礦熱爐大容量低壓無功補償系統分析

欒春沂

（大連華銳重工集團股份有限公司，遼寧 大連 116000）

礦熱爐大容量低壓無功補償系統分析

欒春沂

（大連華銳重工集團股份有限公司，遼寧 大連 116000）

我國礦熱爐數量眾多，分布廣泛，是高能耗用電的主要產品，目前其主要向高功率、大型化方向發展，而短網的性能直接決定了礦熱爐的性能，對短網側進行低壓無功補償對設備的功率因數提高有著重要的影響，已成為降低能耗，提高冶煉效率的有效手段。本文闡述了一種基于PLC控制的礦熱爐大容量低壓無功補償系統，對其系統構成進行了說明，并分析了各組成部件的功能及特點。

礦熱爐；無功補償；節能增效

礦熱爐是冶金行業中重要的設備，主要用于生產各類鐵合金、電石等原料，作為高能耗電的大型冶煉設備，其能耗控制一直是各個企業面臨的難題，隨著電價成本的提高，用電成本所占的比重也越來越大，同時還必須滿足電力部門對高能耗設備的功率因數標準，避免不達標造成處罰。因此，大容量無功補償系統是礦熱爐企業必須選擇的產品，而早期大多企業采用高壓側集中無功補償系統，雖能達到電力部門要求的不處罰標準，但缺點比較明顯，因高壓補償多采用固定容量投切，容易造成過補或欠補的情況發生，且高壓設備的投資大，維護成本高，補償效果不理想。如果同時在短網側進行低壓無功補償，因低壓動態補償系統的響應速度快，精度高，更適合負荷變化較大的工況，這樣不僅可以提高高壓側的功率因數，還可以對變壓器與電極間的短網無功損耗進行動態的補償，從而更有效的提高變壓器的有功輸出，達到了節能增效的目的，給企業帶來更好的經濟效益。

1 低壓短網無功補償系統

1.1 系統構成

礦熱爐大容量無功補償系統采用PLC進行投切控制，系統主要由控制單元、采樣通訊單元、保護監控單元、投切單元、補償單元等組成（圖1）。

1.2 主要組成部件及功能

（1）控制單元。主要由西門子S7-300 PLC系統構成，具有Profibus-DP及以太網通訊方式，其主要功能是將采集到的取樣信息、保護裝置信息、投切單元的狀態信息進行處理后，通過通信網絡完成與自動化工作站的實時數據交換，實現計算機自動跟蹤、自動控制。具有運行參數記錄和故障代碼儲存功能，并且可以自動生成報表，為后續運行維護提供便利。安裝為電石爐補償定制開發的控制程序，其根據所設置的目標功率因數值，依據實時電流、電壓參數，控制投切單元動作，具有手動、自動投切轉換功能，并可通過人機界面實時顯示系統各個電量值及歷史數據等，可方便的設置額定參數及保護特性參數的閾值，如變比、目標功率因數、投切模式、投切順序、超溫報警值等。

（2）采樣通訊單元。基于西門子PAC4200多功能檢測裝置，將引自66kV變電站的電壓信號與電爐變壓器一次側的電流信號進行處理，同時采集電爐變壓器二次側的功率因數值，并將信號反饋至控制單元，使其能夠精確地對電爐短網側進行補償控制。

圖1 補償系統構成示意

（3）保護監控單元。采用專用投切及電容保護單元，具有自診斷故障保護、電源電壓缺相保護、停電保護、過電壓保護等功能，可存儲運行事件記錄和故障事件記錄，對故障事件發出聲音報警并提示故障原因，并通過總線系統將故障信息反饋至控制單元。

（4）投切單元。由專用的真空復合開關組構成，補償單元的切除和投入由其內部的可控硅開關進行操作，而接觸器負責電容器投入后的保持接通，兩者配合工作，當接觸器投入后，可控硅開關即退出。該投切模塊動作速度快，響應速度小于20ms，能夠實時跟隨控制單元的命令執行補償單元的投入及退出。投切單元觸發模塊具有光電隔離，充分實現一、二次系統的電氣隔離，實現投切時無涌流和無操作過電壓，具有熄孤能力強，操作頻率較高，壽命長，且可避免大功率晶閘管長期運行時的過熱問題，顯著延長了設備使用壽命，完全適用于電石爐這種高溫、高導電粉塵的惡劣環境。

（5）補償單元。由大容量濾波電抗器和補償電容組成。采用濾波電抗器，可有效消除5次以上諧波對系統的影響，同時在一定程度上抑制沖擊涌流，保護電容器組安全運行。

電容器采用進口金屬化膜材料的補償及濾波專用耐高溫電容膜，適應電石現場惡劣環境，能夠在標稱電壓1.2倍，電流1.3倍下長期使用，并且能在+55℃的環境下長期正常運行，具有過壓保護功能。過壓產生時，電容器內部局部擊穿的情況下，具備自愈恢復功能，并自動釋放瞬間過電壓能量。 具有溫度和過電流保護功能，當溫度或電流超出允許值時，其內部的壓力保險裝置可切斷電源，充分保證運行的安全性。

（6）成套設備。根據礦熱爐現場環境，成套設備采用了高防護等級組合式隔磁開關柜結構，采用不銹鋼、SMC板、金屬板混合隔磁設計，可有效避免電流磁場引起的渦流發熱損耗。同時采用發泡密封技術和安裝大功率、高防護等級的軸流風機裝置，確保其內部的設備能夠處于良好的運行工況。

1.3 系統特點

礦熱爐大容量無功補償系統采用PLC進行投切控制，穩定性高，擴展性強。整套系統自動化程度高，操作可靠簡單，保護功能完善，根據負荷運行情況，可以實時對系統無功量進行補償，而當外部電網停電或故障時，立即退出系統，恢復后，自動投入系統。具有缺相、過流、過壓、超溫、速斷等保護，同時補償單元由多個小容量單路電容和電抗組成，能夠使補償精度更高，且補償過程中不會產生涌流和諧波（圖2）。

系統具有手動和自動兩種控制方式。自動方式：根據設定目標功率因數，由控制單元對投切單元進行智能化控制。

手動方式：可完全脫離控制單元，由操作人員通過手動開關投入或退出不同的電容器組，也可在自動化后臺系統中遠方手動投切電容器組，方便調試及在特殊工況下運行的需要。

圖2 系統流程圖

2 結語

礦熱爐的無功補償最有效的方法是在對高壓側進行適量無功補償的同時，在低壓短網側進行補償，能夠有效的提高短網側功率因數，降低能耗可達5%～20%，提高產量5%～10%以上。而基于PLC進行投切控制控制的大容量低壓動態無功補償系統在提高功率因數的基礎上，還具有較強的擴展性，可實時與礦熱爐主控制系統進行通信，交換數據狀態，對于進一步完善礦熱爐工藝控制環節有著積極的作用，該系統對未來礦熱爐控制系統的智能化發展，將有著重要作用。

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