某廠改造工程6kV供電系統無功補償與諧波治理

劉義友，吳方達，徐蕓，劉賓

（1.中鋼集團北京國冶銳誠工程公司，北京 100080；2.天津天傳電氣有限公司，天津 300180；3.北京中電恒盛電力科技有限公司，北京 100029）

1 引言

某軋鋼廠是原650開坯車間改造而成的3／4連軋窄帶鋼－彈扁復合生產線，設計年生產能力只有380000t。為適應公司發展要求，提高產品質量，盡快實現彈扁質量升級換代，同時擴大產品規格范圍提高產量，公司決定對這條生產線進行優化改造。

2 系統的組成

改造完成后，該生產線形成由19架軋機組成的全連軋生產線，其中粗、中軋機組之間采用脫頭軋制，車間高壓供電單線系統圖見圖1。

全車間用電設備總裝機容量約為21915kW，其中直流調速電氣設備的安裝總容量為16530 kW，高壓配電室6kV側總的計算負荷為：有功功率14318kW；無功功率12781kvar；視在功率19193kV·A；自然功率因數0.75。

由此可見6kV供電系統自然功率因數低于供電部門0.92以上的基本要求，同時由于系統內的直流整流裝置將產生大量諧波，故在6kV供電系統內需增設諧波吸收及無功功率補償裝置（FC）。

圖1 車間高壓供電單線系統Fig.1 Workshop high voltage power supply single line system

36 kV供電系統無功補償與諧波治理技術方案

3.1 原有情況介紹

用戶原有生產線安裝一套6kV濾波補償裝置，原濾波裝置供貨方出具的基本數據見表1。

表1 原有濾波補償裝置技術參數Tab.1 The original filtering compensation equipment technical parameters

根據以上數據及實際運行情況分析，原濾波器在實際運行中出現以下問題。

1）容量設計過大。當時設計基波補償容量為3813.76kvar，濾波器實際總基波補償容量4817 kvar。導致部分濾波器無法投入，造成投資浪費。

2）根據負荷特性和實際測試結果看，系統中主要的諧波含量集中在5，7和11次左右，3次不是主要諧波源，沒有必要單獨加裝3次濾波支路，即使加裝該次濾波支路，安裝容量也不大，主要起到抑制諧波放大的作用。

3）原設備參數中，3次濾波支路配置容量較大，5次濾波支路容量配置較小，容量分配不合理，不能有效濾除諧波，濾波設備長期過載運行，容易損壞元器件，用戶為此經常更換熔斷器，不能有效運行，造成資源和投資的浪費。

3.2 此次改造方案

在本次改造工程中，將原有兩段母線合并為6 kV母線Ⅰ段，新增了6kV母線Ⅱ段和6kV母線Ⅲ段（見圖1）。同時對新6kV母線Ⅰ段負荷進行調整，經計算需要補償的基波無功功率為3100kvar，優先考慮對原有濾波器進行改造以適用于新的6 kV母線Ⅰ段，盡可能降低投資。經過對原有濾波器參數和新供電系統的詳細分析計算，經過改造的6kV母線Ⅰ段濾波補償裝置方案見表2。

表2 新6kV母線Ⅰ段濾波補償裝置技術參數Tab.2 New 6kV Ⅰsection bus bar filtering compensation equipment technical parameters

具體方案描述。

1）將原H3改造為H5，更換3臺新濾波電抗器。

2）將原H11改造為H7，更換3臺新濾波電抗器。

3）將原H7改造為H11，濾波電容器減少一半（1500kvar），將原H11換下的電抗器替換原H7電抗器。

4）保留原H5回路，作為提高功率因數的備用手段，必須與新H5同時使用。

5）更換開關柜二次回路繼電器，重新設置保護定值。

6）運行時先投入H5，H7，再投入H11，如果需要進一步提高功率因數，可將H11和原有H5同時投入，同時濾波效果可以完全滿足國家標準要求。

7）H5，H7，H11投入后發出基波無功功率3233kvar＞3100kvar，功率因數達到設計要求。

3.3 新增6kV母線Ⅱ段濾波補償方案

新6kV母線Ⅱ段整流設備較多（見圖1），諧波含量大，需要補償基波無功功率3800kvar，經過分析計算，濾波補償裝置方案見表3。

表3 新6kV母線Ⅱ段濾波補償裝置技術參數Tab.3 New 6kV Ⅱsection bus bar filtering compensation equipment technical parameters

具體方案描述。

1）采用TCK3000高壓自動投切控制器，檢測負載的變化情況進行綜合控制，投切元件為電容器專用高壓真空接觸器。每個濾波支路設置微機綜合保護器。

2）控制回路延時不超過5min，在保證安全的前提下盡可能提高跟蹤補償精度，日平均功率因數＞0.92以上。

3）設備工作期間完全不需要人員干預，每個支路都具備過壓、欠壓、過流、速斷、開口三角電壓等保護，同時電容器內置熔斷器、放電電阻，柜內還設置過電壓保護裝置等保護措施，可以確保裝置的安全可靠運行。

4）經過仿真計算，濾波效果顯著，可以完全滿足國家標準要求，同時可發出3814kvar基波無功，滿足補償基波無功功率3800kvar的基本要求。

3.4 新增6kV母線Ⅲ段濾波補償方案

新6kV母線Ⅲ段主要負載是普通動力設備，諧波畸變較小，經過實測，諧波含量主要集中在5次。同時部分低壓母線已配置了補償設備，6kV母線需要補償基波無功功率為1100kvar，經過分析計算，濾波補償裝置方案見表4。

表4 新6kV母線Ⅲ段濾波補償裝置技術參數Tab.4 New 6kV Ⅲsection bus bar filtering compensation equipment technical parameters

具體方案描述。

1）由于本母線負荷以動力負荷為主，負荷波動較小，本補償方案選擇DFC固定濾波補償裝置。

2）裝置可發出1162kvar基波無功功率，滿足補償基波無功功率1100kvar的基本要求。

46kV供電系統無功補償與諧波治理裝置投運后測試分析

4.1 標準限值

執行標準：國家標準GB／T14549《電能質量－公用電網諧波》。

4.2 FC裝置投運前后電能質量數據對比分析

此次電能質量數據測試旨在分析FC裝置對生產過程中無功功率補償和諧波電流進行治理的效果。總的測試時間大約為2d，測試儀器為HIO－KI（日置）3196電能質量測試儀，分別以測試表格和測試曲線等形式獲得了大量的數據，本文僅以表格形式列出其中的部分數據進行對比分析。

6kV母線Ⅰ段測試數據如表5、表6所示。

表5 FC裝置投入前的實測數據Tab.5 FC device of measured data on before

表6 FC裝置投入后的實測數據Tab.6 FC device input of measured data

從表5、表6可看出，未投入FC裝置前的時間段內，系統功率因數大約為0.7，開始投入FC后，系統功率因數升至0.9以上，在后續投入過程中一直比較穩定，起到了改善功率因數的作用。

在未投入FC裝置前的時間段內，系統5次諧波電壓大約為20V，5次諧波電流大約為30 A，開始投入FC后，系統5次諧波電壓基本消除，5次諧波電流則降至15A左右；對7次和11次及高次諧波電流也起到同樣的濾波效果，總的濾波效果顯著，并且在后續投入過程中一直比較穩定，起到了濾除諧波的作用。

6kV母線Ⅱ段及Ⅲ段測試數據與母線Ⅰ段基本相同。

5 結論

FC裝置在投入以后，很大程度上提高了電能質量，獲得了用戶好評。具體體現在以下幾個方面：

1）系統無功功率得到補償，效果明顯；

2）系統功率因數得以改善，分別由補償前的0.7和0.6提高到補償后的0.9左右；

3）系統諧波得到治理，濾除效果明顯，為產品生產的質量和可靠性提供了保障。

4）本工程作為改造項目，充分利用原有設備，為用戶節省了投資，性價比較高。

［1］鮑德芝，曹邦和.鋼鐵企業電力設計手冊［M］.北京：冶金工業出版社，1996.

［2］劉國慶，楊慶東.ANSYS工程應用教程：機械篇［M］.北京：中國鐵道出版社，2003.

［3］天津電氣傳動設計研究所.電氣傳動自動化技術手冊［M］.北京：機械工業出版社，2005.