無功動態自動補償系統在冷軋機中的應用

安利娟，梅樹朋，區興華

(1．中國重型機械研究院有限公司，陜西 西安 710032;2．中山中粵馬口鐵工業有限公司，廣東 中山 528437)

1 前言

軋機在冶金行業中作為主要加工設備得到了廣泛的應用，由于軋機工作的特點，工作周期較短，速度快，屬于沖擊性負荷，無功波動大，因此在軋鋼時會產生有害高次諧波，主要是以5、7、11、13次為代表的奇次諧波及旁頻，使電網電壓產生嚴重畸變，引起電氣設備發熱，振動，增加損耗，縮短壽命，干擾通訊，使可控硅誤觸發，部分繼電保護誤動作，電氣絕緣老化損壞等。同時功率因數非常低，一般在0.7左右。軋制直流傳動系統在工作時除了功率因數較低外，功率大的軋機還會引起電網電壓急劇波動，使照明、顯示器屏幕等產生閃爍，引起人的視覺疲勞而煩燥，此外還影響可控硅設備，精密儀表或電網內其它設備的穩定運行，甚至產生質量事故。為了有效解決由此產生的問題，無功動態自動補償系統的投入可以完美的解決上述問題，保證母線電壓平穩，無諧波干擾，提高功率因數。

2 軋機傳動系統

中山中粵基板廠共有兩套相同配置的軋機，每套軋機均配有直流電機，其中每套包括2臺主電機各1 300 kW、4臺卷取電機各728 kW、1臺248 kW開卷電機，軋機供電系統電壓為10 kV，主機傳動系統由1臺變壓器(容量為4 500 kvar，供電電壓為10/0.75 kV)整流變供電，左右卷取傳動系統供電由2臺整流變壓器(容量均為2 500 kvar，供電電壓為10/0.66 kV)分別提供。軋機傳動系統均為直流傳動裝置，這些設備均接入10 kV母線，通過3臺變壓器與上級電網相連。

兩套軋機正常工作時除了會產生大量高次諧波電流注入系統，還將產生很大的無功功率和有功功率沖擊，直接導致10 kV供電母線較大的電壓波動，嚴重影響和惡化電網的電能質量，另一方面還會威脅接入同一電網內的其它主電機、控制設備和換流設備的自身安全、穩定運行;同時，由于負荷的功率因數較低，用戶還有可能遭受低功率因數罰款。根據測試可知軋機正常工作時負載動態變化較大，導致系統功率因數低至0.65，在整流變壓器單個低壓繞組側產生的5次諧波電流含量達到了20%～25%，7次諧波電流達到了8%，高次諧波電流注入高壓側電網，導致電力系統中高次諧波含量迅速增長，引起供電電壓波形畸變，增加了線損和用電設備的損耗，造成了多余的能耗，影響電網其他用電設備的正常運行，降低了電能質量，影響了電網的用電安全，對設備的安全運行造成了安全隱患。

圖1，2所示為中山中粵基板廠軋機主機及卷取機工作時電壓及電流畸變的波型。

為保障電網電壓穩定合格、提高功率因數、避免無功罰款、降損節能、有效抑制和治理諧波，提高軋機的利用率及電能質量，中山中粵基板廠采取了在10 kV高壓母線端裝設了高壓動態無功功率補償裝置，采用了高壓自動無功補償裝置(HVC)和高壓動態無功補償裝置(TRC)相結合的方案。高壓自動無功補償裝置電容器組由真空接觸器投切，高壓動態無功補償裝置電容器組由可控硅投切，實現嚴格的電流過零投切，電容投切過程中無涌流沖擊，無操作過電壓，無電弧重燃現象，無電壓閃變現象，能在20 ms內快速跟蹤系統無功變化，可頻繁投切。

高壓自動無功補償裝置主要用來補償系統較穩定的無功變化不頻繁的基本負荷。根據負荷的變化由高壓動態無功補償裝置快速反應，跟蹤補償無功變化較快，波動負荷大的軋機部分負荷。在對負荷進行補償的整個過程中，自動與動態相互配合，高壓自動無功補償裝置補償基本無功，高壓動態無功補償裝置快速響應，組合投切實現細調，既能保證補償精度，又可實現動態快速跟蹤補償。

中山中粵基板廠每套軋機配置了3套無功動態補償系統，裝置容量為7 200 kvar，基波補償容量為 5 275 kvar，容量分別為 4 200 kvar、1 800 kvar、1 200 kvar。使10 kV系統功率因數在0.95以上，高次諧波含量滿足國家標準GB/T14549－93要求，穩定電網電壓，降低損耗。

3 系統控制原理及功能

軋制時軋機引起的電能質量問題主要有電壓波動、電壓閃變和諧波電流等。而一般普通靜態的無功補償投切速度慢，不適合負載變化頻繁的場合，容易產生欠補或者過補償，造成電網電壓波動，損壞用電設備。并且觸點投切設備壽命短，噪聲大，維護量大，影響電容器使用壽命。而無功動態自動補償控制系統原理是根據負荷工作狀態改變與電抗器串聯的晶閘管的導通角，從而改變電抗器提供的感性無功，起到平滑調節供電系統無功功率的作用(調節原理如圖3)。可對任何負載情況進行實時快速補償，并有穩定電網電壓功能，提高電網質量;無觸點零電流投切技術增加了電容器使用壽命，減小對電網的沖擊。系統中諧波治理設備具有動態跟隨負荷的變化的特性，能有效提高電網的電能質量、功率因數和節約電能，同時提高整個用電系統運行的可靠性及設備運行效率，降低整體運行成本和設備維護費用，延長設備的使用壽命。無功動態自動化補償是目前治理電能質量問題綜合性能較好的一種方式。

圖3 調節器原理圖Fig.3 Schematic diagram of regulator

因此，中山中粵基板廠在軋機供電10kV母線側裝設了無功動態自動補償系統，該系統具有無功補償并兼有抑制諧波功能，系統采用了晶閘管做為投切開關，在線自動投切濾波器組技術，通過實時采集10kV母線的電壓、電流信號，經控制器運算輸出投切信號，實現在線動態低涌流投切。

系統由全數字控制柜、晶閘管閥組、主電抗器、純水冷卻系統、FC濾波回路組成。系統中晶閘管疊裝壓接式、純水冷卻、內取能、內阻尼、空氣絕緣，BOD保護。由并聯晶閘管多個串聯組成，其過電壓保護的BOD器件與其他電子器件一起構成晶閘管二次觸發回路，使晶閘管免受過電壓沖擊而損壞。晶閘管為電氣特性優良ABB產品，采用光電轉換方式，自動完成各高電位電子單元循檢，高壓光纜傳遞信號。純水機提供高純水作為TCR閥的冷卻介質。(水一水型及水一風型)

主電抗器為空心、干式、鋁線環氧固化型，線性度高，噪音小，動熱穩定性好，損耗小，絕緣強度高，散熱好。作為一個可控的感性負載，通過電子調節器和反并聯連接的可控硅閥的相位控制，改變補償電抗器的電流大小，從而達到動態無功補償的目的。

TCR閥的觸發監控系統采用脈沖編碼，光發送，光接收，微機實時監控TCR晶閘管運行狀況。TCR閥是高壓電力電子設備，為解決弱電觸發系統與強電高壓系統的電位隔離問題。采用了ABB及西門子公司的光電轉換技術，同時也解決了高壓晶管閥工作時的檢測問題，它能在低壓側直接運算顯示、報警、跳閘。

調節器是晶閘管開關的控制系統，采用西門子公司的全數字控制系統，通過測量、比較、放大、移相觸發環節，按一定的調節規律產生晶閘管開關所需要的觸發脈沖，控制其觸發角大小，調節補充電控器的電流，達到所要求的無功功率。矢量運算、邏輯判別、鎖頻、鎖相、線性化處理，有源濾波、數字觸發、運算快，響應時間5～10 ms，觸發精度≤1個電角度。

采用用DSP實現動態無功補償程序投切及繼電保護，用工控計算機實現動態無功補償自動化管理功能。

濾波電容器組為金屬全膜帶內熔絲電容器、外設外迷人絲、CT、ZNO、放電線圈、構架等。

4 系統特點及補償效果

無功補償及濾波系統具有動態響應時間快的特點，動態響應時間小于10ms，可實現平滑調節;運行可靠，保護措施齊全，維護量小控制靈活;調節方式多樣，可按無功電壓或無功功率投切，并可手動/自動轉換，分相投切，具有在線動態投切功能，可滿足較平穩負荷的無功補償及諧波濾波，可實時跟蹤并自動補償無功功率，每臺補償柜具有在線自動及手動投切功能，實現無沖擊、低涌流自動投切，延長設備使用壽命;由于采用自動投切，不產生過補和避免系統產生諧振。中山中粵基板投入無功補償及濾波系統可實現電能質量的根本優化。補償后功率因數大于0.92，誤差0～10%。

5 結束語

中山中粵基板廠2008年1月到8月每月功率因數過低被罰無功電能為9.07萬度，每度按0.7元計，每月計罰6.35萬元，9、10月新增無功補償裝置運行后，功率因數達到0.9以上，給用戶帶來明顯的經濟效益，因沒有因功率因數低而被罰，每月直接經濟效益為6.35萬元，一年效益為76.2萬元。因此，無功動態自動補償系統裝置的投入，對改善電網及用戶供電系統的電能質量，提高功率因數，穩定電網運行水平起到積極、重要的作用。

［1］ 靳龍章．電網無功補償實用技術［M］．北京:中國水利水電出版社，1998，25(3)．

［2］ 王兆安，楊君，劉進軍，等．諧波抑制和無功功率補償［M］．北京:機械工業出版社，2006，7．