礦熱爐大容量低壓無功補償系統(tǒng)分析

欒春沂

（大連華銳重工集團(tuán)股份有限公司，遼寧 大連 116000）

礦熱爐大容量低壓無功補償系統(tǒng)分析

欒春沂

（大連華銳重工集團(tuán)股份有限公司，遼寧 大連 116000）

我國礦熱爐數(shù)量眾多，分布廣泛，是高能耗用電的主要產(chǎn)品，目前其主要向高功率、大型化方向發(fā)展，而短網(wǎng)的性能直接決定了礦熱爐的性能，對短網(wǎng)側(cè)進(jìn)行低壓無功補償對設(shè)備的功率因數(shù)提高有著重要的影響，已成為降低能耗，提高冶煉效率的有效手段。本文闡述了一種基于PLC控制的礦熱爐大容量低壓無功補償系統(tǒng)，對其系統(tǒng)構(gòu)成進(jìn)行了說明，并分析了各組成部件的功能及特點。

礦熱爐；無功補償；節(jié)能增效

礦熱爐是冶金行業(yè)中重要的設(shè)備，主要用于生產(chǎn)各類鐵合金、電石等原料，作為高能耗電的大型冶煉設(shè)備，其能耗控制一直是各個企業(yè)面臨的難題，隨著電價成本的提高，用電成本所占的比重也越來越大，同時還必須滿足電力部門對高能耗設(shè)備的功率因數(shù)標(biāo)準(zhǔn)，避免不達(dá)標(biāo)造成處罰。因此，大容量無功補償系統(tǒng)是礦熱爐企業(yè)必須選擇的產(chǎn)品，而早期大多企業(yè)采用高壓側(cè)集中無功補償系統(tǒng)，雖能達(dá)到電力部門要求的不處罰標(biāo)準(zhǔn)，但缺點比較明顯，因高壓補償多采用固定容量投切，容易造成過補或欠補的情況發(fā)生，且高壓設(shè)備的投資大，維護(hù)成本高，補償效果不理想。如果同時在短網(wǎng)側(cè)進(jìn)行低壓無功補償，因低壓動態(tài)補償系統(tǒng)的響應(yīng)速度快，精度高，更適合負(fù)荷變化較大的工況，這樣不僅可以提高高壓側(cè)的功率因數(shù)，還可以對變壓器與電極間的短網(wǎng)無功損耗進(jìn)行動態(tài)的補償，從而更有效的提高變壓器的有功輸出，達(dá)到了節(jié)能增效的目的，給企業(yè)帶來更好的經(jīng)濟效益。

1 低壓短網(wǎng)無功補償系統(tǒng)

1.1 系統(tǒng)構(gòu)成

礦熱爐大容量無功補償系統(tǒng)采用PLC進(jìn)行投切控制，系統(tǒng)主要由控制單元、采樣通訊單元、保護(hù)監(jiān)控單元、投切單元、補償單元等組成（圖1）。

1.2 主要組成部件及功能

（1）控制單元。主要由西門子S7-300 PLC系統(tǒng)構(gòu)成，具有Profibus-DP及以太網(wǎng)通訊方式，其主要功能是將采集到的取樣信息、保護(hù)裝置信息、投切單元的狀態(tài)信息進(jìn)行處理后，通過通信網(wǎng)絡(luò)完成與自動化工作站的實時數(shù)據(jù)交換，實現(xiàn)計算機自動跟蹤、自動控制。具有運行參數(shù)記錄和故障代碼儲存功能，并且可以自動生成報表，為后續(xù)運行維護(hù)提供便利。安裝為電石爐補償定制開發(fā)的控制程序，其根據(jù)所設(shè)置的目標(biāo)功率因數(shù)值，依據(jù)實時電流、電壓參數(shù)，控制投切單元動作，具有手動、自動投切轉(zhuǎn)換功能，并可通過人機界面實時顯示系統(tǒng)各個電量值及歷史數(shù)據(jù)等，可方便的設(shè)置額定參數(shù)及保護(hù)特性參數(shù)的閾值，如變比、目標(biāo)功率因數(shù)、投切模式、投切順序、超溫報警值等。

（2）采樣通訊單元。基于西門子PAC4200多功能檢測裝置，將引自66kV變電站的電壓信號與電爐變壓器一次側(cè)的電流信號進(jìn)行處理，同時采集電爐變壓器二次側(cè)的功率因數(shù)值，并將信號反饋至控制單元，使其能夠精確地對電爐短網(wǎng)側(cè)進(jìn)行補償控制。

圖1 補償系統(tǒng)構(gòu)成示意

（3）保護(hù)監(jiān)控單元。采用專用投切及電容保護(hù)單元，具有自診斷故障保護(hù)、電源電壓缺相保護(hù)、停電保護(hù)、過電壓保護(hù)等功能，可存儲運行事件記錄和故障事件記錄，對故障事件發(fā)出聲音報警并提示故障原因，并通過總線系統(tǒng)將故障信息反饋至控制單元。

（4）投切單元。由專用的真空復(fù)合開關(guān)組構(gòu)成，補償單元的切除和投入由其內(nèi)部的可控硅開關(guān)進(jìn)行操作，而接觸器負(fù)責(zé)電容器投入后的保持接通，兩者配合工作，當(dāng)接觸器投入后，可控硅開關(guān)即退出。該投切模塊動作速度快，響應(yīng)速度小于20ms，能夠?qū)崟r跟隨控制單元的命令執(zhí)行補償單元的投入及退出。投切單元觸發(fā)模塊具有光電隔離，充分實現(xiàn)一、二次系統(tǒng)的電氣隔離，實現(xiàn)投切時無涌流和無操作過電壓，具有熄孤能力強，操作頻率較高，壽命長，且可避免大功率晶閘管長期運行時的過熱問題，顯著延長了設(shè)備使用壽命，完全適用于電石爐這種高溫、高導(dǎo)電粉塵的惡劣環(huán)境。

（5）補償單元。由大容量濾波電抗器和補償電容組成。采用濾波電抗器，可有效消除5次以上諧波對系統(tǒng)的影響，同時在一定程度上抑制沖擊涌流，保護(hù)電容器組安全運行。

電容器采用進(jìn)口金屬化膜材料的補償及濾波專用耐高溫電容膜，適應(yīng)電石現(xiàn)場惡劣環(huán)境，能夠在標(biāo)稱電壓1.2倍，電流1.3倍下長期使用，并且能在+55℃的環(huán)境下長期正常運行，具有過壓保護(hù)功能。過壓產(chǎn)生時，電容器內(nèi)部局部擊穿的情況下，具備自愈恢復(fù)功能，并自動釋放瞬間過電壓能量。 具有溫度和過電流保護(hù)功能，當(dāng)溫度或電流超出允許值時，其內(nèi)部的壓力保險裝置可切斷電源，充分保證運行的安全性。

（6）成套設(shè)備。根據(jù)礦熱爐現(xiàn)場環(huán)境，成套設(shè)備采用了高防護(hù)等級組合式隔磁開關(guān)柜結(jié)構(gòu)，采用不銹鋼、SMC板、金屬板混合隔磁設(shè)計，可有效避免電流磁場引起的渦流發(fā)熱損耗。同時采用發(fā)泡密封技術(shù)和安裝大功率、高防護(hù)等級的軸流風(fēng)機裝置，確保其內(nèi)部的設(shè)備能夠處于良好的運行工況。

1.3 系統(tǒng)特點

礦熱爐大容量無功補償系統(tǒng)采用PLC進(jìn)行投切控制，穩(wěn)定性高，擴展性強。整套系統(tǒng)自動化程度高，操作可靠簡單，保護(hù)功能完善，根據(jù)負(fù)荷運行情況，可以實時對系統(tǒng)無功量進(jìn)行補償，而當(dāng)外部電網(wǎng)停電或故障時，立即退出系統(tǒng)，恢復(fù)后，自動投入系統(tǒng)。具有缺相、過流、過壓、超溫、速斷等保護(hù)，同時補償單元由多個小容量單路電容和電抗組成，能夠使補償精度更高，且補償過程中不會產(chǎn)生涌流和諧波（圖2）。

系統(tǒng)具有手動和自動兩種控制方式。自動方式：根據(jù)設(shè)定目標(biāo)功率因數(shù)，由控制單元對投切單元進(jìn)行智能化控制。

手動方式：可完全脫離控制單元，由操作人員通過手動開關(guān)投入或退出不同的電容器組，也可在自動化后臺系統(tǒng)中遠(yuǎn)方手動投切電容器組，方便調(diào)試及在特殊工況下運行的需要。

圖2 系統(tǒng)流程圖

2 結(jié)語

礦熱爐的無功補償最有效的方法是在對高壓側(cè)進(jìn)行適量無功補償?shù)耐瑫r，在低壓短網(wǎng)側(cè)進(jìn)行補償，能夠有效的提高短網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)，降低能耗可達(dá)5%～20%，提高產(chǎn)量5%～10%以上。而基于PLC進(jìn)行投切控制控制的大容量低壓動態(tài)無功補償系統(tǒng)在提高功率因數(shù)的基礎(chǔ)上，還具有較強的擴展性，可實時與礦熱爐主控制系統(tǒng)進(jìn)行通信，交換數(shù)據(jù)狀態(tài)，對于進(jìn)一步完善礦熱爐工藝控制環(huán)節(jié)有著積極的作用，該系統(tǒng)對未來礦熱爐控制系統(tǒng)的智能化發(fā)展，將有著重要作用。

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