某廠改造工程6kV供電系統(tǒng)無功補償與諧波治理

劉義友，吳方達，徐蕓，劉賓

（1.中鋼集團北京國冶銳誠工程公司，北京 100080；2.天津天傳電氣有限公司，天津 300180；3.北京中電恒盛電力科技有限公司，北京 100029）

1 引言

某軋鋼廠是原650開坯車間改造而成的3／4連軋窄帶鋼－彈扁復(fù)合生產(chǎn)線，設(shè)計年生產(chǎn)能力只有380000t。為適應(yīng)公司發(fā)展要求，提高產(chǎn)品質(zhì)量，盡快實現(xiàn)彈扁質(zhì)量升級換代，同時擴大產(chǎn)品規(guī)格范圍提高產(chǎn)量，公司決定對這條生產(chǎn)線進行優(yōu)化改造。

2 系統(tǒng)的組成

改造完成后，該生產(chǎn)線形成由19架軋機組成的全連軋生產(chǎn)線，其中粗、中軋機組之間采用脫頭軋制，車間高壓供電單線系統(tǒng)圖見圖1。

全車間用電設(shè)備總裝機容量約為21915kW，其中直流調(diào)速電氣設(shè)備的安裝總?cè)萘繛?6530 kW，高壓配電室6kV側(cè)總的計算負荷為：有功功率14318kW；無功功率12781kvar；視在功率19193kV·A；自然功率因數(shù)0.75。

由此可見6kV供電系統(tǒng)自然功率因數(shù)低于供電部門0.92以上的基本要求，同時由于系統(tǒng)內(nèi)的直流整流裝置將產(chǎn)生大量諧波，故在6kV供電系統(tǒng)內(nèi)需增設(shè)諧波吸收及無功功率補償裝置（FC）。

圖1 車間高壓供電單線系統(tǒng)Fig.1 Workshop high voltage power supply single line system

36 kV供電系統(tǒng)無功補償與諧波治理技術(shù)方案

3.1 原有情況介紹

用戶原有生產(chǎn)線安裝一套6kV濾波補償裝置，原濾波裝置供貨方出具的基本數(shù)據(jù)見表1。

表1 原有濾波補償裝置技術(shù)參數(shù)Tab.1 The original filtering compensation equipment technical parameters

根據(jù)以上數(shù)據(jù)及實際運行情況分析，原濾波器在實際運行中出現(xiàn)以下問題。

1）容量設(shè)計過大。當(dāng)時設(shè)計基波補償容量為3813.76kvar，濾波器實際總基波補償容量4817 kvar。導(dǎo)致部分濾波器無法投入，造成投資浪費。

2）根據(jù)負荷特性和實際測試結(jié)果看，系統(tǒng)中主要的諧波含量集中在5，7和11次左右，3次不是主要諧波源，沒有必要單獨加裝3次濾波支路，即使加裝該次濾波支路，安裝容量也不大，主要起到抑制諧波放大的作用。

3）原設(shè)備參數(shù)中，3次濾波支路配置容量較大，5次濾波支路容量配置較小，容量分配不合理，不能有效濾除諧波，濾波設(shè)備長期過載運行，容易損壞元器件，用戶為此經(jīng)常更換熔斷器，不能有效運行，造成資源和投資的浪費。

3.2 此次改造方案

在本次改造工程中，將原有兩段母線合并為6 kV母線Ⅰ段，新增了6kV母線Ⅱ段和6kV母線Ⅲ段（見圖1）。同時對新6kV母線Ⅰ段負荷進行調(diào)整，經(jīng)計算需要補償?shù)幕o功功率為3100kvar，優(yōu)先考慮對原有濾波器進行改造以適用于新的6 kV母線Ⅰ段，盡可能降低投資。經(jīng)過對原有濾波器參數(shù)和新供電系統(tǒng)的詳細分析計算，經(jīng)過改造的6kV母線Ⅰ段濾波補償裝置方案見表2。

表2 新6kV母線Ⅰ段濾波補償裝置技術(shù)參數(shù)Tab.2 New 6kV Ⅰsection bus bar filtering compensation equipment technical parameters

具體方案描述。

1）將原H3改造為H5，更換3臺新濾波電抗器。

2）將原H11改造為H7，更換3臺新濾波電抗器。

3）將原H7改造為H11，濾波電容器減少一半（1500kvar），將原H11換下的電抗器替換原H7電抗器。

4）保留原H5回路，作為提高功率因數(shù)的備用手段，必須與新H5同時使用。

5）更換開關(guān)柜二次回路繼電器，重新設(shè)置保護定值。

6）運行時先投入H5，H7，再投入H11，如果需要進一步提高功率因數(shù)，可將H11和原有H5同時投入，同時濾波效果可以完全滿足國家標(biāo)準(zhǔn)要求。

7）H5，H7，H11投入后發(fā)出基波無功功率3233kvar＞3100kvar，功率因數(shù)達到設(shè)計要求。

3.3 新增6kV母線Ⅱ段濾波補償方案

新6kV母線Ⅱ段整流設(shè)備較多（見圖1），諧波含量大，需要補償基波無功功率3800kvar，經(jīng)過分析計算，濾波補償裝置方案見表3。

表3 新6kV母線Ⅱ段濾波補償裝置技術(shù)參數(shù)Tab.3 New 6kV Ⅱsection bus bar filtering compensation equipment technical parameters

具體方案描述。

1）采用TCK3000高壓自動投切控制器，檢測負載的變化情況進行綜合控制，投切元件為電容器專用高壓真空接觸器。每個濾波支路設(shè)置微機綜合保護器。

2）控制回路延時不超過5min，在保證安全的前提下盡可能提高跟蹤補償精度，日平均功率因數(shù)＞0.92以上。

3）設(shè)備工作期間完全不需要人員干預(yù)，每個支路都具備過壓、欠壓、過流、速斷、開口三角電壓等保護，同時電容器內(nèi)置熔斷器、放電電阻，柜內(nèi)還設(shè)置過電壓保護裝置等保護措施，可以確保裝置的安全可靠運行。

4）經(jīng)過仿真計算，濾波效果顯著，可以完全滿足國家標(biāo)準(zhǔn)要求，同時可發(fā)出3814kvar基波無功，滿足補償基波無功功率3800kvar的基本要求。

3.4 新增6kV母線Ⅲ段濾波補償方案

新6kV母線Ⅲ段主要負載是普通動力設(shè)備，諧波畸變較小，經(jīng)過實測，諧波含量主要集中在5次。同時部分低壓母線已配置了補償設(shè)備，6kV母線需要補償基波無功功率為1100kvar，經(jīng)過分析計算，濾波補償裝置方案見表4。

表4 新6kV母線Ⅲ段濾波補償裝置技術(shù)參數(shù)Tab.4 New 6kV Ⅲsection bus bar filtering compensation equipment technical parameters

具體方案描述。

1）由于本母線負荷以動力負荷為主，負荷波動較小，本補償方案選擇DFC固定濾波補償裝置。

2）裝置可發(fā)出1162kvar基波無功功率，滿足補償基波無功功率1100kvar的基本要求。

46kV供電系統(tǒng)無功補償與諧波治理裝置投運后測試分析

4.1 標(biāo)準(zhǔn)限值

執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)：國家標(biāo)準(zhǔn)GB／T14549《電能質(zhì)量－公用電網(wǎng)諧波》。

4.2 FC裝置投運前后電能質(zhì)量數(shù)據(jù)對比分析

此次電能質(zhì)量數(shù)據(jù)測試旨在分析FC裝置對生產(chǎn)過程中無功功率補償和諧波電流進行治理的效果。總的測試時間大約為2d，測試儀器為HIO－KI（日置）3196電能質(zhì)量測試儀，分別以測試表格和測試曲線等形式獲得了大量的數(shù)據(jù)，本文僅以表格形式列出其中的部分數(shù)據(jù)進行對比分析。

6kV母線Ⅰ段測試數(shù)據(jù)如表5、表6所示。

表5 FC裝置投入前的實測數(shù)據(jù)Tab.5 FC device of measured data on before

表6 FC裝置投入后的實測數(shù)據(jù)Tab.6 FC device input of measured data

從表5、表6可看出，未投入FC裝置前的時間段內(nèi)，系統(tǒng)功率因數(shù)大約為0.7，開始投入FC后，系統(tǒng)功率因數(shù)升至0.9以上，在后續(xù)投入過程中一直比較穩(wěn)定，起到了改善功率因數(shù)的作用。

在未投入FC裝置前的時間段內(nèi)，系統(tǒng)5次諧波電壓大約為20V，5次諧波電流大約為30 A，開始投入FC后，系統(tǒng)5次諧波電壓基本消除，5次諧波電流則降至15A左右；對7次和11次及高次諧波電流也起到同樣的濾波效果，總的濾波效果顯著，并且在后續(xù)投入過程中一直比較穩(wěn)定，起到了濾除諧波的作用。

6kV母線Ⅱ段及Ⅲ段測試數(shù)據(jù)與母線Ⅰ段基本相同。

5 結(jié)論

FC裝置在投入以后，很大程度上提高了電能質(zhì)量，獲得了用戶好評。具體體現(xiàn)在以下幾個方面：

1）系統(tǒng)無功功率得到補償，效果明顯；

2）系統(tǒng)功率因數(shù)得以改善，分別由補償前的0.7和0.6提高到補償后的0.9左右；

3）系統(tǒng)諧波得到治理，濾除效果明顯，為產(chǎn)品生產(chǎn)的質(zhì)量和可靠性提供了保障。

4）本工程作為改造項目，充分利用原有設(shè)備，為用戶節(jié)省了投資，性價比較高。

［1］鮑德芝，曹邦和.鋼鐵企業(yè)電力設(shè)計手冊［M］.北京：冶金工業(yè)出版社，1996.

［2］劉國慶，楊慶東.ANSYS工程應(yīng)用教程：機械篇［M］.北京：中國鐵道出版社，2003.

［3］天津電氣傳動設(shè)計研究所.電氣傳動自動化技術(shù)手冊［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2005.