電解鋁整流系統(tǒng)的諧波電流與無功功率問題分析

王維

摘 要：立足于電解制鋁的生產(chǎn)實(shí)際，從諧波電流和無功功率的角度出發(fā)，結(jié)合電解制鋁實(shí)例，對(duì)電解鋁整流系統(tǒng)的諧波電流和無功功率問題進(jìn)行了簡要分析。

關(guān)鍵詞：電解鋁；整流系統(tǒng)；諧波電流；無功功率

中圖分類號(hào)：TM714.3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2015.10.082

在大功率直流電路中，為了保證系統(tǒng)功率的穩(wěn)定性，通常情況下會(huì)選擇用電容對(duì)線路中的無功現(xiàn)象進(jìn)行補(bǔ)償?shù)拇胧５餮b置在運(yùn)行過程中會(huì)產(chǎn)生諧波電流，如果在配置無功補(bǔ)償裝置時(shí)選用的參數(shù)不科學(xué)，則可能會(huì)導(dǎo)致供電系統(tǒng)諧振或諧波電流放大的現(xiàn)象。因此，對(duì)電解鋁整流系統(tǒng)的諧波電流與無功功率問題的分析具有鮮明的現(xiàn)實(shí)意義。

1 電解鋁整流系統(tǒng)的特征

電解鋁是當(dāng)前獲取金屬鋁的主要方式，是以氧化鋁為原料，在冰晶石熔體中進(jìn)行熔鹽電解的化學(xué)過程。其制備過程主要表現(xiàn)出以下4個(gè)特征。

1.1 耗電量大

電解本身是一種能耗量極大的生產(chǎn)方式，這是因?yàn)榻饘黉X的化學(xué)屬性極為活潑，傳統(tǒng)的置換等化學(xué)處理方式無法有效地從化合物中提取出金屬鋁，從總體上看，電解是當(dāng)前最高效的制備方式。

1.2 功率因數(shù)較低

電解制鋁過程對(duì)電力的要求較高，電力系統(tǒng)直接供應(yīng)的電力形式無法滿足電解需求，因此，在電解鋁系統(tǒng)中，還需要經(jīng)過調(diào)壓變壓器、整流變壓器和大功率元件整流系統(tǒng)，才能進(jìn)入最終的電解活動(dòng)。在這一過程中，系統(tǒng)眾多、無功消耗極大，且電解鋁系統(tǒng)的功率因數(shù)較低。

1.3 供電可靠性要求高

電解鋁是一個(gè)連續(xù)的過程，在電解鋁活動(dòng)中對(duì)電力供應(yīng)的穩(wěn)定性和可靠性有極高的要求，一旦出現(xiàn)電力供應(yīng)的中斷，則會(huì)導(dǎo)致電解反應(yīng)停止，且在恢復(fù)供電后的一段時(shí)間內(nèi)電解生產(chǎn)都無法正常進(jìn)行。如果停電超過1 h，浸泡在電解溶液中的半成品會(huì)發(fā)生其他反應(yīng)，進(jìn)而影響金屬鋁的產(chǎn)出率，甚至?xí)?duì)電解槽的內(nèi)襯造成嚴(yán)重的破壞。

1.4 諧波污染現(xiàn)象較為嚴(yán)重

電解鋁系統(tǒng)中的大功率元件整流系統(tǒng)在運(yùn)行過程中會(huì)產(chǎn)生大量的諧波，如果無法有效控制諧波的產(chǎn)生和傳播，則會(huì)對(duì)周圍的供電網(wǎng)絡(luò)和通信網(wǎng)絡(luò)造成消極影響，嚴(yán)重情況下，還會(huì)對(duì)電解鋁系統(tǒng)的運(yùn)行質(zhì)量和效率產(chǎn)生影響。通常情況下，整流供電的功率一旦低于0.9，則會(huì)導(dǎo)致電解鋁系統(tǒng)出現(xiàn)功率下降、絕緣發(fā)熱或老化等問題。

2 電抗器的作用

電解鋁過程中大功率元件的整流系統(tǒng)會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的諧波現(xiàn)象，這種現(xiàn)象不僅會(huì)對(duì)電網(wǎng)和通信網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生影響，還會(huì)影響電解鋁設(shè)備的工作狀態(tài)。針對(duì)電路中的諧波現(xiàn)象，當(dāng)前主要的解決辦法是在線路中安裝電抗器。

在電容器回路中安裝阻尼電抗器，在電容器回路投入時(shí)可起到抑制涌流的作用。同時(shí)，可與電容器組一起組成諧波回路，起到各次諧波的濾波作用。比如在500 kV變電所35 kV無功補(bǔ)償裝置的電容器回路中，為了限制投入電容器時(shí)的涌流和抑制電力系統(tǒng)的高次諧波，在35 kV電容器回路中必須安裝阻尼電抗器。抑制三次諧波后，采用額定電壓為35 kV、額定電感量為26.2 mH和額定電流為350 A的干式空心單相戶外型阻尼電抗器，它與2.52 Mvar電容器對(duì)三次諧波形成諧振回路，即三次諧波濾波回路。具體接法如圖1所示。

圖1 電抗器接法示意圖

3 諧波問題和無功補(bǔ)償?shù)母呦嚓P(guān)性

在電解鋁系統(tǒng)中的大功率整流系統(tǒng)中，感性無功與容性無功一同出現(xiàn)在同一諧波源中，諧波電流產(chǎn)生的無功現(xiàn)象會(huì)相互補(bǔ)償。通常情況下，補(bǔ)償現(xiàn)象會(huì)對(duì)供電網(wǎng)絡(luò)中的基波功率造成影響，具體表現(xiàn)為一部分基波功率轉(zhuǎn)化為諧波功率后回到電網(wǎng)，這種諧波功率在電網(wǎng)中繼續(xù)存在會(huì)對(duì)與電網(wǎng)連接的其他電力用戶造成損害。如果在這一過程中整流系統(tǒng)的運(yùn)行參數(shù)設(shè)定不科學(xué)，無功現(xiàn)象的相互補(bǔ)償會(huì)被繼續(xù)放大，進(jìn)而產(chǎn)生共振現(xiàn)象。因此，在選擇濾波器組時(shí)，除了要考慮提高電峰測(cè)的功率因數(shù)，還應(yīng)避免諧振出現(xiàn)。

為了滿足系統(tǒng)無功補(bǔ)償?shù)囊?，采取的主要方法?種：①當(dāng)電解鋁系統(tǒng)中濾波裝置的無功容量與補(bǔ)償容量出現(xiàn)差值時(shí)，可使用并聯(lián)電容器提升補(bǔ)償容量；②當(dāng)供電網(wǎng)絡(luò)的電抗值與并聯(lián)電容器的電容值構(gòu)成的諧振頻率較高，而電解鋁產(chǎn)生的電力負(fù)載諧波電壓較低時(shí)，不需要考慮諧波的補(bǔ)償問題，但在實(shí)際的電解鋁系統(tǒng)運(yùn)行中，這一標(biāo)準(zhǔn)比較難把握，需要從電解鋁系統(tǒng)的實(shí)際出發(fā)，切實(shí)保證諧波的補(bǔ)償要求得到滿足。

4 結(jié)束語

電解鋁是當(dāng)前提取金屬鋁的主要方式，這一提取方式的運(yùn)行質(zhì)量和效率直接影響著鋁制品行業(yè)的發(fā)展。因此，對(duì)電解鋁整流系統(tǒng)的諧波電流和無功功率的分析具有鮮明的現(xiàn)實(shí)意義。本文從電解鋁整流系統(tǒng)的特點(diǎn)、電抗器的應(yīng)用，以及諧波問題與無功功率的關(guān)系的角度對(duì)諧波電流和無功功率問題進(jìn)行了分析，以期為電解鋁整流系統(tǒng)運(yùn)行質(zhì)量的提升提供支持和借鑒。

參考文獻(xiàn)

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〔編輯：張思楠〕