安利娟，梅樹朋，區(qū)興華

(1．中國重型機(jī)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(jī)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(jī)工作的特點(diǎn)，工作周期較短，速度快，屬于沖擊性負(fù)荷，無功波動(dòng)大，因此在軋鋼時(shí)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(dòng)，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(dòng)作，電氣絕緣老化損壞等。同時(shí)功率因數(shù)非常低，一般在0.7左右。軋制直流傳動(dòng)系統(tǒng)在工作時(shí)除了功率因數(shù)較低外，功率大的軋機(jī)還會引起電網(wǎng)電壓急劇波動(dòng)，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(yùn)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(dòng)態(tài)自動(dòng)補(bǔ)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(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)

中山中粵基板廠共有兩套相同配置的軋機(jī)，每套軋機(jī)均配有直流電機(jī)，其中每套包括2臺主電機(jī)各1 300 kW、4臺卷取電機(jī)各728 kW、1臺248 kW開卷電機(jī)，軋機(jī)供電系統(tǒng)電壓為10 kV，主機(jī)傳動(dòng)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(dòng)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(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)均為直流傳動(dòng)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(jī)正常工作時(shí)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(dòng)，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(jī)、控制設(shè)備和換流設(shè)備的自身安全、穩(wěn)定運(yùn)行;同時(shí)，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(jī)正常工作時(shí)負(fù)載動(dòng)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(gè)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(yùn)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(yùn)行造成了安全隱患。

圖1，2所示為中山中粵基板廠軋機(jī)主機(jī)及卷取機(jī)工作時(shí)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(jī)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(dòng)態(tài)無功功率補(bǔ)償裝置，采用了高壓自動(dòng)無功補(bǔ)償裝置(HVC)和高壓動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償裝置(TRC)相結(jié)合的方案。高壓自動(dòng)無功補(bǔ)償裝置電容器組由真空接觸器投切，高壓動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償裝置電容器組由可控硅投切，實(shí)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(dòng)無功補(bǔ)償裝置主要用來補(bǔ)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(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償裝置快速反應(yīng)，跟蹤補(bǔ)償無功變化較快，波動(dòng)負(fù)荷大的軋機(jī)部分負(fù)荷。在對負(fù)荷進(jìn)行補(bǔ)償?shù)恼麄€(gè)過程中，自動(dòng)與動(dòng)態(tài)相互配合，高壓自動(dòng)無功補(bǔ)償裝置補(bǔ)償基本無功，高壓動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償裝置快速響應(yīng)，組合投切實(shí)現(xiàn)細(xì)調(diào)，既能保證補(bǔ)償精度，又可實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)快速跟蹤補(bǔ)償。

中山中粵基板廠每套軋機(jī)配置了3套無功動(dòng)態(tài)補(bǔ)償系統(tǒng)，裝置容量為7 200 kvar，基波補(bǔ)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(shí)軋機(jī)引起的電能質(zhì)量問題主要有電壓波動(dòng)、電壓閃變和諧波電流等。而一般普通靜態(tài)的無功補(bǔ)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(bǔ)或者過補(bǔ)償，造成電網(wǎng)電壓波動(dòng)，損壞用電設(shè)備。并且觸點(diǎn)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(dòng)態(tài)自動(dòng)補(bǔ)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(shí)時(shí)快速補(bǔ)償，并有穩(wěn)定電網(wǎng)電壓功能，提高電網(wǎng)質(zhì)量;無觸點(diǎn)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(dòng)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(shí)提高整個(gè)用電系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性及設(shè)備運(yùn)行效率，降低整體運(yùn)行成本和設(shè)備維護(hù)費(fèi)用，延長設(shè)備的使用壽命。無功動(dòng)態(tài)自動(dòng)化補(bǔ)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(jī)供電10kV母線側(cè)裝設(shè)了無功動(dòng)態(tài)自動(dòng)補(bǔ)償系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有無功補(bǔ)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(dòng)投切濾波器組技術(shù)，通過實(shí)時(shí)采集10kV母線的電壓、電流信號，經(jīng)控制器運(yùn)算輸出投切信號，實(shí)現(xiàn)在線動(dòng)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(gè)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(dòng)完成各高電位電子單元循檢，高壓光纜傳遞信號。純水機(jī)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(dòng)熱穩(wěn)定性好，損耗小，絕緣強(qiáng)度高，散熱好。作為一個(gè)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(bǔ)償電抗器的電流大小，從而達(dá)到動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)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(jī)實(shí)時(shí)監(jiān)控TCR晶閘管運(yùn)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(qiáng)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(shí)也解決了高壓晶管閥工作時(shí)的檢測問題，它能在低壓側(cè)直接運(yùn)算顯示、報(bào)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(bǔ)充電控器的電流，達(dá)到所要求的無功功率。矢量運(yùn)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(yùn)算快，響應(yīng)時(shí)間5～10 ms，觸發(fā)精度≤1個(gè)電角度。

采用用DSP實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償程序投切及繼電保護(hù)，用工控計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償自動(dòng)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(diǎn)及補(bǔ)償效果

無功補(bǔ)償及濾波系統(tǒng)具有動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間快的特點(diǎn)，動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間小于10ms，可實(shí)現(xiàn)平滑調(diào)節(jié);運(yùn)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(dòng)/自動(dòng)轉(zhuǎn)換，分相投切，具有在線動(dòng)態(tài)投切功能，可滿足較平穩(wěn)負(fù)荷的無功補(bǔ)償及諧波濾波，可實(shí)時(shí)跟蹤并自動(dòng)補(bǔ)償無功功率，每臺補(bǔ)償柜具有在線自動(dòng)及手動(dòng)投切功能，實(shí)現(xiàn)無沖擊、低涌流自動(dòng)投切，延長設(shè)備使用壽命;由于采用自動(dòng)投切，不產(chǎn)生過補(bǔ)和避免系統(tǒng)產(chǎn)生諧振。中山中粵基板投入無功補(bǔ)償及濾波系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)電能質(zhì)量的根本優(yōu)化。補(bǔ)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(jì)，每月計(jì)罰6.35萬元，9、10月新增無功補(bǔ)償裝置運(yùn)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(jì)效益，因沒有因功率因數(shù)低而被罰，每月直接經(jīng)濟(jì)效益為6.35萬元，一年效益為76.2萬元。因此，無功動(dòng)態(tài)自動(dòng)補(bǔ)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(yùn)行水平起到積極、重要的作用。

［1］ 靳龍章．電網(wǎng)無功補(bǔ)償實(shí)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(bǔ)償［M］．北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2006，7．