国网技术学院学报 第１７卷第５期 Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｓｔａｔｅ Ｇｒｉｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｃｏｌｌｅｇｅ １５ 矿热炉短网电气系统的分析及其 无功补偿系统方案设计 Ａｎａｌｙｓｉｓ Ｏｉｌ Ｓｈｏｒｔ——ｎｅｔ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｓｙｓｔｅｍ ｏｆ Ｓｕｂｍｅｒｇｅｄ Ａｒｃ Ｆｕｒｎａｃｅ ａｎｄ Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ Ｒｅａｃｔｉｖｅ Ｐｏｗｅｒ Ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ Ｓｙｓｔｅｍ Ｓｃｈｅｍｅ 苏 刚 苏 强 １．华电潍坊发电有限公司 山东 潍坊 ２６１ ２００： ２．山东海源泰和电气有限公司 山东 济南 ２５Ｏ０１ ０ 【摘要】矿热炉又称电弧电炉或电阻电炉，是一种耗电量巨大的工业电炉。对矿热炉电气系统 进行无功补偿．是一种有效的减少电能损耗、提高系统效率的节能改造措施。本文系统介绍和 分析了矿热炉电气系统的特点及其无功补偿方式的优缺点。指出了对矿热炉短网电气系统进 行低压侧分相无功补偿是合理的选择，并由此设计了适合矿热炉短网电气系统节能增效改造 的低压侧无功补偿方案。该方案已成功应用于数个大型金属冶炼加工企业，成套装置运行稳 定可靠，取得了良好的效益。 【关键词】矿热炉 无功补偿 节能改造 【中图分类号】ＴＭ６３ 【文献标识码】Ｂ 【文章编号】３７—１４９６２０１４—５０４ ０ 引言 压等级发展，对矿热炉电气系统进行无功补偿，是 矿热炉又称电弧电炉或电阻电炉。是一种耗电 一种有效的减少电能损耗、提高系统效率的节能改 量巨大的工业电炉。它主要用于还原冶炼矿石、碳 造措施。 质还原剂及溶剂等原料，从而生产硅铁、锰铁、铬 铁、钨铁、硅锰合金等铁合金，是冶金工业中重要的 １ 矿热炉电气系统的特点 基础设备。其工作特点是采用碳质或镁质耐火材料 常见的矿热炉电气系统一般为１０ｋＶ、３５ｋＶ和 作炉衬，使用自培电极插入炉料进行埋弧操作，利 １ １０ｋＶ系统，采用双绕组矿热炉冶炼专用变压器， 用电弧的能量（电流通过炉料，因炉料的电阻而产 功率一般为１２．５ＭＶＡ、１６．５ＭＶＡ或更大，变压器负 生能量）来熔炼金属矿石原料。 荷率最大可为１３０％，低压侧一般为０．１ｋＶ至 近年来。随着国家对环保和节能减排的监控要 ０．３ｋＶ（恒电流）或者０．４ｋＶ至０．５５ｋＶ（恒功率），运 求越来越高，对于金属冶炼加工这种高能耗产 行电流一般为数千安培至数万安培，自然功率因数 业的考核逐步加强。对矿热炉冶炼系统的节能改造 ０．７至０．８５。矿热炉冶炼电气系统属于非线性负载、 势在必行。目前投运的矿热炉逐步向高功率、高电 二次侧电压低、大电流系统，存在功率因数低、无功 收稿日期：２０１４—０７—１６ 功率需求量大、负载功率波动大、三相电压不平衡 作者简介：苏刚（１９７２一）男，工程师。主要从事发电厂节能 和严重的谐波污染。矿热炉变压器到熔池电极的连 工作。 接距离一般在几米到十几米之间，并且导体采用了 国网技术学院学报 第１７卷第５期 Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｓｔａｔｅ Ｇｒｉｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｃｏｌｌｅｇｅ １７ 谐波》中１０ｋＶ母线电压总谐波畸变率不超过４％ 的标准要求。 根据实际的测量结果可知：矿热炉的非线性负 载在熔炼过程中产生的大量谐波。可以通过矿热炉 变压器传送到高压侧的电力系统中去。谐波的主要 成分为３、５、７次谐波。在无功补偿或滤波装置中， 电容器组必须配置相应的电抗器来抑制或者滤除 谐波。 ３）短网的电压降落和损耗 矿热炉短网，根据容量大小单相距离可以在几 米到十几米之间，并且导体采用了较粗的铜排或 （注水散热）铜管。从数值上看，导体的电阻和电抗 都比较小，但是在矿热炉短网运行方式中，导体中 流过的电流非常大，工作情况下，电流往往超过数 万安培（如此大的电流也流过变压器二次绕组），而 电压却很低，所以，矿热炉短网中的电压降落和损 耗也不容小觑，因为此种电压降落会加重三相不平 衡和降低系统工作效率，所以对短网本身的无功补 偿非常重要，实践中也证明非常有效。 根据公式：线路损耗△ ．总功率 、／了 ， 得到：线损Ａｐ＝（— ） 、／ 又因为有功负荷Ｐｏ＝Ｓｃｏｓ￣，从而Ｊｓ＝ 。 ＣＯＳ（ｐ 可认为无功功率补偿前后有功功率不变，则得 出Ａｐ＝ ３ ｃｏｓ 从而可知，线损与功率因数的平方成反比。 无功补偿后降低线损的比率为： ！ １００％， 当安装无功补偿设备把功率因数从０．８提高 到０．９５时，线路损耗降低２９％； 当安装无功补偿设备把功率因数从０．８５提高 到０．９５时，线路损耗降低２０％。 线路上电压损耗的计算公式为：ＡＵ＝ＰＲ＋ ＱＸ， ￡／ 无功补偿后，负荷所需的无功功率由补偿装置 就地提供而不是由变压器远距离输送，其决定△ 的Ｑ值显著降低。故线路电压损耗△ 显著降低。 尤其是在重负荷时，也可有效提高线路末端电压。 ４）运行条件 矿热炉自身的运行条件对低压侧无功补偿系 统有重大影响。主要表现为： （１）矿热炉短网中流过的电流往往超过数万安 培，大电流产生强磁场，对控制系统（采样、信号传 输）有强烈干扰： （２）电流变化范围大，谐波严重且电磁干扰强 烈，对二次侧电流采样困难； （３）工作条件恶劣，补偿装置靠近炉体，温度高 环境脏，电容器、电抗器、控制器、接触器（或晶闸 管）长期稳定工作面临严峻考验。 ２矿热炉高／低压侧无功补偿的利弊 如下图５所示．矿热炉电气系统的无功补偿方 式可以分为高压侧母线无功补偿和低压侧母线无 功补偿。 高压补偿 低压分相补偿 Ａ．矿热炉Ａ相电极熔炼部分；Ｂ．矿热炉Ｂ相电极熔炼部：分； Ｃ．矿热炉Ｃ相电极熔炼部分 图５矿热炉电气系统图 矿热炉高压侧无功补偿，就是在矿热炉变压器 一次侧高压母线上安装并联电容器组装置。这种方 式的优点在于结构简单、运行可靠、故障率低，可以 基本满足供电系统对企业的功率因数要求，也可以 阻止过量谐波进入电网。但是高压侧无功补偿装置 对矿热炉熔炼系统本身的节能降耗无任何作用，也 不能提高矿热炉变压器的有功出力。目前矿热炉越 来越向高电压等级发展．更多的矿热炉变压器一次侧 为３５ｋＶ或１ １０ｋＶ，其高压无功补偿装置的安装、分 ｌ８ 矿热炉短网电气系统的分析及其无功补偿系统方案设计 Ｖｏ１．１７ Ｎｏ．５ 组和使用就更困难了，而且也不能频繁投切，运行方 式不灵活。在矿热炉熔炼过程中矿石形态急剧变化导 致电极间阻抗变化范围大时间短，此时使用高压侧无 功补偿方式就很容易产生过补偿或者欠补偿。 低压侧无功补偿装置可以有三相共补和分相 补偿两种方式。对矿热炉的低压侧无功补偿装置应 首选分相补偿方式。这是因为在矿热炉熔炼过程 中．矿石熔融态变化复杂。操作员亦需要频繁的改 变调节工况．这都导致三相各个电极阻抗的不规则 变化．各个电极在某些熔炼时间点上所消耗的无功 功率区别很大，在整个熔炼过程中各个电极所消耗 的无功功率变化范围大且变化速度快。矿热炉低压 侧无功补偿就是将电容器组补偿装置直接并联在 矿热炉短网或低压侧母排．就地补偿了矿热炉短网 的无功损耗．减小了线路电流，提高了末端电压，同 时也减少了无功流经上级变压器所产生的损耗，提 高了变压器的有功出力，提升熔炼系统效率．减少 了熔炼时间。由于采用了低涌流真空开关或晶闸管 投切。低压侧无功补偿装置可以快速跟踪熔炼负载 变化，运行灵活性高。其主要的缺点为：补偿容量 大，组数多，元器件也多且频繁动作，设备故障率略 高，维护工作量大；在采样、通讯和控制调节上受矿 热炉运行环境条件的影响也有些困难。总体上，低 压侧无功补偿利大于弊，经济效益显著Ｅ。 。 ３矿热炉低压侧无功补偿的系统设计 矿热炉低压侧无功补偿系统分为一次系统和 二次控制系统两个部分。 一次系统主回路由低压自愈式电容器、低涌流 真空开关，快速熔断器、１２％滤波电抗器组成。由于 矿热炉电气系统总容量较大，所以成套设备体积 大、柜体多、元器件多。以某冶金企业１６．５ＭＶＡ（单 相容量５．５ＭＶＡ）矿热炉系统为例，低压侧无功补 偿装置的总补偿容量为１０．０８ＭＶＡ，每相由３台电 容器柜组成，每台电容器柜１．１２ＭＶＡ，三相共９台 电容器柜体。根据现场需要，成套装置分别布置在 Ａ相、Ｂ相、Ｃ相电容器室（放置电容器柜），总控制 柜室（放置主控制柜）和集控室（放置工控机系统）， 如图６所示 ＦＲ ＫＭ Ｌ Ｃ Ａ桐电炉电极 Ｃｌ Ｃ２ Ｃｎ Ｃ电容器；Ｌ电抗器；ＫＭ真 开＿天；ＦＲ熔断器 图６矿热炉低压侧无功分相补偿系统图（以Ａ相为例） 矿热炉无功补偿控制系统通过采集高、低压侧 三相电压、电流，计算有功、无功、功率因数，综合考虑 电压波动和无功缺额，运用三相不平衡调整策略，合 理控制电容器组投切，以满足矿热炉短网无功功率供 需平衡，达到改善供电电压质量，提高功率因数，提升 系统效率。降低系统损耗的目的。控制参数可以选用 高压侧电压电流，也可选用低压侧电压电流。 主控单元的主控制器按照电压无功综合判据 执行电容器投切。为防止电压无功分离控制可能造 成的频繁调节变压器有载分接头和频繁投切电容 器，防止电压调节与电容投切的冲突，控制器采用 电压无功综合自动控制方案。电压无功综合控制方 案采用二维模糊控制准则。控制的基本原则是“保 证电压合格，实现无功平衡，减少调节次数”。 矿热炉无功补偿控制系统由监控主站、主控单 元和执行单元３部分组成： 监控主站： 监控主站负责设置主控单元的各种参数，实时 观测设备状态、电气测量参数、异常告警信号等；用 户可根据不同的权限方便的进行远方控制操作：可 实时查询历史数据和报表统计，为管理工作提供了 有效的基础数据。 监控主站提供自动、手动、停止３种Ｔ作方式。 主控单元： 主控单元为电压无功优化补偿控制器，可采集 三相高／低压侧电压、电流，计算有功，无功，功率因 数。运用三相不平衡调整策略并结合电压无功综合 判据，控制各相的过零分合闸控制器对电容器进行 国网技术学院学报 第１７卷第５期 Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｓｔａｔｅ Ｇｒｉｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｃｏｌｌｅｇｅ 投切，以达到补偿无功的目的。 ４结语 具有高压过／欠电压保护，低压过／欠电压保护， 矿热炉熔炼系统在我国应用广泛。随着国家对 有功过低保护，不平衡电流保护，功率因数过高保 环保和节能减排要求的不断提高，企业对现有矿热 护，循环水报警保护功能。 炉系统的节能改造和新建矿热炉系统的配套补偿 执行单元： 装置的需求日益增多。理论分析和实践都证明了’对 执行单元为过零分合闸控制器，通过它实现过零 矿热炉熔炼系统进行低压侧无功补偿是一种节能 投切电容器以抑制涌流。每个过零分合闸控制器最多 增效的有效方式。 可投切１９组电容器。控制器有“远方”和“就地”两种 工作状态，处于“远方”控制状态时可通过通信接受远 本文系统介绍和分析了矿热炉电气系统的特 方主控单元控制；处于“就地”控制状态时不能接受主 点及其无功补偿方式的优缺点，并由此设计了适合 控单元的控制，只能通过面板进行手动操作。 矿热炉电气系统节能改造的低压侧无功补偿方 主站、主控单元和执行单元之间通过光纤传送 该方案已成功应用于数个大型金属冶炼加工企业， 控制信息。 成套装置运行稳定可靠．取得了良好的效益。 控制系统组成原理框图如图７所示： 参考文献 ［１］王兆安等．谐波抑制和无功功率补偿［Ｍ］．北京：机械工 业出版社．１９９８． ［２］李沛，唐春夏等．中小型三相交流硅锰炉电气特性不平 衡分析［Ｊ］．有色冶金设计与研究，２０１１，３２（４—５）：５５—５７． ［３］王贺萍，史志鸿，等．１１０ｋＶ矿热炉供电系统高低压无功 补偿分析［Ｊ］．电力系统保护与控制，２０１ｌ，（３９）：８４—８８． ［４］陈巍，李实等．矿热炉无功低压补偿及谐波治理技术发 展和应用［Ｊ］．冶金能源，２００６，２５（１）：４５－４７． 图７矿热炉无功补偿控制系统框图 Ｓｕ Ｇａｎｇ１，Ｓｕ Ｑｉａｎｇ２ １．Ｈｕａ Ｄｉａｎ Ｗｅｉ Ｆａｎｇ Ｐｏｗｅｒ Ｐｌａｎｔ Ｃｏ．，Ｌｔｄ，Ｗｅｉｆａｎｇ，２６１２００，Ｃｈｉｎａ ２．Ｓｈａｎ Ｄｏｎｇ Ｔｅｃｓｕｎｒｉｓｅ Ｅｌｅｃｔｉｒｃ Ｃｏ．，Ｌｔｄ，Ｊｉｎａｎ，２５００ １ ０，Ｃｈｉｎａ Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｓｕｂｍｅｒｇｅｄ ａｒｃ ｆｕｒｎａｃｅ ｉｓ ａｌｓｏ ｋｎｏｗｎ ａｓ ｅｌｅｃｔｒｉｃ—ａｒｃ ｆｕｒｎａｃｅ ｏｒ ｅｌｅｃｔｒｉｃ－ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ ｆｕｒｎａｃｅ， ｗｈｉｃｈ ｉｓ ａ ｋｉｎｄ ｏｆ ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ ｆｕｒｎａｃｅ ｗｉｔｈ ｈｕｇｅ ｐｏｗｅｒ ｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎ．Ｔｈｅ ｒｅａｃｔｉｖｅ ｐｏｗｅｒ ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ ｔｏ ｔｈｅ ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｓｙｓｔｅｍ ｏｆ ｓｕｂｍｅｒｇｅｄ ａｒｃ ｆｕｒｎａｃｅ ｉｓ ａｎ ｅｆｆｅｃｔｉｖｅ ｅｎｅｒｇｙ－ｓａｖｉｎｇ ｒｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｍｅａｓｕｒｅ ｔｏ ｒｅｄｕｃｅ ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｅｎｅｒｇｙ ｌｏｓｓ ａｎｄ ｔｏ ｉｍｐｒｏｖｅ ｓｙｓｔｅｍ ｅｆｉｆｃｉｅｎｃｙ．Ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｓ ａｎｄ ａｎａｌｙｚｅｓ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ｔｈｅ ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｓｙｓｔｅｍ ｏｆ ｓｕｂｍｅｒｇｅｄ ａｒｃ ｆｕｒｎａｃｅ ａｓ ｗｅｌｌ ａｓ ａｄｖａｎｔａｇｅｓ ａｎｄ ｄｉｓａｄｖａｎｔａｇｅｓ ｏｆ ｔｈｅ ｒｅａｃｔｉｖｅ ｐｏｗｅｒ ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ ｗａｙ ｓｙｓｔｅｍａｔｉｃａｌｌｙ，ｐｏｉｎｔｓ ｏｕｔ ｔｈａｔ ｒｅａｃｔｉｖｅ ｐｏｗｅｒ ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ ｔｏ ｔｈｅ ｓｐｌｉｔ ｐｈａｓｅｓ ａｔ ｔｈｅ ｌｏｗ—ｖｏｌｔａｇｅ ｓｉｄｅ ｏｆ ｔｈｅ ｓｈｏｒｔ—ｎｅｔ ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｓｙｓｔｅｍ ｏｆ ｓｕｂｍｅｒｇｅｄ ａｒｃ ｆｕｒｎａｃｅ ｉｓ ａ ｒｅａｓｏｎａｂｌｅ ｏｐｔｉｏｎ，ａｎｄ ｄｅｓｉｇｎｓ ｔｈｅ ｌｏｗ—ｖｏｌｔａｇｅ ｓｉｄｅ ｒｅａｃｔｉｖｅ ｐｏｗｅｒ ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ ｓｃｈｅｍｅ ｓｕｉｔａｂｌｅ ｆｏｒ ｅｎｅｒｇｙ ｓａｖｉｎｇ，ｅｆｉｆｃｉｅｎｃｙ ｉｍｐｒｏｖｅｍｅｎｔ ａｎｄ ｒｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｓｈｏｒｔ—ｎｅｔ ｅｌｅｃｔｉｒｃ ｓｙｓｔｅｍ ｏｆ ｓｕｂｍｅｒｇｅｄ ａｒｃ ｆｕｒｎａｃｅ ａｃｃｏｒｄｉｎｇｌｙ．Ｔｈｉｓ ｓｃｈｅｍｅ ｈａｓ ｂｅｅｎ ａｐｐｌｉｅｄ ｔｏ ｓｅｖｅｒａｌ ｌａｒｇ—ｅ— ｓｃａｌｅ ｍｅｔａｌ ｓｍｅｌｔｉｎｇ ａｎｄ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ ｅｎｔｅｒｐｒｉｓｅｓ ｓｕｃｃｅｓｓｆｕｌｌｙ．Ｔｈｅ ｃｏｍｐｌｅｔｅ ｅｑｕｉｐｍｅｎｔｓ ｈａｖｅ ｂｅｅｎ ｒｕｎｎｉｎｇ ｓｔａｂｌｙ ａｎｄ ｒｅｌｉａｂｌｙ ａｎｄ ｈａｖｅ ｇａｉｎｅｄ ｏｕｔｓｔａｎｄｉｎｇ ｂｅｎｅｆｉｔｓ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｓｕｂｍｅｒｇｅｄ ａｒｃ ｆｕｒｎａｃｅ；ｒｅａｃｔｉｖｅ ｐｏｗｅｒ ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ；ｅｎｅｒｇｙ ｓａｖｉｎｇ ｔｒａｎｓｆｏｒｍａｔｉｏｎ
