815V、5吨中频电炉无功补偿和谐波治理的成功案例
2007-4-27
天津市津开电气有限公司 总经理盖福健 高级工程师孙泽林
关键词：中频电炉、无功功率、无功补偿、谐波、间谐波、谐波治理、变流、变频、谐波电流、谐波电流
放大、博里叶级数
1.绪论：
随着电力电子技术的飞速发展，我国的工矿企业中，电力电子器件的大量应用，可控、全控晶 闸管作为为主要开关元件，电力电子器件的整流设备，变频、逆变等非线性负荷设备的广泛应用，谐波问题亦日益广泛的提出。诸如谐波干扰、谐波放大、无功补偿失效及谐波无功电流对供电系统的影响等。上述电力电子设备是谐波产生的源头。谐波电流的危害是严重的，主要有以下几个方面：
· 谐波电流在变压器中，产生附加高频涡流铁损，使变压器过热，降低了变压器的输出容量，使变压器噪声增大，严重影响变压器寿命。
· 谐波电流的趋肤效应使导线等效截面变小，增加线路损耗。
· 谐波电流使供电电压产生畸变，影响电网上其它各种电器设备不能正常工作，导致自动控制装置误动作，仪表计量不准确。
· 谐波电流对临近的通讯设备产生干扰。
· 谐波电流使普通电容补偿设备产生谐波放大，造成电容器及电容器回路过热，寿命缩短，甚至损坏。 · 谐波电流会引起公用电网中局部产生并联谐振和串连谐振，造成严重事故及不良后果。 2.概述
2.1天津市某铸造公司（简称铸造公司）为生铁铸造企业，工厂主要设备为两台500HZ中频感应电炉以溶化生铁进行铸造，因采用中频电炉，故由于变流及变频等原因造成用电谐波超标，功率因数过低，为此进行设备改造以提高功率因数，治理谐波，节约能源，提高电网质量，降耗增容。 2.2中频电炉运行主要参数
① 电炉为长期间断运行，运行时间每炉出铁冷炉约为2.5小时，热炉约2小时。
② 在正常运行时高压侧工作电流为150～160A。整流变压器二次侧为六相十二脉波输出。 ③ 现场仪表指示数据
一次测电压10.2KV 二次测电压815V×2 一次测电流157A 二次测电流992A×2
一次测功率因数COS?＝0.6~0.7最低COS?＝0.23最高COS?＝0.79予升温COS?＝0.49 保温COS?＝0.23～0.49 加温COS?＝0.72～0.79 2.3中频炉一次系统图
2.4 中频炉谐波测试 电流谐波含量 A相30.43% B相27.81% C相29.65% 电流谐波含量如棒图
电流谐波含量针对5、7、11、13次谐波数值
整流变压器侧电压和电流波形
①电压波形在电流谐波影响下发生畸变，但不失交流正弦波基本波形，其电压畸变率以严重超标。 ②整流变压器侧电流畸变比较严重，其电流谐波畸变率达30%以上，由于中频炉全控整流系统调整，测控，晶闸管性能等因素，电流谐波中杂谐波（间谐波）存在量较多，故中频炉17次~63次谐波均有含量，但由于谐波率较小，对电网及设备均无太大影响。 3.FTFC动态无功补偿工作原理及特点
3.1 FTFC动态无功补偿工作原理
FTFC系列动态无功补偿滤波装置，主要由监控终端、开关模块、电容器、电抗器、断路器、机柜等构成，控制器采用前馈式检测（三相平衡负荷、采集单相信号；三相不平衡负荷，采集三相信号），以负载的实时无功功率为投切物理量，应用瞬时无功控制理论及网压支持算法，在20ms内完成信号数据采集、计算、及控制输出；投切开关接到投切指令后，在小于10ms内完成零电流投入，投切无涌流，对电网无冲击，并且在主电路和开关中采取措施，避免了投切电容的冲击，使运行更加稳定、安全、可靠。
对于标准5~7次谐波含量较大的用电设备中亦采用标准型的谐波滤波装置主要适用于含有少量谐波，负荷变化较快的系统中。一般情况下，在这种系统中，单纯投切电容器组的无功补偿装置是不能直接使用的，危害有三：一为并联电容器组对谐波的放大，电容器组与电网形成并联谐振使谐波电流放大，以致于电压及电流的畸变更为严重；二为谐波对并联电器的直接影响，谐波电流叠加在电容器的基波电流上，使电容器的电流有效值增大，温升增大，会降低电容器的使用寿命或使电容器损害；三为难以跟踪快速变化的负载，容易引起过补和欠补，导致网压波动。针对于此。在谐波含量小于30%的系统中无功补偿装置应该串接调谐电抗器，使此回路中的谐振频率调谐低于最低次谐波，使其在工频呈电容性，改善功率因数，在谐振频率时呈感性，防止谐振的发生，以防止谐波的放大，调谐型FTFC动补标准装置能吸收5次谐波大于40%
对于谐波含量比较大的系统中FTFC装置由电容器串联滤波电抗器组合而成，在工频呈电容性，改善功率因数，在所设计的谐振频率时形成串联谐振，使此L-C回路在此频率时形成非常低的阻抗，而能吸收大部分的谐波电流，从而改善系统中电压和电流的谐波畸变率。在实际工作中，负载特性和容量不尽相同，根据情况，设计不同的用途（单调谐、双调谐、高通、组合等），不同谐振频率（5次7次11次13次等），不同容量的谐波滤波器，滤波型FTFC一般需要非标准设计。
非标组合投切方式或独立投切方式 允许再带多台滤波柜 3.2 FTFC动态无功补偿及谐波治理装置的主要特点：
① 快速投切技术，无电流冲击，并且达到TCR同等补偿速率； ② 占地面积小基建成本低，低压操作安全，维护容易； ③ 装置不产生谐波，铁心电抗器无射频干扰； ④ 可以有效减少供配电系统损耗，节能效果显著； ⑤ 可以解决用户的增容问题
⑥ 可以滤除用户谐波，净化电网，供配电系统及自动控制系统运行更为安全可靠； ⑦ 零电流投切，不会产生振荡现象。系统响应时间≤30ms。 ⑧ 装置补偿故障时自动退出，不会影响整个供电系统。 ⑨ 采用防暴、自愈、滤波型电容器。 4.谐波治理投切方式的分析
对于谐波治理的投切方式一般可分为两种形式：
对用户负载为连续操作运行，运行中负荷功率无较大的上、下波动，而在有较大波动变化时，其变化速率较慢，中频炉基本上属于这种形式，所以可以采用静态补偿方式，用普通接触器投切电容，此种方案制造成本低，易于被用户接受，但其缺点较多，分析如下：
a. 接触器投切，电容器涌流较大，一般为电容器额定电流180~200倍对电网冲击较大，就是加装限涌流手段，标准规定也在50倍额定电流以下，对电网和工厂用电设备有很大危害，尤其对有晶闸管变流设备的企业中易造成晶闸管损坏。
b. 装置易产生谐波振荡，和谐波放大，尤其采用空心电抗器易产生射频，直接影响附近设备的工作可靠性及寿命。
c. 接触器直接投切除产生涌流外，同时还应保证给予一定的电容器断电后的放电时间，一般在15~60秒左右否则容易造成操作过电压而损坏电容或其它电气原件，故此不能做到电容器的快速投切，同时由于接触器长期投入和切除一个大于几十倍电容器额定电流的涌流，此时接触器触头寿命下降，易熔焊从而造成电容器损坏和补偿精度下降。严重时会造成较重大事故。
d. 用接触器投切电容，一般为等容量电容器循环投切，很难按负载变化，和功率因数变化即时进行容量调节，而投入电容器。这样易产生电容器的投入，切除过程中COSΦ值在超前和滞后间的振荡，直接影响电网质量。 形式二：
即用晶闸管投切装置进行投切，电容器的投入与切除均在电容器电流过零时进行，无涌流，对电网无干扰，电容器的投切容量完全由控制器对电压电流等参数运算后给出，控制器给出信号按1、2、4、8、二进制编码运算得出，而直接控制晶闸管，投切速度快，可以做到毫秒级，从信号采集，运算，控制输出全过
程≤30ms，晶闸管投切速度一般为≤10ms，其方案原理图见前面线路示意图。
针对铸造公司的现场情况，按形式二选用天津市津开电气有限公司生产的FTFC智能型动态无功补偿晶闸管滤波装置进行无功补偿和谐波治理。 5.补偿容量的计算和确定 5.1 计算依据
①变压器一次侧实测数据 电压10KV~10.4KV
电流：157A（运行满负荷时） 功率因数COSΦ= 0.49~0.79 ②变压器二次侧电压815V*2 功率因数COSΦ= 0.23~0.79
③谐波含量（5、7、11、13次谐波）见前谐波含量表 5.2功率计算
5.2.1变压器视在功率2800KVA
视在电流（高压侧额定满载工作电流）157A 中频炉视在功率2500KVA
变压器高压侧功率因数（平均值）COSΦ=0.65 中频炉有功功率P= S*COSΦ= 2800*0.65 = 1820KW 中频炉无功功率Q= S2-P2 = 25002-18202 = 1700kvar 中频炉功率因数COSΦ= P/S= 1820/2500 = 0.728 5.2.2设计补偿容量的确定 设计补偿容量 Q=675*2=1350kvar 补偿步数为三步1.2编码投切 1步投入 322uf 201kvar×2 2步投入 778uf 487kvar×2 1+2步投入 1088uf 688kvar×2 总补偿量 1376 kvar
注：设计补偿切入点在整流变压器二次侧（815V侧）进行 6.补偿效果及谐波治理效果 6.1节能情况：（见表）
中频电炉无功补偿和谐波治理的成功案例
