冶金行業(yè)的無功補償柜裝置應(yīng)用案例  

　　一、 冶金企業(yè)中的軋機與電弧爐負荷特征描述
 
　　軋機電動機多數(shù)采用可控硅變流器供電，負荷容量較大。并且一般是重復(fù)沖擊性的，負荷的變化具有一定的周期性，負荷的變化速度快、變化幅值大。以武鋼冷連軋和熱連軋為例：熱連軋電氣設(shè)備的安裝容量為160兆瓦，計算負荷的有功功率為88兆瓦，無功功率為34兆乏，沖擊功率為79兆瓦;冷連軋電氣設(shè)備的安裝容量為112兆瓦;計算負荷的有功功率為78兆瓦，無功功率為25兆乏，沖擊功率為42兆瓦。
 
　　與軋機負荷一樣電弧爐負荷具有負荷容量大的特點，也以天津鋼管公司為例，其150噸電弧爐容量達到100兆伏安。而與軋機負荷不同的是電弧爐負荷變化沒有規(guī)律，由于電弧爐在融化期間電極經(jīng)常短路，電弧不穩(wěn)定造成電流波動劇烈，而且電流嚴(yán)重失真。因此與軋機比起來，電弧爐給電力系統(tǒng)帶來的影響更加嚴(yán)重。
 
　　二、 軋機與電弧爐負荷引起的問題
 
　　一般來講，軋機和電弧爐引起的問題主要包括：電壓閃變、電流與電壓諧波、功率因數(shù)低下、不對稱、頻率波動等幾個方面的問題。這些方面的問題主要會引起以下幾個方面的問題：
 
　　1、 電壓波動與閃變造成電壓質(zhì)量下降，嚴(yán)重影響其他用戶的用電質(zhì)量與安全。
 
　　2、 電壓與電流諧波引起電力系統(tǒng)諧振，產(chǎn)生過電壓、過電流導(dǎo)致設(shè)備絕緣擊穿、損壞與燒毀。一般而言軋機負載的諧波以奇次諧波為主，電弧爐負載的諧波則奇次諧波和偶次諧波都比較嚴(yán)重。
 
　　3、 電壓和電流諧波的存在還容易導(dǎo)致計算機和保護裝置失靈，測量裝置誤差增大，對弱電系統(tǒng)產(chǎn)生較大的干擾。
 
　　4、 功率因數(shù)低下造成線損增加，線路傳輸能力下降;不對稱也是如此，使得系統(tǒng)的傳輸能力大幅下降。
 
　　5、 由于無功的劇烈變化，容易引起自身用電系統(tǒng)乃至電網(wǎng)的電壓穩(wěn)定問題，而有功的劇烈變化則容易導(dǎo)致頻率波動劇烈，系統(tǒng)失去功角平衡。
 
　　6、電壓降低還降低了軋機或電弧爐的有效輸出功率。
 
　　至于頻率波動的問題，只有通過增加系統(tǒng)容量來實現(xiàn)，而其他問題如電壓閃變、電壓低下、功率因數(shù)低下、不對稱、電流與電壓諧波等問題都可以在一套設(shè)備中加以解決，這一設(shè)備就是新型高壓動態(tài)無功補償設(shè)備?？梢娺@一設(shè)備對軋機和電弧爐的運行以及相關(guān)電網(wǎng)的安全可靠運行具有十分重要的意義。
 
　　三、電網(wǎng)對軋機與電弧爐負荷的限制條件
 
　　正是因為軋機與電弧爐負荷對電網(wǎng)的嚴(yán)重影響，以及對電網(wǎng)安全經(jīng)濟運行的極端重要性，電網(wǎng)對此類負荷的入網(wǎng)提出了相應(yīng)的要求。
 
　　天津鋼管公司為例，電網(wǎng)提出主要的要求包括：
 
　　電壓降最大值：
 
　　電壓閃爍值：
 
　　功率因數(shù)：
 
　　電壓波形總畸變率：
 
　　對諧波電流，國家也規(guī)定了相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)，對于各個電壓等級對諧波的規(guī)定是不同的，仍以天津鋼管公司為例，要求各次諧波的電流值小于表1中規(guī)定的值。
 
　　表1、220kV諧波電流允許值
 
　　諧波次數(shù)2 3 4 5 6 7 8 9 10
 
　　電流允許值4.9 3.9 3.0 4.0 2.0 2.8 1.2 1.1 1.0
 
　　諧波次數(shù)11 12 13 14 15 16 17 18 19
 
　　電流允許值2.7 1.0 3.0 1.4 1.3 1.2 1.2 1.1 1.0
 
　　四、 解決軋機、電弧爐等負荷帶來的問題的幾種方案
 
　　為了實現(xiàn)對電壓閃變、電壓低下、功率因數(shù)低下、不對稱、電流與電壓諧波等問題的治理，目前一般采用ASVG/APF，SVC以及新型SVC等三種方案。
 
　　一般來說，由于SVG/APF采用了有源的方案，不再需要電容作為補償使用，而且開關(guān)元件均為可關(guān)斷的高頻開關(guān)器件如GTO、IGCT等，所以SVG/APF的方案具有設(shè)備體積小、響應(yīng)速度快、無諧波污染、對電網(wǎng)呈現(xiàn)電流源特性(電網(wǎng)電壓對設(shè)備容量，尤其是無功容量的影響呈線性關(guān)系)等優(yōu)點，是當(dāng)今最先進的無功補償與諧波治理裝置。電壓閃變的治理、無功變化的動態(tài)補償以及不對稱的治理也都需要通過動態(tài)無功補償裝置來實現(xiàn)。
 
　　自80年代以來，傳統(tǒng)SVC經(jīng)過長足的發(fā)展，成為了主要的動態(tài)無功補償裝置，解決了大量的動態(tài)無功補償問題。它以響應(yīng)速度快，技術(shù)相對成熟以及高壓SCR器件可靠性高于GTO、IGCT等為人所熟知，但是，即使是經(jīng)過了20來年的發(fā)展，還是無法克服幾個裝置本身所固有的缺陷：
 
　　1、 硅塔可靠性低。由于硅塔由單只SCR串聯(lián)而成，任何一只SCR損壞都會造成硅塔整體損壞，因此，傳統(tǒng)SVC的可靠性等級始終無法達到理想的水平。
 
　　2、 諧波污染大。傳統(tǒng)的SVC裝置帶給系統(tǒng)的另外一個問題就是引入了大量的諧波，因此即使系統(tǒng)自身不存在諧波，也需要安裝濾波裝置，增加了造價與占地面積。
 
　　3、 體積龐大。由于采用得是空心電抗器，而且濾波裝置容量大，硅塔的安裝需要專門的廠房，而且硅塔需要水冷裝置，諸多原因?qū)е聜鹘y(tǒng)SVC的占地面積非常龐大。
 
　　隨著控制技術(shù)的不斷發(fā)展和對電抗器工藝與結(jié)構(gòu)的突破性改進，在克服了傳統(tǒng)飽和電抗器響應(yīng)速度慢、損耗大、噪音大、諧波大等缺點之后，一種基于磁閥式飽和電抗器的新型SVC裝置在具備了響應(yīng)速度快的特點的同時，克服了傳統(tǒng)SVC的上述諸多缺陷。正因如此，美國電科院于2002年向本國企業(yè)推薦SVG為傳統(tǒng)SVC的替代產(chǎn)品。與傳統(tǒng)SVC相比， SVG最主要的特征就是SCR安裝在控制回路而不直接安裝在主回路中，SCR所需要承受的電壓僅為主回路的1%左右，正因如此，SVG具有極高的可靠性。歸結(jié)起來，SVG裝置具有以下顯著特點：
 
　　1、 極高的可靠性。
 
　　2、 較低的諧波含量，三相角接的系統(tǒng)的電流THD小于5%，符合國家規(guī)定的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。
 
　　3、 體積小，可調(diào)電抗器部分體積僅為傳統(tǒng)TCR的1/5左右。
 
　　4、 響應(yīng)速度快，可以達到20ms左右。
 
　　
　　五、 新型動態(tài)無功補償裝置的使用效果
 
　　在冶金企業(yè)中安裝新型動態(tài)無功補償裝置，解決軋機或電弧爐等負載帶來的問題，其使用結(jié)果可以分為兩方面。
 
　　一方面是對公共電網(wǎng)而言，主要解決了以下幾個方面的問題。
 
　　1、 克服因為無功沖擊造成的電壓降低與電壓閃變，系統(tǒng)電壓降低1%，工業(yè)企業(yè)產(chǎn)量將會降低0.5%，因此，具有重要的社會與經(jīng)濟效益。
 
　　2、 提高功率因數(shù)，提高線路傳輸能力，降低線路損耗。
 
　　3、 消除諧波污染與負序電流，提高電能質(zhì)量，降低系統(tǒng)損耗，提高系統(tǒng)安全運行水平。
 
　　另一方面是針對用戶自身而言，主要解決了以下幾個問題。
 
　　1、 降低線路損耗電費;
 
　　2、 免除功率因數(shù)罰款，獲得功率因數(shù)獎勵;
 
　　3、 免除諧波和閃變超標(biāo)罰款;
 
　　4、 增加生產(chǎn)產(chǎn)量，降低單產(chǎn)能耗。
　　　
　　由于降低了電壓波動、提高了電壓水平，提高了電弧爐使用效率，縮短了冶煉時間，增加了生產(chǎn)產(chǎn)量，降低了單產(chǎn)電耗。具有很好的經(jīng)濟效益和社會效益。