動態無功補償技術在重工設備制造企業中的應用

高 飛，閆慧君

（中冶陜壓重工設備有限公司，陜西 渭南 711711）

1 工程概況

中冶陜壓重工設備有限公司是中國冶金科工集團下重型設備研發制造企業。熱加工擴建項目中，新建鑄鋼車間安裝鑄鋼30 t高阻抗電弧爐1臺、40 t精煉爐1臺、50 t電弧爐1臺和60 t精煉爐1臺。公司原有1臺10 t電弧爐，1臺15 t精煉爐。電爐群由公司110 kV變電站供電。鑒于大型電弧爐運行時會對電網產生重大沖擊和諧波，嚴重影響電網的供電質量，為此，供電部門和公司要求加裝動態無功補償裝置（SVC），以解決電弧爐群運行中對電網供電質量的影響。

2 供電情況

中冶陜壓重工設備有限公司110 kV變電所由上級變電所提供1條110 kV母線，經2臺主變（主變均為63 MVA三線圈電力變壓器，且2臺主變均投運）分別降至35 kV母線和10 kV母線為該公司供電，1號主變帶35 kV母線Ⅰ段，2號主變帶35 kV母線Ⅱ段，2段母線經母聯開關聯絡。在35 kV母線上裝設2套SVC補償裝置，供電示意圖如圖1所示。

3 電弧爐運行時對電網電能質量的影響

圖1 供電示意圖

電弧爐在運行時電流波動極為頻繁，有爐料塌落造成的電弧短路產生的沖擊電流而引起的，也有近似于周期性的電流波動。這種電流的波動導致供電系統阻抗上電壓降落發生波動，從而引起公共電網的電壓波動，影響其它用電設備的正常工作。主要表現在：①產生電壓閃變；②有功功率和無功功率有較大的突發性波動；③產生污染電網的諧波電流，危及其它用電設備；④很低的基波功率因數，導致供電部門的罰款；⑤較大的電壓波動，影響其它用電設備的正常運行，也影響電爐自身電弧的出力，降低生產率。

4 電爐無功補償裝置方案的選擇

目前對于電爐無功補償裝置主要有2種方案可供選擇，即動態無功補償（SVC）和靜態濾波補償裝置（FC），二者都是補償無功功率，提高功率因數是其中目的之一。

方案一：按照無功功率補償原則要求，應該為大用電設備就地補償，即每臺電弧爐各設置1套SVC裝置，這樣可以穩定設備端電壓，提高設備出力，縮短冶煉時間，減少由于無功負荷傳輸造成的線路損耗和壓降，但如果采取該方案就需要4套SVC裝置，增加投資約420萬元左右（市場詢價），而且要在電爐附近尋找4塊10m×36m的平面位置，而新建車間區域規劃無法滿足此要求，另外，SVC設備配置的電壓（35 kV）電容器、電抗器等所需的冷卻裝置要安裝在室外，日常運行和安全防護等問題難以滿足要求。

方案二：在電爐群附近按照電爐群分組，設置2套SVC裝置，可以相互錯峰，總容量變化不大，這樣就需要2塊約14m×36m左右的平面位置，車間區域布置規劃中也無法滿足，并且因為要增加35 kV配電裝置和高壓室，需要增加約85萬元左右的設備投資費用和10萬元左右的土建費用，無功傳輸線路短，損耗有所減少，但運行管理和安全防護問題仍然存在。

方案三：在110 kV變電站內集中設置2套SVC裝置，分別掛接在2段35 kV母線上（電爐專用母線段），除SVC裝置、相應的建筑和維護費用外不需要增加其它費用。該方案除了增加最遠870m電纜傳輸無功電流造成的損耗和壓降外無其它缺陷，并且能兼顧公司原有2臺電爐對電網造成的污染和無功補償。

綜合以上分析并結合公司負荷特點，最終確定采用方案三，在高壓35 kV母線上裝設2套SVC補償裝置，提高供電質量。35 kV母線Ⅰ段無功功率補償系統原理圖如圖2所示。

圖2 35 kV母線Ⅰ段無功功率補償系統原理圖

2組SVC可分組獨立接入，也可經過母線聯絡開關并聯運行。諧波吸收治理部分主要考慮2次、3次、4次、5次及以上諧波，其中要求3、5次濾波回路具有高通濾波功能，并應能在至少一個已有的濾波回路內（或設置的專用基波補償回路內）實現電容器按一定容量分組投切，以適應公司不同工況時負荷變化的要求，并使晶閘管控制電抗器（TCR）容量最小。

5 SVC補償容量的確定

確定SVC補償容量，應主要考慮以下幾個方面。

根據電網及設備的已知條件計算各元件阻抗，然后根據元件阻抗計算電壓閃變的波動率；補償系數的計算；主電抗器容量的計算；補償用電容器容量的計算；平衡電抗器所需的電容器容量的計算；SVC補償所需電容器總容量的計算；濾波器的配置等。根據電爐及線路的入網參數，具體計算結果如下。

（1）在電爐35 kV母線PCC點，為改善電壓閃變所需的無功補償最大量QTCR=31Mvar。

（2）為提高系統功數因數所需的靜態無功補償量QC=9.15Mvar。

（3）SVC 基波補償容量 QTCR=31 Mvar，QFC=25Mvar。

（4）濾波器的配置。通過諧波電壓、電流波形畸變計算結果表明，諧波電壓畸變值已經超過國家規定值，故須設置濾波器。經多個方案比較及計算確定，在35 kV側裝設4組濾波器，基波無功輸出為：

H22次單調諧濾波器17.28Mvar；

H33次單調諧濾波器12.48Mvar；

H44次單調諧濾波器7.2Mvar；

H55次單調諧濾波器9.84Mvar。

6 SVC控制系統的組成（以35 kVⅠ段為例）

主要包含以下內容：

（1）TCR部分

有效補償容量為25Mvar。主要包括：全數字控制系統（包含控制單元、脈沖觸發單元），晶閘管閥組，相控電抗器，TCR控制采樣用電流互感器，TCR故障自診斷系統。

（2）FC部分

設置H2、H3、H4、H5共4組濾波通道，有效補償容量為24Mvar。主要包括：濾波電抗器（干式、空芯、鋁導體），濾波電容器（安裝容量為46.8Mvar），氧化鋅避雷器；差流互感器。

SVC控制系統主要由控制單元、觸發脈沖單元和功率單元3部分組成。控制單元的作用是采集實時電壓、電流信號，經計算處理后發出觸發脈沖，同時監控其他主要元件的運行狀況；觸發脈沖單元形成符合要求的脈沖信號；功率單元主要是在脈沖信號的控制下，實現晶閘管的通斷，以調整電抗器電流的基波分量，使電抗器流過預期的補償電流。

（3）監視部分

中央控制單元不僅對其自身運行情況進行監視（自監視），還能夠對SVC系統其它元件的運行狀態進行監視。中央控制單元的配置具有對其自檢系統的保護功能。

監視系統設置2種保護類型，其一是報警，其二是跳閘。報警主要顯示存在的問題，但設備還不至于立即損壞；跳閘保護應動作于SVC減載或立即跳閘停運，此時若不采取這樣的措施設備將會損壞。

（4）綜合自動化

SVC站綜合自動化程度的高低反映SVC技術當前的發展水平，SVC站綜合自動化采用全數字化，整體架構均數字化、網絡化和信息化，能全面實現SVC站無人值守。

SVC站綜合自動化由380 V AC低壓動力屏、220 V DC直流屏、繼電保護屏、水機控制屏、主監控屏和遠方工作站組成，其中，水機控制屏和純水處理機為機電一體化結構。SVC站綜合自動化整體網絡架構為計算機分層式，工作站為管理層，子系統智能單元為基礎層，管理層和基礎層之間以及基礎層各智能單元之間均通過控制器局域網（CAN）現場總線實現數據共享通道，CAN總線采用多主方式，實現層間和各智能單元間相互廣播通信。

7 電能質量測試

SVC補償裝置經過調試運行后，對裝有SVC補償裝置的35 kV母線進行電能質量測試，考察SVC的補償情況。

①測試方法：諧波測試時間間隔為3 s，采樣時間不小于8個工作循環。電壓信號取自35 kV母線TV二次側，電流信號取自1號主變低壓側TA二次側。②測試點位置：SVC控制柜。③測試儀器：TOPAS1000型諧波分析儀。

測試結果以95%概率大值作為判斷合格與否的依據。（95%概率大值是指將測試值從大到小依次排列，舍去5%的大值，取剩余實際值中的最大值）。測試結果經分析比較，各次諧波電流均符合國家標準。其他電能質量指標如表1所示。

表1 其他電能質量指標

經過測試表明，該公司110 kV變電站低壓側的各項電能指標均符合國家標準，指標如下：

月平均功率因數cosφ≥0.92；電壓波動d≤1.5%；電壓閃變Pst≤0.8；三相電壓不平衡度εV≤1.3%；總電壓諧波畸變率THDV≤2%。注入系統的諧波電流滿足國家標準要求。

8 經濟效益分析

無功補償的經濟效益主要體現在節約電能、減少公司開支方面。供電部門對于諧波污要求用電單位誰污染誰治理，否則將根據規定處以設備總用電量電費5%的罰款或禁止設備使用，如果使平均功率因數達到0.93以上，可獲得供電部門總電費約1.5%的功率因數提高獎勵（減少總電費）。

根據計算，每年公司電爐用電量為1.46億kWh，35 kV電壓等級平均電費為0.401 1元/kWh，則每年電爐用電電費為1.46億kWh×0.401 1元/kWh=0.6億元，如按獎勵1.5%的電費減收，則每年減免電費金額為0.6億元×1.5%=90萬元，意味著增加動態補償SVC后每年僅功率因數獎勵可為企業減少開支90萬元，如果2套SVC裝置全部投入使用，大約5年左右就可收回全部投資。

9 結束語

該補償裝置裝設在變電所35 kV高壓母線上，這種補償方式只能補償高壓母線前邊所有線路上的無功功率，對于高壓母線后邊線路的無功功率是得不到補償的，但是這種補償方式對整個電力系統起到了補償作用，從整個公司的全局來看，這種補償是必要的。在一些大型工廠中應用效果比較好，有明顯的經濟和社會效益。

［1］ 中國航空工業規劃設計研究院.工業與民用配電設計手冊［M］.第三版.北京：中國電力出版社，2005.

［2］《鋼鐵企業電力設計手冊》編委會.鋼鐵企業電力設計手冊［M］.北京：冶金工業出版社，1996.