張建華，劉彩琴，王飛行

（1.華北電力大學(xué)，北京 102206；2.蘭州超高壓公司 750 kV白銀變電站，甘肅 白銀 730900；3.白銀供電公司，甘肅 白銀 730900）

電石加工行業(yè)在國家的建設(shè)和發(fā)展中起著十分重要的作用，隨著科技的不斷進步，大量的電石冶煉爐得到了廣泛的應(yīng)用。但大量的冶煉爐會對用戶電網(wǎng)電能質(zhì)量產(chǎn)生嚴重干擾。因諧波分量高、功率因數(shù)低、供用電設(shè)備發(fā)熱損耗大、電容無功補償設(shè)備故障率高等問題，嚴重影響用戶供用電設(shè)備的安全、經(jīng)濟運行，使得產(chǎn)品的生產(chǎn)成本提高、質(zhì)量下降，影響了行業(yè)的正常發(fā)展。為了解決礦熱爐功率因數(shù)低下的問題，我國目前一般采用電容補償?shù)姆绞?，在補償無功的同時還具有濾除諧波的功能，能夠滿足無功補償?shù)男枰?，?jīng)過濾波，注入電網(wǎng)的諧波也能達到標(biāo)準(zhǔn)。

1 系統(tǒng)和負荷狀況

1.1 電石冶煉爐的生產(chǎn)特性

電石冶煉爐是一種耗電量巨大的工業(yè)電爐。冶煉變壓器一相帶一個大電極,然后直接通到爐子里，電極放電產(chǎn)生的1 900～3 000℃高溫融化蘭碳和生石灰,得到電石。

電石冶煉爐中，由于加熱原料時電爐的三相電極很難同時接觸到高低不平的爐料，使得燃燒不穩(wěn)定，引起三相負荷不平衡而產(chǎn)生諧波電流，經(jīng)變壓器的三角形連接線圈而注入電網(wǎng)，其中主要是27次的諧波，平均可達基波的8%～20%，最大可達45%。冶煉系統(tǒng)電抗的70%是由短網(wǎng)系統(tǒng)產(chǎn)生的，而短網(wǎng)是一個大電流工作系統(tǒng)，最大電流可以達到上萬安培，因此短網(wǎng)的性能決定了礦熱爐的性能，正是由于這個原因，礦熱爐的自然功率因數(shù)很難達到0.85以上，絕大多數(shù)的爐子的自然功率因數(shù)都在0.7～0.8之間，因此提高短網(wǎng)的功率因數(shù)、降低電網(wǎng)不平衡就成了降低能耗、提高冶煉效率的有效手段。通過采取適當(dāng)?shù)氖侄?，提高短網(wǎng)功率因數(shù)，可以降低電耗5%～20%，提高產(chǎn)量5%～10%以上，從而給企業(yè)帶來良好的經(jīng)濟效益，而投入的改造費用將可以在節(jié)約的電費中短期內(nèi)收回。

電石冶煉爐運行時,三相負荷電流嚴重不對稱，嚴重時負序可達正序的50%～60%，熔化期也占20%；含有2、3、4、5、7等次諧波，產(chǎn)生的諧波電流頻譜廣，含有偶次諧波；電弧爐隨機運行在開路—短路—過載狀態(tài)，有很大的功率沖擊，引起PCC母線電壓變動，并伴有電壓閃變問題；電爐變壓器和短網(wǎng)消耗大量無功，因此運行功率因數(shù)非常低，增大電網(wǎng)損耗，降低電壓水平。

1.2 博翔電石廠系統(tǒng)狀況

甘肅博翔電石廠35 kV變電站由110 kV唐臺變電站供電，安裝2臺電石爐變壓器型號分別為HCCSS-16000-35/156和HCCSS-10000-35/143，2007年最大負荷26+j16 MVA，該廠共帶2臺爐變，低壓側(cè)電壓分別為156 V、143 V，目前35 kV母線最小短路容量為52.9 MVA，功率因數(shù)0.86，由于無法從低壓側(cè)采取補償，所以計劃在35 kV側(cè)進行無功補償。

1.3 諧波治理目標(biāo)

該公司計劃對35 kV母線的諧波進行綜合治理，目標(biāo)是35 kV母線電壓諧波達到國家標(biāo)準(zhǔn)限值要求，計量點功率因數(shù)由0.86提高到0.95以上，達到功率因數(shù)調(diào)整電費計費標(biāo)準(zhǔn)要求。

2 諧波治理設(shè)計方案

由于該公司低壓側(cè)電壓分別為156 V、143 V，目前35 kV母線最小短路容量為52.9 MVA，功率因數(shù)0.86，由于無法從低壓側(cè)采取補償，所以計劃在35 kV側(cè)采取無功補償+諧波治理一體化設(shè)計方案。

2.1 濾波方案選擇

（1）靜止式動態(tài)無功功率補償裝置（SVC）方案。特點是無功補償動態(tài)跟蹤好，投資大。用戶暫不作考慮。

（2）有源電力濾波器+固定濾波裝置（APF+FC）方案。特點是補償效果好，響應(yīng)快，但價格相對較高，技術(shù)還不成熟，用戶積極性不大。

（3）無源濾波器FC方案。特點是補償效果中等，價格適中。當(dāng)諧波單次超標(biāo)且需要無功補償一體化時，效果較好。

無源濾波器屬于被動的吸收式濾波，在諧波源比較簡單的系統(tǒng)中，結(jié)合功率因數(shù)補償，選用高性能的濾波電容器，串聯(lián)高線性的濾波電抗器，組合成濾波補償器，在吸收系統(tǒng)中主要的諧波分量時，補償無功功率。無源濾波又分為調(diào)諧和非調(diào)諧2種濾波技術(shù)，調(diào)諧式無源濾波技術(shù)主要為濾波，其效率可達70%，非調(diào)諧式無源濾波技術(shù)是抑制諧波進入電容器，避免諧振。由于無源濾波器的結(jié)構(gòu)簡單、技術(shù)可靠、投資較少，所以應(yīng)用較為廣泛。

濾波器在設(shè)計時要根據(jù)具體測得的超標(biāo)諧波次數(shù)進行選擇設(shè)計，如果是濾除某一單次超標(biāo)諧波，則可以只做一個諧波通道，其原理圖如圖1。

圖1 濾波原理示意圖

如果3、5、7次及以上諧波均超標(biāo)，則需采用多支路濾波器，一般至少設(shè)計4個濾波支路，即3、5、7次和高通濾波通道，高通濾波通道用于吸收11次數(shù)及其以上的各次諧波，其系統(tǒng)接線圖如圖2，具體工程接線可靈活多樣，但為使任一電容擊穿短路電流減小，設(shè)備承受的僅為相電壓，便于分相調(diào)諧等，推薦采用電抗器后置的星形接線，高通濾波器多采用二階減幅型結(jié)構(gòu)，具有基波損耗小、頻率特性好、結(jié)構(gòu)簡單等特點。

經(jīng)過和用戶的一致溝通，確定采用FC“補償+濾波”一體化方案。其接線圖如圖2。

圖2 接線示意圖

2.2 無功補償容量的確定

一般有以下2種方法。

2.2.1 粗略計算

根據(jù)爐變的容量及超負荷（一般設(shè)超載為爐變?nèi)萘康?.5倍，即爐變運行在1.5倍額定負荷）情況以及爐變的功率因數(shù)計算時，爐變的功率因數(shù)可以從爐變的銘牌上查到，也可以粗略設(shè)為0.7～0.8。

2.2.2 實測

在生產(chǎn)正常時即爐變在最大負荷下運行，對線路進行實測，這時不但可以測得線路的有功功率、無功功率、功率因數(shù)，還可以測得線路的各次諧波。這次對電石廠線路治理的各項數(shù)據(jù)都是以實測數(shù)據(jù)為準(zhǔn)。實測數(shù)據(jù)如下（以95%概率）：基波電壓U1=20.913 kV；有功功率P1=24.694 MW；無功功率Q=15.713 Mvar；功率因數(shù) cosφ =0.883；3次諧波電流I3=4.151 A。

35 kV母線PCC點最小短路容量是52.9 MVA，供電設(shè)備容量26 MVA，用戶協(xié)議容量26 MVA。根據(jù)短路容量52.9 MVA，實測3次諧波電流I3=4.151 A，流入系統(tǒng)的3次諧波電流已經(jīng)超過允許值（2.5 A），所以補償裝置做成3次濾波補償裝置，即濾除3次諧波電流又對基波進行補償。

補償前整流裝置功率因數(shù)為0.85左右，補償后要求功率因數(shù)為0.95，計算補償裝置的補償總?cè)萘考s為7.3 Mvar。

系統(tǒng)電壓假設(shè)為Un=38.5 kV，由于諧波電壓的影響，電容器的額定電壓為Uc=2×13 kV，則實際補償容量應(yīng)為

考慮成套裝置的設(shè)計，最終將補償容量確定為9.6 Mvar。

2.3 濾波回路參數(shù)的設(shè)計

根據(jù)上述測量和分析的情況，由于負載變化情況很大，三次諧波電流為4.151 A是主要諧波源，采用三次濾波補償裝置，根據(jù)不同負荷情況，調(diào)節(jié)投入的濾波電容器的容量，即可達到預(yù)期效果。

2.4 濾波效果估算

國家標(biāo)準(zhǔn)對各級電網(wǎng)諧波電壓允許值和注入公共連接點的諧波電流允許值均給出了明確規(guī)定。對于具體用戶，根據(jù)實際電網(wǎng)公共連接點的最小短路容量和用電協(xié)議容量對其允許注入的諧波電流進行換算；濾波器投入前后流入系統(tǒng)的諧波電流測量結(jié)果比較如圖3所示。

接入濾波器后的系統(tǒng)接線如圖4所示。

圖3 濾波器投入前后流入系統(tǒng)的諧波電流比較（35 kV側(cè)）

圖4 無源濾波電容器系統(tǒng)接線圖

3 實施情況及效果分析

3.1 諧波治理及無功補償效果

濾波及補償裝置投入運行后，35 kV側(cè)諧波電壓總畸變率從12.884%降到了3.85%；諧波電流總畸變率從14.1%降到了7.1%，3次諧波電流含有量由6 A降到3.16 A，各次諧波均在國標(biāo)允許值以內(nèi)。系統(tǒng)功率因數(shù)也從0.86提升到了0.96，系統(tǒng)消耗的總無功功率減少了9 600 kvar。

3.2 經(jīng)濟分析

本工程濾波及補償裝置總投資45萬元。濾波及補償裝置投入運行后，可以減少上級電網(wǎng)和變壓器的損耗，提高功率因數(shù)，節(jié)約電費。對于博翔公司，裝置投入運行直接產(chǎn)生的經(jīng)濟效益包括3512唐博線降低的損耗和提高功率因數(shù)節(jié)約的電費。

3.2.1 變壓器降損節(jié)電

3512唐博線型號為LGJ-240,導(dǎo)線長度6.38 km，全年最大負荷耗電時間為4 000 h，線路負荷率0.8，線路每千米電阻為0.4 Ω，導(dǎo)線電阻2.552 Ω，線路無功減少電流I=Q/1.732/UE=158 A，降低損耗254 832 kWh，電價按0.35元/kWh計，節(jié)約電費89 191元。

3.2.2 節(jié)約功率因數(shù)調(diào)整電費

根據(jù)《功率因數(shù)調(diào)整電費辦法》，主變負荷率0.8，當(dāng)功率因數(shù)考核指標(biāo)為0.9，補償前用戶系統(tǒng)的功率因數(shù)為0.86，最大負荷全年耗電時間為4 000 h，則功率因數(shù)罰款電費為+2%；補償后用戶系統(tǒng)的功率因數(shù)為0.96，則功率因數(shù)獎勵電費為0.75%。博翔公司全年需交納的功率因數(shù)調(diào)整電費約為：功率因數(shù)罰款電費500 864元，功率因數(shù)獎勵電費209 664元，合計全年節(jié)約電費：（89 191+500 864+209 664）萬元≈80萬元，投資回收期約為0.6年。

4 結(jié)論

（1）在博翔電石廠35 kV變電站加裝濾波補償裝置后，在不增加用戶投資的情況下，可有效地治理諧波源產(chǎn)生的諧波污染，3次諧波電流由6 A降到3.16 A，濾波效果明顯。經(jīng)過測量，博翔電石廠變電站和電網(wǎng)側(cè)35 kV母線諧波監(jiān)測點各次電壓諧波畸變率和總畸變率達到國家標(biāo)準(zhǔn)。

（2）在電網(wǎng)側(cè)貿(mào)易結(jié)算點，考核功率因數(shù)從0.86提高到0.96，不但不罰款，還有大額的電費獎勵。

（3）濾波裝置的投入有效地改善了供電系統(tǒng)的電能質(zhì)量，穩(wěn)定電網(wǎng)運行水平，提高電網(wǎng)側(cè)變壓器負載能力。

（4）諧波超標(biāo)電石企業(yè)采用“補償+濾波”一體化工程的成功范例，是甘肅電網(wǎng)首次成功實踐，為諧波治理和電石企業(yè)無功補償工程開創(chuàng)了新途徑，對減少設(shè)備故障和損失起到積極作用。

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