無功動態(tài)自動補償系統(tǒng)在冷軋機中的應(yīng)用

安利娟，梅樹朋，區(qū)興華

(1．中國重型機械研究院有限公司，陜西 西安 710032;2．中山中粵馬口鐵工業(yè)有限公司，廣東 中山 528437)

1 前言

軋機在冶金行業(yè)中作為主要加工設(shè)備得到了廣泛的應(yīng)用，由于軋機工作的特點，工作周期較短，速度快，屬于沖擊性負(fù)荷，無功波動大，因此在軋鋼時會產(chǎn)生有害高次諧波，主要是以5、7、11、13次為代表的奇次諧波及旁頻，使電網(wǎng)電壓產(chǎn)生嚴(yán)重畸變，引起電氣設(shè)備發(fā)熱，振動，增加損耗，縮短壽命，干擾通訊，使可控硅誤觸發(fā)，部分繼電保護(hù)誤動作，電氣絕緣老化損壞等。同時功率因數(shù)非常低，一般在0.7左右。軋制直流傳動系統(tǒng)在工作時除了功率因數(shù)較低外，功率大的軋機還會引起電網(wǎng)電壓急劇波動，使照明、顯示器屏幕等產(chǎn)生閃爍，引起人的視覺疲勞而煩燥，此外還影響可控硅設(shè)備，精密儀表或電網(wǎng)內(nèi)其它設(shè)備的穩(wěn)定運行，甚至產(chǎn)生質(zhì)量事故。為了有效解決由此產(chǎn)生的問題，無功動態(tài)自動補償系統(tǒng)的投入可以完美的解決上述問題，保證母線電壓平穩(wěn)，無諧波干擾，提高功率因數(shù)。

2 軋機傳動系統(tǒng)

中山中粵基板廠共有兩套相同配置的軋機，每套軋機均配有直流電機，其中每套包括2臺主電機各1 300 kW、4臺卷取電機各728 kW、1臺248 kW開卷電機，軋機供電系統(tǒng)電壓為10 kV，主機傳動系統(tǒng)由1臺變壓器(容量為4 500 kvar，供電電壓為10/0.75 kV)整流變供電，左右卷取傳動系統(tǒng)供電由2臺整流變壓器(容量均為2 500 kvar，供電電壓為10/0.66 kV)分別提供。軋機傳動系統(tǒng)均為直流傳動裝置，這些設(shè)備均接入10 kV母線，通過3臺變壓器與上級電網(wǎng)相連。

兩套軋機正常工作時除了會產(chǎn)生大量高次諧波電流注入系統(tǒng)，還將產(chǎn)生很大的無功功率和有功功率沖擊，直接導(dǎo)致10 kV供電母線較大的電壓波動，嚴(yán)重影響和惡化電網(wǎng)的電能質(zhì)量，另一方面還會威脅接入同一電網(wǎng)內(nèi)的其它主電機、控制設(shè)備和換流設(shè)備的自身安全、穩(wěn)定運行;同時，由于負(fù)荷的功率因數(shù)較低，用戶還有可能遭受低功率因數(shù)罰款。根據(jù)測試可知軋機正常工作時負(fù)載動態(tài)變化較大，導(dǎo)致系統(tǒng)功率因數(shù)低至0.65，在整流變壓器單個低壓繞組側(cè)產(chǎn)生的5次諧波電流含量達(dá)到了20%～25%，7次諧波電流達(dá)到了8%，高次諧波電流注入高壓側(cè)電網(wǎng)，導(dǎo)致電力系統(tǒng)中高次諧波含量迅速增長，引起供電電壓波形畸變，增加了線損和用電設(shè)備的損耗，造成了多余的能耗，影響電網(wǎng)其他用電設(shè)備的正常運行，降低了電能質(zhì)量，影響了電網(wǎng)的用電安全，對設(shè)備的安全運行造成了安全隱患。

圖1，2所示為中山中粵基板廠軋機主機及卷取機工作時電壓及電流畸變的波型。

為保障電網(wǎng)電壓穩(wěn)定合格、提高功率因數(shù)、避免無功罰款、降損節(jié)能、有效抑制和治理諧波，提高軋機的利用率及電能質(zhì)量，中山中粵基板廠采取了在10 kV高壓母線端裝設(shè)了高壓動態(tài)無功功率補償裝置，采用了高壓自動無功補償裝置(HVC)和高壓動態(tài)無功補償裝置(TRC)相結(jié)合的方案。高壓自動無功補償裝置電容器組由真空接觸器投切，高壓動態(tài)無功補償裝置電容器組由可控硅投切，實現(xiàn)嚴(yán)格的電流過零投切，電容投切過程中無涌流沖擊，無操作過電壓，無電弧重燃現(xiàn)象，無電壓閃變現(xiàn)象，能在20 ms內(nèi)快速跟蹤系統(tǒng)無功變化，可頻繁投切。

高壓自動無功補償裝置主要用來補償系統(tǒng)較穩(wěn)定的無功變化不頻繁的基本負(fù)荷。根據(jù)負(fù)荷的變化由高壓動態(tài)無功補償裝置快速反應(yīng)，跟蹤補償無功變化較快，波動負(fù)荷大的軋機部分負(fù)荷。在對負(fù)荷進(jìn)行補償?shù)恼麄€過程中，自動與動態(tài)相互配合，高壓自動無功補償裝置補償基本無功，高壓動態(tài)無功補償裝置快速響應(yīng)，組合投切實現(xiàn)細(xì)調(diào)，既能保證補償精度，又可實現(xiàn)動態(tài)快速跟蹤補償。

中山中粵基板廠每套軋機配置了3套無功動態(tài)補償系統(tǒng)，裝置容量為7 200 kvar，基波補償容量為 5 275 kvar，容量分別為 4 200 kvar、1 800 kvar、1 200 kvar。使10 kV系統(tǒng)功率因數(shù)在0.95以上，高次諧波含量滿足國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T14549－93要求，穩(wěn)定電網(wǎng)電壓，降低損耗。

3 系統(tǒng)控制原理及功能

軋制時軋機引起的電能質(zhì)量問題主要有電壓波動、電壓閃變和諧波電流等。而一般普通靜態(tài)的無功補償投切速度慢，不適合負(fù)載變化頻繁的場合，容易產(chǎn)生欠補或者過補償，造成電網(wǎng)電壓波動，損壞用電設(shè)備。并且觸點投切設(shè)備壽命短，噪聲大，維護(hù)量大，影響電容器使用壽命。而無功動態(tài)自動補償控制系統(tǒng)原理是根據(jù)負(fù)荷工作狀態(tài)改變與電抗器串聯(lián)的晶閘管的導(dǎo)通角，從而改變電抗器提供的感性無功，起到平滑調(diào)節(jié)供電系統(tǒng)無功功率的作用(調(diào)節(jié)原理如圖3)?？蓪θ魏呜?fù)載情況進(jìn)行實時快速補償，并有穩(wěn)定電網(wǎng)電壓功能，提高電網(wǎng)質(zhì)量;無觸點零電流投切技術(shù)增加了電容器使用壽命，減小對電網(wǎng)的沖擊。系統(tǒng)中諧波治理設(shè)備具有動態(tài)跟隨負(fù)荷的變化的特性，能有效提高電網(wǎng)的電能質(zhì)量、功率因數(shù)和節(jié)約電能，同時提高整個用電系統(tǒng)運行的可靠性及設(shè)備運行效率，降低整體運行成本和設(shè)備維護(hù)費用，延長設(shè)備的使用壽命。無功動態(tài)自動化補償是目前治理電能質(zhì)量問題綜合性能較好的一種方式。

圖3 調(diào)節(jié)器原理圖Fig.3 Schematic diagram of regulator

因此，中山中粵基板廠在軋機供電10kV母線側(cè)裝設(shè)了無功動態(tài)自動補償系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有無功補償并兼有抑制諧波功能，系統(tǒng)采用了晶閘管做為投切開關(guān)，在線自動投切濾波器組技術(shù)，通過實時采集10kV母線的電壓、電流信號，經(jīng)控制器運算輸出投切信號，實現(xiàn)在線動態(tài)低涌流投切。

系統(tǒng)由全數(shù)字控制柜、晶閘管閥組、主電抗器、純水冷卻系統(tǒng)、FC濾波回路組成。系統(tǒng)中晶閘管疊裝壓接式、純水冷卻、內(nèi)取能、內(nèi)阻尼、空氣絕緣，BOD保護(hù)。由并聯(lián)晶閘管多個串聯(lián)組成，其過電壓保護(hù)的BOD器件與其他電子器件一起構(gòu)成晶閘管二次觸發(fā)回路，使晶閘管免受過電壓沖擊而損壞。晶閘管為電氣特性優(yōu)良ABB產(chǎn)品，采用光電轉(zhuǎn)換方式，自動完成各高電位電子單元循檢，高壓光纜傳遞信號。純水機提供高純水作為TCR閥的冷卻介質(zhì)。(水一水型及水一風(fēng)型)

主電抗器為空心、干式、鋁線環(huán)氧固化型，線性度高，噪音小，動熱穩(wěn)定性好，損耗小，絕緣強度高，散熱好。作為一個可控的感性負(fù)載，通過電子調(diào)節(jié)器和反并聯(lián)連接的可控硅閥的相位控制，改變補償電抗器的電流大小，從而達(dá)到動態(tài)無功補償?shù)哪康摹?/p>

TCR閥的觸發(fā)監(jiān)控系統(tǒng)采用脈沖編碼，光發(fā)送，光接收，微機實時監(jiān)控TCR晶閘管運行狀況。TCR閥是高壓電力電子設(shè)備，為解決弱電觸發(fā)系統(tǒng)與強電高壓系統(tǒng)的電位隔離問題。采用了ABB及西門子公司的光電轉(zhuǎn)換技術(shù)，同時也解決了高壓晶管閥工作時的檢測問題，它能在低壓側(cè)直接運算顯示、報警、跳閘。

調(diào)節(jié)器是晶閘管開關(guān)的控制系統(tǒng)，采用西門子公司的全數(shù)字控制系統(tǒng)，通過測量、比較、放大、移相觸發(fā)環(huán)節(jié)，按一定的調(diào)節(jié)規(guī)律產(chǎn)生晶閘管開關(guān)所需要的觸發(fā)脈沖，控制其觸發(fā)角大小，調(diào)節(jié)補充電控器的電流，達(dá)到所要求的無功功率。矢量運算、邏輯判別、鎖頻、鎖相、線性化處理，有源濾波、數(shù)字觸發(fā)、運算快，響應(yīng)時間5～10 ms，觸發(fā)精度≤1個電角度。

采用用DSP實現(xiàn)動態(tài)無功補償程序投切及繼電保護(hù)，用工控計算機實現(xiàn)動態(tài)無功補償自動化管理功能。

濾波電容器組為金屬全膜帶內(nèi)熔絲電容器、外設(shè)外迷人絲、CT、ZNO、放電線圈、構(gòu)架等。

4 系統(tǒng)特點及補償效果

無功補償及濾波系統(tǒng)具有動態(tài)響應(yīng)時間快的特點，動態(tài)響應(yīng)時間小于10ms，可實現(xiàn)平滑調(diào)節(jié);運行可靠，保護(hù)措施齊全，維護(hù)量小控制靈活;調(diào)節(jié)方式多樣，可按無功電壓或無功功率投切，并可手動/自動轉(zhuǎn)換，分相投切，具有在線動態(tài)投切功能，可滿足較平穩(wěn)負(fù)荷的無功補償及諧波濾波，可實時跟蹤并自動補償無功功率，每臺補償柜具有在線自動及手動投切功能，實現(xiàn)無沖擊、低涌流自動投切，延長設(shè)備使用壽命;由于采用自動投切，不產(chǎn)生過補和避免系統(tǒng)產(chǎn)生諧振。中山中粵基板投入無功補償及濾波系統(tǒng)可實現(xiàn)電能質(zhì)量的根本優(yōu)化。補償后功率因數(shù)大于0.92，誤差0～10%。

5 結(jié)束語

中山中粵基板廠2008年1月到8月每月功率因數(shù)過低被罰無功電能為9.07萬度，每度按0.7元計，每月計罰6.35萬元，9、10月新增無功補償裝置運行后，功率因數(shù)達(dá)到0.9以上，給用戶帶來明顯的經(jīng)濟效益，因沒有因功率因數(shù)低而被罰，每月直接經(jīng)濟效益為6.35萬元，一年效益為76.2萬元。因此，無功動態(tài)自動補償系統(tǒng)裝置的投入，對改善電網(wǎng)及用戶供電系統(tǒng)的電能質(zhì)量，提高功率因數(shù)，穩(wěn)定電網(wǎng)運行水平起到積極、重要的作用。

［1］ 靳龍章．電網(wǎng)無功補償實用技術(shù)［M］．北京:中國水利水電出版社，1998，25(3)．

［2］ 王兆安，楊君，劉進(jìn)軍，等．諧波抑制和無功功率補償［M］．北京:機械工業(yè)出版社，2006，7．