電阻加熱爐電能質量治理

李 飛，安文剛

（西部超導材料科技股份有限公司設備動力部，陜西西安 710018）

0 引言

西部超導材料科技股份有限公司成立于2003 年，公司主要從事高端鈦合金材料、高性能高溫合金材料、超導材料的研發、生產和銷售，是我國航空用鈦合金棒絲材的主要研發生產基地，是目前國內唯一實現超導線材商業化生產的企業，也是國際上唯一的鈮鈦鑄錠、棒材、超導線材生產及超導磁體制造全流程企業。主型生產設備有：真空自耗電弧爐、液壓快鍛機組、電阻加熱爐、精鍛機、拉絲機等。

1 電阻加熱爐對供電系統的影響

電阻加熱爐在工業領域被廣泛使用，它功率大、持續工作時間長、使用頻次高，屬于高耗能設備。且大多通過可控硅實現電氣調功控制，因此會產生較大的非線性負載，導致系統諧波電流偏高等電力危害，也產生了一系列不安全因素，嚴重影響電能質量。

近年來，公司多個生產線升級治理、擴容，新項目建設快速推進，用電負荷隨之大幅增加。尤其是電加熱設備（以電阻加熱爐為主）耗電量占公司總用電量的40%，此類設備在運行中所產生的大量諧波、電壓畸變等不安全因素嚴重降低了電能質量，甚至遠低于國家電能質量標準。整個供電系統的最初設計配置已滿足不了用電需求，如：系統無功補償容量嚴重不足，功率因數低，諧波污染嚴重，供電質量明顯下降，設備故障率高，嚴重影響供電系統安全運行的同時，也造成電能的浪費，亟待治理。

我國能源形勢趨向緊張，能源短缺給長期能源消耗大的機械加工制造業帶來巨大的沖擊。節能降耗形勢嚴峻，制造型企業走節能降耗之路是大勢所趨，也是企業降本增效的一項基本措施。

2 電能質量及國際標準概述

2.1 電能質量

電力系統中，發、輸、變、配和用同時完成，各環節連接在一個系統。由于某種因素導致電力設備故障或誤操作的電壓、電流或頻率的靜態偏差和動態擾動都統稱為電能質量問題。電能質量主要技術指標有：供電電壓允許偏差、電網諧波、三相電壓允許不平衡度、電壓波動和閃變、暫時過電壓和瞬態過電壓和電力系統頻率允許偏差。

2.2 電能質量國家標準中諧波電流和諧波電壓限值（表1、表2）

表1 注入公共連接點的諧波電流允許值（GB/T 14549—1993）

3 電阻加熱爐供電系統電能質量檢測分析

3.1 量測說明

測量地點：4500 t 鍛造一車間電阻加熱爐供電系統。

系統主要負載設備：鍛造車間6 臺電阻加熱爐、鍛造機輔助電源、水泵、天車等。

表2 公用電網諧波電壓限值（GB/T 14549—1993）

無功補償方式：純電容補償，且補償量不足。

電力系統及量測位置如圖1 所示。

3.2 治理前量測數據

3.2.1 量測期間基波電流趨勢（圖2）

3.2.2 量測期間總諧波電流趨勢（圖3）

3.2.3 量測期間5 次諧波電流趨勢（圖4）

圖1 電力系統及量測位置

圖2 量測期間基波電流趨勢

圖3 量測期間總諧波電流趨勢

3.2.4 量測期間總諧波電壓畸變率趨勢（圖5）

3.2.5 量測期間功率因數趨勢（圖6）

3.2.6 系統諧波電壓畸變率頻譜（圖7）

3.2.7 系統諧波電流頻譜圖（圖8）

3.3 量測數據分析

為了真實、有效檢測系統電能質量和科學分析現有純電容補償設備的運行效果，采取原有補償電容器切離和投入兩種方式。分析結果如下：

（1）在電容器切離狀態下檢測（系統運行原始數據）。基波電流在2200 A 左右（圖2 量測期間基波電流趨勢圖所示）。總諧波電流在350 A 左右（如圖3 量測期間總諧波電流趨勢圖所示），5 次諧波電流在254 A 左右（如圖4 量測期間5 次諧波電流趨勢圖所示）。總電壓畸變率在6 %左右（如圖5 量測期間總諧波電壓畸變率趨勢圖所示），5 次電壓畸變率3.2%左右（如圖7 系統諧波電壓畸變率頻譜圖所示）。功率因數0.85 左右（如圖6 量測期間功率因數趨勢所示）。

圖4 量測期間5 次諧波電流趨勢

圖5 量測期間總諧波電壓畸變率趨勢

（2）采用傳統的純電容補償（或電容器串電抗補償）方式雖然能提高功率因數，但電容器投入時，由于系統諧波引起諧振，反而嚴重放大了系統諧波含量，增大了諧波電流和電壓畸變率。如圖7 系統諧波電壓畸變率頻譜圖和圖8 系統諧波電流頻譜圖所示。

（3）根據系統運行工況，綜合分析檢測數據，系統電壓畸變率和諧波電流含量遠大于國標GB/T 14549—1993 規定的限值（電能質量國家標準體系中諧波電流和諧波電壓限值分別見表1 注入公共連接點的諧波電流允許值和表2 公用電網諧波電壓限值）。系統電能質量差，亟待解決。

（4）系統運行現狀：因諧波影響，變壓器、電容器、接觸器、線纜等電氣設備元件運行溫度高、故障頻發、維護維修成本高，降低了變壓器、電容器等設備的利用率和使用壽命。而且，系統存在的大量諧波電流造成電能的嚴重浪費。

4 解決方案

綜上所述，經過數據分析和系統實際工況，對此加熱爐供電系統存在的電能質量問題，采取無源濾波（NCSF）+無功補償綜合治理方案，達到以下目標：

（1）功率因數由0.85 提高至0.95。

（2）總諧波電流＜150 A，3 次、5 次諧波電流含量符合標準。

（3）電壓總畸變率≤5%。

圖6 量測期間功率因數趨勢

圖7 系統諧波電壓畸變率頻譜

根據上述檢測數據，經計算，擬采取無源濾波裝置231 kvar（諧波電流按340 A 計算），無功補償容量416 kvar，總輸出容量647 kvar（無功功率需求約700 kvar）。

5 總結分析

重新設計的電能質量治理設備投運后，經運行檢測，系統各項電能指標較治理之前有明顯改善，完全符合國標規定。

5.1 治理后系統監測數據

5.1.1 治理后基波電流趨勢（圖9）

5.1.2 治理后總諧波電流趨勢（圖10）

5.1.3 治理后5 次諧波電流趨勢圖（圖11）

5.1.4 治理后總諧波電壓畸變率趨勢（圖12）

5.1.5 治理后功率因數趨勢圖（圖13）

5.1.6 治理后系統諧波電壓畸變率、諧波電流頻譜（圖14）

5.2 治理前后數據比對分析

治理后，再次量測系統各項電能指標。量測期間系統基波電流在2000 A 左右，如圖9 治理后系統基波電流趨勢圖所示，與治理前量測期間系統運行工況接近。但在相同工況下，系統諧波電流、電壓畸變率明顯改善，如圖14 治理后系統諧波電壓畸變率、諧波電流頻譜圖所示。

治理后系統總諧波電流如圖10 所示；5 次諧波電流含量大幅降低，如圖11 治理后5 次諧波電流趨勢圖所示；治理后總諧波電壓畸變率如圖12 所示。治理前后，電能質量各項指標對比見表3。

備注：治理前數據以系統原始運行數據為準（純電容補償切離）。

圖8 系統諧波電流頻譜

圖9 治理后系統基波電流趨勢

圖10 治理后總諧波電流趨勢

經以上量測結果證實，經過治理，電阻加熱爐供電系統各項電能指標明顯改善，優于國標規定，電能質量顯著提高，達到了安全、可靠、經濟運行的目標。并且產生了客觀的經濟效益和示范效益。

5.3 直接經濟效益

（1）項目實施后，有效降低系統畸變損耗（如：變壓器銅損、線路損耗、電機等用電設備損耗）、無功功率需求降低、諧波電流大幅降低的同時系統有效電流減小，節約電能。

圖11 治理后5 次諧波電流趨勢

圖12 治理后總諧波電壓畸變率趨勢

（2）電氣設備元件故障率降低，提高供電可靠性。減少了備品備件消耗和設備維修維護成本。提高了設備的使用壽命，

（3）設備利用率大幅提高。尤其是變壓器有效輸出容量較諧波治理前明顯增加。

圖13 治理后功率因數趨勢

表3 治理前后數據比對

經測算和評審，系統畸變損耗節能效益、電流有效值減少的節能效益、維修和維護成本降低的經濟效益、設備損耗降低的經濟效益等綜合節能率在8%左右。此加熱爐供電系統年用電量約1300 萬kW·h，經過治理，年可節約電量104 萬kW·h，節約電費約70 萬元，節約128 t 標準煤。

圖14 治理后系統諧波電壓畸變率、諧波電流頻譜

5.4 示范效益

項目完成后，保障了企業內部電網安全，減輕電能供應壓力，節省企業電力消耗，提高設備運行效率，降低直接生產成本，綜合提升供電系統安全、效率和效益。同時，進一步明確和掌握了電阻加熱爐的供用電特性，為企業后續的項目建設提供技術支持。此種方案在其他的電阻加熱爐供電系統也可得到更好的應用。