包金國

（北京思能達(dá)節(jié)能電氣股份有限公司，河南 鄭州 450001）

1 礦熱爐的節(jié)能原理

礦熱爐電氣系統(tǒng)主要由冶煉變壓器、短網(wǎng)、電極和熔池四部分組成。交流電流分別由三根電極導(dǎo)入爐內(nèi)，電流經(jīng)電極與電極間的爐料在電極下方產(chǎn)生電弧，在電弧高溫作用下，爐料產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)生成各種化合物比如硅鐵、電石、單晶硅等等。冶煉變壓器、短網(wǎng)部分是感性負(fù)載，需耗掉大量的無功功率。而無功的損耗又需要消耗有功，不僅影響產(chǎn)品的質(zhì)量與產(chǎn)量，并且使冶煉變壓器的使用效率降低，產(chǎn)品能耗升高[1]。如果在電極和短網(wǎng)之間通過并聯(lián)電容組對(duì)無功進(jìn)行補(bǔ)償，那么，就可以提高功率因數(shù)，減小線損，提高電極對(duì)地電壓，從而達(dá)到節(jié)能減耗的目的，這就是下面重點(diǎn)所講的無功補(bǔ)償中的低壓并聯(lián)電容器補(bǔ)償?shù)墓ぷ髟怼?/p>

2 無功補(bǔ)償?shù)姆绞?/h2>

根據(jù)電工基本知識(shí)知道，功率因數(shù)COSθ=R／，R是爐子電阻。包括四個(gè)部分：變壓器電阻、電流網(wǎng)路電阻、爐料電阻和熔池電阻。X是爐子電抗，包括三方面：變壓器電抗、設(shè)備電抗和爐內(nèi)電抗。要提高COSθ，一是要提高電阻R。但如果提高變壓器電阻、電流網(wǎng)路電阻，只能使導(dǎo)體變熱，損失的功率增加，使電效率降低，因此，這兩部分要盡量降低，所以要提高R只能從工藝上采取措施來提高熔池電阻和電爐爐料電阻；二是要降低爐子電抗，占主導(dǎo)地位的電爐變壓器二次側(cè)電流回路中設(shè)備的電抗值占總電抗值的60%～70%，因此電爐變壓器的電抗應(yīng)盡可能低。在電爐工藝參數(shù)和設(shè)備參數(shù)已定的情況下，要有效提高系統(tǒng)的功率因數(shù)，最有效的辦法就是增加電力電容器無功補(bǔ)償。對(duì)電爐來說，無功補(bǔ)償有三種方式，高壓補(bǔ)償、中壓補(bǔ)償和低壓補(bǔ)償。

高壓補(bǔ)償是在電爐變壓器一次側(cè)接入并聯(lián)串接10KV電容器組進(jìn)行功率因數(shù)補(bǔ)償，它能降低供電線路電能損失，釋放供電設(shè)備容量，減少線路壓降，滿足供電部門對(duì)功率因數(shù)的要求。高壓補(bǔ)償?shù)膬?yōu)點(diǎn)是補(bǔ)償電壓高、電流小、電容器利用率高，一般情況下為固定容量補(bǔ)償，運(yùn)行穩(wěn)定，缺點(diǎn)是不能減少補(bǔ)償接入點(diǎn)后端的電爐變壓器繞組和短網(wǎng)部分無功功率，對(duì)企業(yè)的增產(chǎn)、節(jié)能并無實(shí)際意義[2]。

中壓補(bǔ)償?shù)膬?yōu)點(diǎn)與高壓補(bǔ)償相似，但由于補(bǔ)償接入端是電爐變壓器中壓補(bǔ)償端子，主要的無功補(bǔ)償容量來自變壓器，而并非從電網(wǎng)獲得。因此，在大中型電爐變壓器中，中壓補(bǔ)償具有不可忽視的經(jīng)濟(jì)效益。

低壓補(bǔ)償是在電爐變壓器低壓二次側(cè)短網(wǎng)最靠近電極的地方接入電容器組進(jìn)行分相動(dòng)態(tài)補(bǔ)償。由于接入點(diǎn)位于無功損耗和電壓損失最大的電流回路上，不但能提高整個(gè)供電系統(tǒng)的功率因數(shù)，還對(duì)提升電極電壓、減少電能損失、增加產(chǎn)量、平衡三相功率有著十分明顯的作用。

3 礦熱爐低壓無功補(bǔ)償?shù)膽?yīng)用

低壓補(bǔ)償不是一項(xiàng)簡(jiǎn)單的電工技術(shù)，需要針對(duì)不同的電爐系統(tǒng)了解電爐工藝參數(shù)、短網(wǎng)結(jié)構(gòu)和壓降，選擇合適的接入點(diǎn)，充分認(rèn)識(shí)補(bǔ)償設(shè)備運(yùn)行環(huán)境，科學(xué)計(jì)算補(bǔ)償容量，選擇合理控制方式，避免投切涌流和操作過電壓，選擇合適配比的電抗器抑制諧波對(duì)電容器造成發(fā)熱的致命影響，否則低壓補(bǔ)償設(shè)備將不能正常運(yùn)行。

現(xiàn)以某電石廠的一臺(tái)礦熱爐為例，說明通過低壓無功補(bǔ)償方式來提高電爐的功率。這臺(tái)礦熱爐其冶煉變壓器容量為5000kVA，一次側(cè)電壓為10KV，二次側(cè)電壓為100V，功率因數(shù)為0.90-0.91，爐子運(yùn)行情況比較穩(wěn)定。為了進(jìn)一步降低能耗，我們?cè)诘蛪簜?cè)采取電容器補(bǔ)償?shù)霓k法來提高電極對(duì)地電壓，將功率因數(shù)提高到0.94-0.95。

3.1 選擇合適的補(bǔ)償位置

在電極之前的短網(wǎng)、變壓器感性負(fù)載需要消耗大量的無功，測(cè)試資料表明[2]，短網(wǎng)部分消耗的無功占總量的70%。在一次電壓一定的情況下，電極對(duì)地電壓的大小與感性負(fù)載消耗的無功多少有直接關(guān)系，如果在變壓器二次側(cè)進(jìn)行補(bǔ)償，那么補(bǔ)償?shù)臒o功只有一小部分補(bǔ)給了變壓器，而大部分則通過變壓器補(bǔ)給了10kv的高壓線路，短網(wǎng)消耗的無功并沒有得到有效補(bǔ)償，對(duì)用電企業(yè)來說是不劃算的。因此，我們將補(bǔ)償點(diǎn)選在電極與短網(wǎng)之間。

3.2 確定補(bǔ)償容量

一般情況下，補(bǔ)償后的功率因數(shù)不要超過0.95，否則就會(huì)存在過補(bǔ)現(xiàn)象，影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性。根據(jù)理論計(jì)算及借鑒成功的經(jīng)驗(yàn)[3]，選定整個(gè)補(bǔ)償容量798kvar（三相)，換算成電容器只數(shù)，共228只容量為3.5kvar的電容器，因?yàn)?個(gè)電極在物理上的分布為非完全對(duì)稱，短網(wǎng)的長短也不同，因此實(shí)際布置為兩相，一相80只電容器，一相68只電容器。確定電容器長期運(yùn)行電壓時(shí)，應(yīng)使電容器的額定電壓和接入點(diǎn)的實(shí)際運(yùn)行電壓接近或相等，充分發(fā)揮電容器的無功輸出，同時(shí)需要考慮電容器投入運(yùn)行后可能會(huì)導(dǎo)致電壓升高。實(shí)際運(yùn)行中，由于一次側(cè)電壓有時(shí)高于10kv，使二次側(cè)電壓可能會(huì)達(dá)到106V左右。因此，以運(yùn)行中可能出現(xiàn)的最高電壓的1.1倍作為電容器的額定工作電壓，可以保證電容器在可能出現(xiàn)的最高電壓下長期運(yùn)行。因此，確定低壓電容器額定電壓為120V，額定電流30A。

3.3 組成補(bǔ)償系統(tǒng)需要的硬件

低壓并聯(lián)電容器補(bǔ)償系統(tǒng)主要由電容柜、控制柜和控制臺(tái)等組成，信號(hào)檢測(cè)、手、自動(dòng)投切電容器的功能通過一臺(tái)OMRON SYSMAC C60PLC完成[4]，集成在控制臺(tái)內(nèi)。每2面電容柜、1面控制柜組成一組，分成3個(gè)單相對(duì)稱分布在3根電極的上方。柜子下方是一個(gè)整體的風(fēng)道，通過每面電容柜上配置的風(fēng)機(jī)將熱量散發(fā)到空氣中。

3.4 控制方式

結(jié)合礦熱爐的工作流程和考慮到對(duì)電容器的保護(hù)，在電容器投入操作之前，一定要檢測(cè)電容器兩端的電壓、溫度、風(fēng)機(jī)電源、斷路器及各電極電流等狀態(tài)，在確保電容器兩端工作電壓小于額定電壓的110%、各電極電流都處于穩(wěn)定工作、電容器的溫度、風(fēng)機(jī)電源及斷路器的工作電源正常后。按順序分相延時(shí)投入電容器組，同時(shí)投入風(fēng)冷設(shè)備；反之，在上述任一條件不能滿足的情況下，不能執(zhí)行投入操作。當(dāng)電容器組投入運(yùn)行后，如發(fā)生風(fēng)機(jī)電源故障、電容器溫度超出范圍、斷路器工作故障或電極工作狀態(tài)不穩(wěn)定時(shí)，經(jīng)適當(dāng)延時(shí)后，應(yīng)把三相電容器組和風(fēng)機(jī)同時(shí)切除，并投入放電電阻。

3.5 運(yùn)行配合

低壓無功補(bǔ)償設(shè)備投入運(yùn)行后，電石爐的運(yùn)行工況發(fā)生明顯變化，電極電流與爐變高壓側(cè)電流不再成正比例，電極電流變?yōu)闋t變低壓側(cè)電流與低壓補(bǔ)償電容器電流的矢量和，爐變高壓側(cè)的電流變化已不能正確反應(yīng)出電石爐電極的電流變化情況，應(yīng)改為測(cè)量爐變輸出的有功功率，更好的方法是在電極處安裝電流互感器，直接測(cè)量電極電流，正確指導(dǎo)電極的操作。

結(jié)論

理論和實(shí)踐表明，要提高礦熱爐的生產(chǎn)效率，達(dá)到節(jié)能降耗的目的，應(yīng)該針對(duì)不同的情況采取不同的無功補(bǔ)償方式，本文闡述的低壓補(bǔ)償?shù)难a(bǔ)償效果雖好，但要受電爐各種復(fù)雜因素的影響，實(shí)施的技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)較大，投資大但收益最高。

[1]金修海 趙宗保.低壓并聯(lián)電容器補(bǔ)償在礦熱爐上的應(yīng)用.工業(yè)加熱，2002：5-6.

[2]李建國 李興波 楊樹明.淺談礦熱爐無功補(bǔ)償及實(shí)踐.機(jī)械工業(yè)出版社，2005：12-14.

[3]劉寶林 電氣設(shè)備設(shè)計(jì)手冊(cè).中國水利水電出版社，1998:23-25.

[4]崔立軍 變壓器理論與設(shè)計(jì).科學(xué)技術(shù)文獻(xiàn)出版社，1994:45-46.