矿热炉短网无功就地补偿技术
中国冶金设备总公司 瞿桂荣
摘
要:本文就矿热炉短网实施无功就地补偿的增产及降耗从理论上作出了阐述,指出了实施短网无功就地补偿应注意的相关技术问题，阐明了中国冶金设备总公司矿热炉短网无功就地补偿设备的特点。
关键词:矿热炉 短网无功就地补偿
1、前言
针对炉变低压侧短网的大量无功消耗和不平衡性，兼顾有效提高功率因数而实施无功就地补偿技术改造，从技术上来讲是可靠、成熟的，从经济上来讲，投入和产出是成正比的。在矿热炉低压侧针对短网无功消耗和其布置长度不一致导致的三相不平衡现象而实施的无功就地补偿，无论在提高功率因数、吸收谐波，还是在增产、降耗上，都有着高压补偿无法比拟的优势。通过平衡、提高三相电极向炉膛的输入功率,从而达到提高产量质量和降低电耗的目的，为企业在兼顾功率因数、谐波达标的基础上,进行节能技术改造提供了一个新的思路和途径。
2、基本原理
矿热炉电弧冶炼的功率因数都比较低，一般不超过0.85，这样就需要对供电线路进行无功补偿，以将功率因数提高到国家规定的0
.90 或以上，以达到平衡电网无功的目的。针对电弧冶炼而言，无功的产生主要是由电弧电流引起的，而短网的大电流特征决定了无功主要以无功电流的形式体现在短网上，从而造成短网上的有效压降，如将无功功率在低压侧进行补偿，那么大量的无功电流将直接经低压电容器和电弧形成的回路流过，而不再经过补偿点前的短网、变压器及供电网路，在提高功率因数的同时，提高变压器的有效输出率，降低变压器、短网的无功消耗。
3、矿热炉短网无功就地的特点
低压补偿相对高压补偿而言，低压补偿的优势主要体现在以下几个方面：
3.1提高变压器、大电流线路利用率，增加冶炼有效输入功率
针对电弧冶炼而言，无功的产生主要是由电弧电流引起的，将补偿点前移至短网，就地补偿短网的大量无功消耗，提高变压器的出力，增加冶炼有效输入功率。
COSθ1：改善前的功率因数
COSθ2： 改善后的功率因数
由于提高了变压器的载荷能力，变压器向炉膛输入的功率将会增大，为提高日产创造了必要条件，对一些不能运行在炉变额定档位的炉子来说,更加具有促进和改善作用。
另外，对不能运行在炉变额定档位的矿热炉，低压无功就地补偿可以使其在炉变低压侧的无功平衡后达到额定运行状态，其改善后的产量和单耗指标更为可观，一般增产可达到10%、单耗降低2-3%。
3.2不平衡补偿，改善三相的强、弱相状况
由于三相短网布置不平衡，三相不同的电压降就导致了强、弱相现象的形成。从理论上来讲，料的熔化功率是与电极电压和料比电阻成函数关系的，可以简单表示为P=U2/R。
从这一基本点出发，在三相短网与电极之间相同长度基本相等点，采取单相并联的方式进行无功补偿，综合调节各相补偿容量，使三相电极的有效工作电压一致，平衡电极电压，均衡三相吃料，改善三相的强、弱相状况。在补偿后根据炉况调节冶炼档位和相关工艺参数，使电极作业面积扩大，达到增产、降耗的目的。
在低压侧实施三相等量补偿是显而易见的工程方法，其设计思想是在该相补偿容量内再依据补偿点的运行电压水平调节补偿容量，但在运行中可以发现--三相补偿容量实际是不一致的,这一点从矿热炉高压补偿上可以得到验证,即:高压无功补偿的实际运行电流三相不等。
Qc=Qe(Uc/Ue)2 Ic=Qc/Uc
Uc-电容器端电压
Ic-电容器电流
Qc--电容器实际容量
Qe--电容器额定容量
Ue--电容器额定电压
导致以上的根本原因是补偿点的电压不同,而电容器的额定电压相同因此各相实际的补偿容量是不一致的(受电容器电压的钳制),所以在高压侧的无功补偿表现为实际运行电流三相不等，而低压侧三相等量无功补偿则表现为约1/3的补偿容量处于备用状态。如果在设计时即能省去这1/3的补偿容量,那么设备的造价将降低1/3,客户的投资回收期必将大大缩短。
基于此,中国冶金设备总公司的技术研究人员在单相补偿的基础上，引入了不平衡补偿概念。
由于三相补偿点电压水平不一，为了使补偿后三相补偿点的运行电压基本一致，那么三相实际补偿容量必然不同。为了降低成本，均衡补偿方式其余两相多余的补偿容量是可以放弃的。
从实践上看：最强相的短网最短，其补偿点的相电压降最大，则其补偿量最大，其余两相次之。
由于三相的补偿容量不均，因此这就需要设计人员在设计时须充分考虑冶炼电压档位、三相短网的各自压降以及电抗器压降对电容器运行电压的影响,以确保运行时在不均衡容量补偿的前提下达到设计值。
量体裁衣的设计使电容器在安全、接近最大容量运行的情况下，三相短网的补偿点运行电压水平基本一致，从而节约投资成本、缩短回收期。
3.3、降低高次谐波值，减小变压器及网路附加损耗
针对低压补偿而言，合理地选择合适比例的电抗器是非常必要的。
关于谐波的分析：冶炼变压器励磁需要3次谐波，同时电弧冶炼时会产生高次谐波，尤其以3、5、7、11次最为严重，如不对此加以限制和吸收，无论对冶炼设备还是补偿装置，都会产生不利的影响。因此在装置中，我们会根据冶炼的谐波状况将并联电容器设计成滤波回路。根据公式：
Un=In（nXL-XC/n）→
0
Un--谐波电压
In--谐波电流
XL--电抗器感抗值
XC--电容器容抗值
为抑制和吸收n次以上谐波，应使L-C调谐频率小于n×50Hz。针对3、5次谐波，我们将调谐频率分别设计为134Hz、189Hz，以吸收3、5次谐波。
3.4有效提高功率因数
矿热炉的无功消耗主要在变压器和短网上，实施低压无功补偿，不仅就地补偿了短网和变压器的损耗，还能补偿高压线路的损耗，。
I--视在电流
IP--有功电流 IQ--无功电流
相比高压补偿而言,低压无功就地补偿装置在低压侧提供了很大的无功电流，使功率因数的改善对用户更加有实际意义。
4、低压补偿技术实际运用的几个关键点
矿热炉低压补偿技术是随着低压电容器的发展而逐渐发展起来的一项就地补偿技术，理论上关于高压补偿的计算公式，完全实用于低压补偿。低压无功就地补偿在以下几个方面应该引起设计师的注意：
电容器选择：自愈、锌银喷镀的电容器是低压补偿技术的首选，但在薄膜材料、厚度，填充材料以及外壳的选择上，是很关键的。电容器单体电容量的参数选择应考虑国内整体的制造水平,不能为了降低设备成本而片面追求大容量单体电容器，这对电容器的安全运行是没有好处的（因为大容量必然产生大电流）。同时电容器的电压等级除考虑电抗器的压降外，更应该注意补偿点补偿后的压升，否则，在补偿投入后，会因不准确的计算导致长期超容运行或达不到设计补偿容量。
谐波因素 ：
通常情况下，在谐波总量超过2%的电网中，要加装失谐电抗器，保护电容器免受因高次谐波而产生异常发热的致命影响但是，谐波总量是否超过2%并不是加装失谐电抗器的衡量标准。因此我们认为，针对矿热炉的低压补偿设备，加装合适比例的失谐电抗器是极其必要的。
电抗器选择：根据我们多年为矿热炉实施低压就地补偿的经验，当电抗器比例选择不合适时，电容器的表面温度会达到80℃以上，反之，电容器温升仅为3-5℃。因此电容器的运行温度对设备
的安全、长效运行是极其关键的。因此，在实施就地补偿时，电抗器的选择是关系整体设备是否成功的关键。而合适的电抗比例，不仅可以保证电容器的安全、长效运行，而且
可以部分吸收高次谐波，从而降低变压器及网路附加损耗。
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电 抗 率 |
5% |
5.67% |
7% |
8% |
12.5% |
14% |
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调谐频率 |
223HZ |
210 HZ |
189 HZ |
177 HZ |
141HZ |
134 HZ |
另外，从物理学的角度来看,体积越小的电抗器经常是最便宜的电抗器，但却很少是最佳解决方案。因为电抗器使用的实地条件不同，而这些条件可能随时发生变化，因此，在设计时我们通常会留出余量,以满足谐波吸收的要求。
放电选择：放电装置的作用在于使电容器在脱离电网后，再投入之前将剩余电压降至安全水平。当电容器再次投入时，其剩余电压不得高于电容测量电压的10%，对低压补偿电容来说尤为如此。
同时控制器再投入的时间应至少长于放电时间的10%，这一点在控制上尤为重要。
集成工艺：由于矿热炉的冶炼环境导致了低压补偿设备的使用环境是高尘、高热的，因此在保证同时适当保持环境的清洁、通风同时需要在设计上适当放大线路的线径，在连接的处理上尽量采用螺栓连接方式，避免局部发热。
5、结论
理论和实践证明：矿热炉短网无功就地补偿要达到节能、增产、特别是稳定运行的效果，在设计上须做到不平衡补偿系统设计要合理，电抗率选择根据不同炉况要有针对性，电容器的参数确定须综合考虑各相关影响因素。
附：矿热炉短网无功就地补偿原理图
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