工業(yè)電氣設(shè)計中電氣節(jié)能的應用
——冶金礦熱爐無功補償分析

姚冬平

（貴州正業(yè)工程技術(shù)投資有限公司，貴州 貴陽 550000）

我國是能源消耗的大國，經(jīng)濟發(fā)展離不開各種能源，對能源的消耗量和需求量都很大，節(jié)能在各行各業(yè)、公共設(shè)施、民生利用等方面被大眾廣泛認同。冶金行業(yè)屬于高能耗行業(yè)，其中礦熱爐的使用非常普遍，電爐的能耗占了總耗的60%以上，因此改善提高電爐的能耗效率十分重要，國家的產(chǎn)業(yè)政策和規(guī)定，鼓勵通過技術(shù)創(chuàng)新和科學改造，達到節(jié)能降耗和有效利用資源的要求。下面就冶金礦熱爐采用無功補償技術(shù)達到比較好的節(jié)能效果進行闡述。

1 概述

冶金礦熱爐是一種耗電量巨大的工業(yè)電爐，主要由爐殼，爐蓋、爐襯、短網(wǎng)，水冷系統(tǒng)，排煙系統(tǒng)，除塵系統(tǒng)，電極殼，電極壓放及升降系統(tǒng)，上下料系統(tǒng)，把持器，燒穿器，液壓系統(tǒng)，礦熱爐變壓器及各種電器設(shè)備等組成。根據(jù)電爐的結(jié)構(gòu)特點以及工作特點，電爐系統(tǒng)電抗約70%是由短網(wǎng)系統(tǒng)產(chǎn)生的，而短網(wǎng)是一種大電流工作的系統(tǒng)，最大電流可以達到幾萬安培，因此短網(wǎng)的性能決定了電爐的性能，繼而決定了冶煉電耗的高低。電爐在生產(chǎn)時特別是工藝技術(shù)出現(xiàn)強化冶煉后，電爐過負荷運行狀況比較多，這就造成了電爐功率因數(shù)偏低，一般都運行在0.65～0.81之間，較低的功率因數(shù)不僅使變壓器的效率下降，消耗大量的無用功，同時由于電極的控制以及堆料的工藝，極易導致三相間的電力不平衡加大，最高不平衡度可以達到15%以上，導致冶煉效率的低下，單位電耗增高，因此提高電爐短網(wǎng)的功率因數(shù)，降低三相不平衡度就成了降低能耗，提高冶煉效率的有效手段。

2 技術(shù)原理

礦熱爐電弧冶煉的現(xiàn)狀是：自然功率因數(shù)大都較低，一般不超過0.83，大部分在0.7左右。三相變壓器的大量使用，必然使短網(wǎng)布置長度不等，從而導致三相功率不平，無功功率嚴重占用變壓器有效荷載，制約了變壓器輸送有功的能力，電弧電流產(chǎn)生的無功在爐變和短網(wǎng)上流轉(zhuǎn)，大量增加無功損耗。礦熱爐短網(wǎng)低壓動態(tài)無功補償裝置采用短網(wǎng)無功動態(tài)就地補償技術(shù)，在短網(wǎng)末端進行動態(tài)、三相分布不等量、就地無功補償，可有效解決以上問題。無論在提高功率因數(shù)、吸收諧波，還是在增產(chǎn)降耗上，都有著高壓端補償無法比擬的優(yōu)勢。

爐前低壓無功補償是降低礦熱爐的感抗、提高功率因數(shù)、降低冶煉電耗、提高經(jīng)濟效益的有效方法。因為導體內(nèi)無功電壓分量是電流與感抗的乘積，感抗稍有變化，無功電壓分量及電爐功率因數(shù)將產(chǎn)生較大變化。短網(wǎng)的大電流特征決定了電弧電流產(chǎn)生的大量無功主要以無功電流的形式體現(xiàn)在短網(wǎng)、變壓器及供電網(wǎng)路上，從而造成這些電路中大量無功損耗。在短網(wǎng)末端進行補償，無功電流將直接經(jīng)低壓電容器和電弧形成的回路流過，不再經(jīng)過補償點前的短網(wǎng)、變壓器及供電網(wǎng)路，在提高功率因數(shù)的同時，提高變壓器的有功輸出率，降低變壓器、短網(wǎng)的無功消耗。

3 設(shè)計技術(shù)方案

3.1 設(shè)計原則

自動控制綜合補償是利用現(xiàn)代控制技術(shù)與短網(wǎng)技術(shù)將大容量、大電流的超低壓電力電容器組接入礦熱爐二次側(cè)。在設(shè)計中主回路、控制回路、檢測回路和短網(wǎng)結(jié)構(gòu)遵循分相、就地不等量補償?shù)脑瓌t，設(shè)計中遵循重點調(diào)平三相有功功率，輔助提高三相和每一相功率因數(shù)在0.93左右運行的設(shè)計思路，使礦熱爐的功率中心、熱力中心和爐膛中心相重合，使坩堝擴大、熱量集中，反應加快、達到降耗和增產(chǎn)的目的。

3.2 補償投入點的選擇

無功補償降低的是接入點前的線路無功損耗，根據(jù)這一原理，針對礦熱爐低壓側(cè)短網(wǎng)進行補償，使補償點上連接的無功補償裝置既能盡可能多的補償系統(tǒng)無功，同時要兼顧短網(wǎng)的合理接入，減少冶煉環(huán)境及操作維護等不利因素帶來的影響。因此二次補償連接點選在短網(wǎng)與軟銅纜的連接點上，濾波補償系統(tǒng)由濾波電容器、濾波電抗器、投切開關(guān)、熔斷器、微機保護單元、主監(jiān)測控制系統(tǒng)等組成。

3.3 無功補償方案的比較

針對冶金礦熱爐企業(yè)用電功率因數(shù)過低，采取的較經(jīng)濟的無功補償方式主要有兩種：高壓側(cè)無功補償和低壓側(cè)無功補償（主要指短網(wǎng)側(cè)），下面對兩種補償方式分別說明。

1）高壓側(cè)無功補償：由于高壓無功補償?shù)碾娙萜鹘M加裝在高壓側(cè)，它只作用于接入點之前的線路，滿足供電系統(tǒng)對該負荷線路功率因數(shù)方面的要求，但不能對從電爐變壓器到電極全部二次側(cè)低電壓大電流回路的無功功率進行補償。由于短網(wǎng)的感抗占整個系統(tǒng)感抗的70%以上，因此高壓端補償并沒有達到降低短網(wǎng)系統(tǒng)感抗，提高短網(wǎng)功率因數(shù)，增加變壓器出力的目的。強大的電流在變壓器低壓側(cè)及短網(wǎng)上形成較大損耗，使變壓器和短網(wǎng)發(fā)熱，造成能源損失，同時，高壓端補償不能解決三相不平衡的問題，不能滿足電爐在生產(chǎn)時負荷變化的動態(tài)補償，無法做到提高企業(yè)產(chǎn)品產(chǎn)量和降低電耗、礦耗的目的。高壓端補償后盡管電網(wǎng)功率因數(shù)提高（可達0.9以上），但電爐低壓側(cè)功率因數(shù)并無改善，給企業(yè)帶來的實際收益很小。

2）低壓側(cè)（短網(wǎng)處）無功補償：由于礦熱爐企業(yè)冶煉電耗所占比重非常大，因此低壓側(cè)無功補償一般針對短網(wǎng)的低壓無功補償。電爐短網(wǎng)采用低壓側(cè)就地無功補償，其電容器組加裝在低壓側(cè)（接入點越靠近電極，補償效果越好），它作用于接入點之前的線路，兼顧了一次高壓側(cè)和二次低壓側(cè)功率因數(shù)的補償問題，可以實現(xiàn)動態(tài)補償，解決了變壓器和短網(wǎng)發(fā)熱問題，能夠大幅提高短網(wǎng)端的功率因數(shù)，降低電耗，增加產(chǎn)量。低壓側(cè)無功補償從技術(shù)上來講是可靠、成熟的，從經(jīng)濟上來講，投入和產(chǎn)出是成正比的，給企業(yè)帶來的實際收益遠大于高壓端補償方式。

3）高、低壓側(cè)無功補償方式對比表

注：√表示具有此效果，×表示不具有此效果

4 結(jié)語

節(jié)能是現(xiàn)代社會整體發(fā)展的大形勢，加強節(jié)能控制可以增加企業(yè)的核心競爭力，為企業(yè)帶來經(jīng)濟效益，從而推動整個社會的經(jīng)濟發(fā)展。企業(yè)通過技術(shù)創(chuàng)新和科學改造，可以達到節(jié)能降耗和有效利用資源的要求，采用技術(shù)先進、適用性強、成熟穩(wěn)定的設(shè)備，降低企業(yè)建設(shè)和生產(chǎn)運行成本，提高現(xiàn)代化操作管理水平和生產(chǎn)效率，使企業(yè)取得較好的經(jīng)濟效益。工業(yè)電氣設(shè)計在節(jié)能降耗上有很大的潛力，工業(yè)企業(yè)及時做好電氣節(jié)能工作，可以保證企業(yè)長久穩(wěn)定的發(fā)展。在企業(yè)建設(shè)或技改中電氣設(shè)計應充分考慮，合理設(shè)計，從經(jīng)濟性、可靠性、安全性等多個方面反復論證，選擇最節(jié)能并且最高效的方案，從而切實有效地幫助企業(yè)達到節(jié)能的目的。