鋼鐵企業(yè)用電具有負荷功率大、沖擊性負荷大、啟動制動頻繁、非線性負荷容量大等特點。大型軋機、電焊機、電弧爐等設(shè)備的運行會使系統(tǒng)電壓發(fā)生波動、三相負荷不平衡、功率因數(shù)降低、線損增加，同時還會向電網(wǎng)注入大量諧波造成污染，引發(fā)供用電設(shè)備故障。
馬鋼集團第四鋼軋總廠用電負荷主要為各種異步電機、整流變頻裝置、電弧爐，這必然導致電網(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，對電網(wǎng)進行無功補償和諧波治理，使電網(wǎng)各項指標達到國家標準要求尤為重要。
科學確定無功補償方式
補償方式的確定。無功補償?shù)幕驹瓌t是要統(tǒng)籌考慮、合理布局、分級補償、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。無功補償點的合理選擇以及補償容量的確定，要能夠有效維持系統(tǒng)電網(wǎng)的電壓水平，增強系統(tǒng)的電壓穩(wěn)定性，避免遠距離傳輸大量無功而造成的有功網(wǎng)損。
目前工程上應用的并聯(lián)電容器補償形式主要包括：高壓集中補償、低壓集中補償和分散就地補償。
四鋼軋煉鋼、熱軋、冷軋3個區(qū)域共有19個高壓開關(guān)站(含水處理)，由第二能源總廠1臺220kV/110kV/35kV(240MVA)變壓器和1臺110kV/35kV(75MVA)變壓器(單供2號LF爐)供電，其中煉鋼區(qū)域平均負荷為37000kVA左右，熱軋為47000kVA左右，冷軋為26000kVA左右�？紤]到生產(chǎn)需要、現(xiàn)場運行環(huán)境、設(shè)備維護保養(yǎng)以及減少新區(qū)電網(wǎng)無功潮流等實際情況，四鋼軋全部31套補償濾波裝置均采用高壓集中補償方式。
典型工程實例。熱軋粗軋開關(guān)站II段進線的主要負荷為5臺電壓10kV、功率3150kVA的高壓水除磷泵電機。根據(jù)馬鋼新區(qū)電網(wǎng)的統(tǒng)一要求，10kV系統(tǒng)根據(jù)每一條進線回路考核功率因數(shù)(cosφ)，其功率因數(shù)波動范圍須達到0.97到1。對應此要求，粗軋II段進線安裝了一套無功補償裝置，安裝容量達6000kvar。
在投入補償裝置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段進線每年就可降低電能損耗100萬余千瓦時，直接節(jié)約電費開支50多萬元，經(jīng)濟效益顯著，各項經(jīng)濟指標完全滿足企業(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來源。一是電力電子裝置，包括氣體放電光源、變壓器、軟啟動設(shè)備和IGBT、IEGT整流逆變設(shè)備等，其中要數(shù)各種整流逆變設(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)都會產(chǎn)生高次諧波，給電網(wǎng)造成了嚴重污染。另一個諧波主要來源是電弧爐，電弧爐諧波主要是由起弧的時延和電弧的嚴重非線性引起的，電弧長度的不穩(wěn)定性和隨機性使其電流諧波頻譜十分復雜。大型電弧爐在生產(chǎn)過程中，負荷電流不斷劇烈地發(fā)生變化，三相電弧不均衡，導致產(chǎn)生三次諧波;交流電的正負半周換相，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，故電流的正負兩個半周的波形不對稱，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周期中電弧的電阻也在變動，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次諧波最為嚴重，其平均值可達基波分量的5%～10%，諧波電流流入電網(wǎng)，會使電壓波形發(fā)生畸變，引起電氣設(shè)備發(fā)熱、振動、保護誤動作等。
典型工程實例。四鋼軋的300噸2號LF爐為超大功率鋼包精煉爐，采用35kV電壓等級供電，35kV母線的短路容量為526MVA，根據(jù)設(shè)計數(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為0.9%，低于國標允許值。相比電壓波動而言，諧波污染問題更為嚴重。根據(jù)工程設(shè)計方提供的數(shù)據(jù)，可計算出LF爐的諧波電流發(fā)生量。
為使電能質(zhì)量達到國家相關(guān)標準，在2號LF爐建設(shè)的同時，就配套了一套濾波補償設(shè)備。該設(shè)備主要由2次、3次、4次、5次4個濾波通道組成，同時預留一路動態(tài)補償SVC的TCR入口。整套裝置投運后可有效濾除高次諧波，減少電弧爐對系統(tǒng)造成的無功沖擊以及電壓波動和閃變。
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、閃變、電壓偏差等電網(wǎng)不利因素在濾波補償裝置投運后，也得到明顯改善，目前電壓波動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。無功沖擊被有效補償，功率因數(shù)在生產(chǎn)時可達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，因為無功倒送相當于有一個不受供電部門控制的電源向電網(wǎng)送電，會對電網(wǎng)的安全運行構(gòu)成不穩(wěn)定因素。盡管生產(chǎn)廠家都強調(diào)自己的設(shè)備不會造成無功功率的倒送，但是實際情況卻并非如此。因為對于接觸器控制的補償柜，補償量是三相同時調(diào)節(jié)的，補償量很難做到準確控制，這可能在生產(chǎn)負荷處于低谷時造成無功功率嚴重倒送，使得電網(wǎng)電壓在某個時段過高，甚至過電壓。無功倒送引起電網(wǎng)無功功率過剩的問題，應該予以充分重視。
另外，無功補償回路中的諧波，主要作用于設(shè)備的發(fā)熱，只有先治理諧波，才能保證補償電容器自身的安全運行。電網(wǎng)內(nèi)所裝的電力電容器的主要作用是進行無功功率補償，而馬鋼電網(wǎng)內(nèi)安裝的不少補償電容器還兼有濾波功能。嚴格來講，主要用于系統(tǒng)無功補償?shù)碾娏﹄娙萜鞑粦嬗兄C波濾波或其他改善系統(tǒng)諧波的作用，應劃清職責范圍，不能搞補償、濾波兼顧，以利于設(shè)備的安全運行和使用。
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