率。在實(shí)際工作中，負(fù)載特性和容量不盡相同， 根據(jù)情況，設(shè)計(jì)不同的用途（單調(diào)諧、雙調(diào)諧、高通、組合等），不同諧振頻率 （5次7次11次13次等）， 不同容量的諧波濾波器，濾波型 FTFC 一般需要非標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)。非標(biāo)組合投切方式或獨(dú)立投切方式允許再帶多臺(tái)濾波柜3.2 FTFC動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償及諧波治理裝置的主要特點(diǎn)： 快速投切技術(shù)，無(wú)電流沖擊，并且達(dá)到TCR同等補(bǔ)償速率； 占地面積小基建成本低，低壓操作安全，維護(hù)容易； 裝置不產(chǎn)生諧波，鐵心電抗器無(wú)射頻干擾； 可以有效減少供配電系統(tǒng)損耗，節(jié)能效果顯著

9、； 可以解決用戶的增容問(wèn)題 可以濾除用戶諧波，凈化電網(wǎng)，供配電系統(tǒng)及自動(dòng)控制系統(tǒng)運(yùn)行更為安全可靠； 零電流投切，不會(huì)產(chǎn)生振蕩現(xiàn)象。系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間w30ms。 裝置補(bǔ)償故障時(shí)自動(dòng)退岀，不會(huì)影響整個(gè)供電系統(tǒng)。 采用防暴、自愈、濾波型電容器。4. 諧波治理投切方式的分析對(duì)于諧波治理的投切方式一般可分為兩種形式：對(duì)用戶負(fù)載為連續(xù)操作運(yùn)行，運(yùn)行中負(fù)荷功率無(wú)較大的上、下波動(dòng)，而在有較大波動(dòng)變化時(shí)，其變化速 率較慢，中頻爐基本上屬于這種形式，所以可以采用靜態(tài)補(bǔ)償方式，用普通接觸器投切電容，此種方案制 造成本低，易于被用戶接受，但其缺點(diǎn)較多，分析如下：a. 接觸器投切，電容器涌流較大，一般為電容器額定電流180

10、200倍對(duì)電網(wǎng)沖擊較大，就是加裝限涌流手段，標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定也在50倍額定電流以下，對(duì)電網(wǎng)和工廠用電設(shè)備有很大危害，尤其對(duì)有晶閘管變流設(shè)備的企業(yè)中易造成晶閘管損壞。b. 裝置易產(chǎn)生諧波振蕩，和諧波放大，尤其采用空心電抗器易產(chǎn)生射頻，直接影響附近設(shè)備的工作可 靠性及壽命。c. 接觸器直接投切除產(chǎn)生涌流外，同時(shí)還應(yīng)保證給予一定的電容器斷電后的放電時(shí)間，一般在1560秒左右否則容易造成操作過(guò)電壓而損壞電容或其它電氣原件，故此不能做到電容器的快速投切，同時(shí)由于接觸器長(zhǎng)期投入和切除一個(gè)大于幾十倍電容器額定電流的涌流，此時(shí)接觸器觸頭壽命下降，易熔焊從而造成 電容器損壞和補(bǔ)償精度下降。嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成較重大事故。d.

11、用接觸器投切電容，一般為等容量電容器循環(huán)投切，很難按負(fù)載變化，和功率因數(shù)變化即時(shí)進(jìn)行容量調(diào)節(jié)，而投入電容器。這樣易產(chǎn)生電容器的投入，切除過(guò)程中COS值在超前和滯后間的振蕩，直接影響電網(wǎng)質(zhì)量。形式二：即用晶閘管投切裝置進(jìn)行投切，電容器的投入與切除均在電容器電流過(guò)零時(shí)進(jìn)行，無(wú)涌流，對(duì)電網(wǎng)無(wú)干擾，電容器的投切容量完全由控制器對(duì)電壓電流等參數(shù)運(yùn)算后給岀，控制器給岀信號(hào)按1、2、4、&二進(jìn)制編碼運(yùn)算得岀，而直接控制晶閘管，投切速度快，可以做到毫秒級(jí)，從信號(hào)采集，運(yùn)算，控制輸岀全過(guò)程w 30ms,晶閘管投切速度一般為W10ms,其方案原理圖見(jiàn)前面線路示意圖FTFC 智能型動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償晶針對(duì)鑄造公司的現(xiàn)場(chǎng)情

12、況，按形式二選用天津市津開(kāi)電氣有限公司生產(chǎn)的 閘管濾波裝置進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償和諧波治理。5. 補(bǔ)償容量的計(jì)算和確定5.1 計(jì)算依據(jù) 變壓器一次側(cè)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)電壓 10KV10.4KV電流： 1 57A （運(yùn)行滿負(fù)荷時(shí)）功率因數(shù) COS=0.490.79 變壓器二次側(cè)電壓 815V*2功率因數(shù) COS=0.230.79 諧波含量（5、7、11、13次諧波）見(jiàn)前諧波含量表5.2 功率計(jì)算5.2.1 變壓器視在功率 2800KVA 視在電流（高壓側(cè)額定滿載工作電流） 157A 中頻爐視在功率 2500KVA變壓器高壓側(cè)功率因數(shù)（平均值）COS=0.65中頻爐有功功率 P= S*COS=2800*0.65 =

13、1820KW2 2 2 2中頻爐無(wú)功功率 Q= S2-P2 = 25002-18202 = 1700kvar中頻爐功率因數(shù) COS=P/S= 1820/2500 = 0.7285.2.2 設(shè)計(jì)補(bǔ)償容量的確定設(shè)計(jì)補(bǔ)償容量Q=675*2=1350kvar補(bǔ)償步數(shù)為三步 1.2 編碼投切1 步投入322uf 201kvar x 22 步投入778uf 487kvar x 21+2 步投入 1088uf 688kvarx 2總補(bǔ)償量1376 kvar注：設(shè)計(jì)補(bǔ)償切入點(diǎn)在整流變壓器二次側(cè)（ 815V 側(cè)）進(jìn)行6. 補(bǔ)償效果及諧波治理效果6.1 節(jié)能情況：（見(jiàn)表）補(bǔ)前補(bǔ)后備注冷 爐 予 升視在功率呂300

14、KVA133 3KVA有功功率P10BKW108KW無(wú)功功率Q279 9 kvar79 kvar功率因數(shù)COS(5=0.23-0.4eCOSi)=a78視在電涼査80-100A207肚加 溫 期觀在功率23G0KVA1818KVA有功功率P1E17KW1S17KW無(wú)功功率Q1410kvar34 kvar功率因數(shù)COS=0.7PCOS AO 99視在電流A157U5-t2fi溫 期觀在功率占200-300 KVA87.6 KVA有功功率PEOKW80KW頃牙kvaU算無(wú)功功率Q236 8 kvar35.8 kvar功率因數(shù)COS W. 230.4CCSWP1取0.32計(jì)算視在電壷點(diǎn)70-100A

15、20-40A6.2諧波治理效果621電流諧波棒圖電流含量A 相 10.76%B 相 9.8%C 相 10.42%R卜no-訃址2卜鹹甯W Mr則* .jli甲.J 彳f J耳別M羽很冊(cè)型也陽(yáng)址旳旳1M6.2.2電壓諧波下降率（平均值）治理前治理后電壓諧波下降率備注5次諧波5.09%1.3%74.4%7次諧波5.54%1.45%73.8%11次諧波5.51%1.17%78.7%13次諧波5.6%1.48%73.6%623電流諧波下降率（平均值）治理前治理后電流諧波下降率備注5次諧波183A48.3A73.6A%7次諧波131A9.6A92.6%11次諧波82.6A5.5A93.3%13次諧波66

16、.3A8.79A86.7%說(shuō)明：治理前后電流諧波下降率效果是明顯的，尤其對(duì)于5、7次諧波，針對(duì)鑄造公司選用的是 12脈波整流變壓器，理論證明，對(duì) 12脈波整流變反映到一次側(cè) 10KV電網(wǎng)時(shí)其5、7次電流諧波應(yīng)為零。只有 11、 13次諧波在電網(wǎng)側(cè)可以記錄，但從上表記錄可以看岀其值已很小。7.設(shè)計(jì)依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB/T14549-93電能質(zhì)量，公用電網(wǎng)諧波；GB/T15576-1995低壓無(wú)功功率靜態(tài)補(bǔ)償裝置總技術(shù)條件GB3983.1-89低電壓并聯(lián)電容器；GB7251.1-2005低壓成套開(kāi)關(guān)設(shè)備和控制設(shè)備GB4208-93外殼防護(hù)等級(jí)（IP代碼）GB3797-89GB4720-84電控設(shè)備 第二部

17、分 裝有電子器件的電控設(shè)備電控設(shè)備 第一部分 低壓電器電控設(shè)備GB12747-918.結(jié)論自愈式低壓并聯(lián)電容器8.1無(wú)功功率動(dòng)態(tài)補(bǔ)償諧波治理的理論是可行的。8.2FTFC智能型動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償晶閘管濾波裝置整體設(shè)計(jì)是合理的，設(shè)計(jì)參數(shù)是基本正確的，并能保證可靠 運(yùn)行。裝置結(jié)構(gòu)先進(jìn)，技術(shù)含量高，產(chǎn)品符合有關(guān)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求。8.3裝置投入后節(jié)能效果明顯，視在功率下降20.9%，變壓器及電網(wǎng)系統(tǒng)線損下降 40%，變壓器增容20%8.4裝置投入后諧波治理效果明顯，電壓及電流諧波指數(shù)均能滿足GB/T14549-93 “電能質(zhì)量公用電網(wǎng)諧波”國(guó)標(biāo)要求。附件應(yīng)用運(yùn)算公式(1)感抗=PT7： - 2Xl=容抗阻抗牛=J0+屮=職+3宀界Z=(8)(9)(10)(11)(12)(13)(14)(15)i1=有功功率 P=U I COS(W KW)無(wú)功功率Q=U l SIN (var kvar)視在功率護(hù)+Q2S=U l=(VA