馬 亭

(中國(guó)恩菲工程技術(shù)有限公司， 北京 100038)

鋅冶煉廠整流變壓器的補(bǔ)償和消諧分析

馬 亭

(中國(guó)恩菲工程技術(shù)有限公司， 北京 100038)

本文針對(duì)鋅冶煉廠大量應(yīng)用整流變壓器的背景，分析了無(wú)功功率與高次諧波的產(chǎn)生原理和對(duì)策，分析和探討了整流變壓器動(dòng)態(tài)電容補(bǔ)償和消除諧波的三種方法，給出了相應(yīng)方案，并對(duì)三種方案進(jìn)行了比較，得出了有實(shí)用價(jià)值的結(jié)論。

整流變壓器； 無(wú)功功率； 電容補(bǔ)償

1 無(wú)功功率與諧波的產(chǎn)生和對(duì)策

無(wú)功補(bǔ)償中的無(wú)功功率，是電網(wǎng)內(nèi)電場(chǎng)與磁場(chǎng)能量的交換，它不對(duì)外做功， 凡是有電磁線圈的電氣設(shè)備，要建立磁場(chǎng)，就要消耗無(wú)功功率，而電容器則產(chǎn)生無(wú)功功率，無(wú)功功率和電網(wǎng)的電壓關(guān)系很大，要保證有功功率的傳導(dǎo)，必須先滿(mǎn)足電網(wǎng)的無(wú)功功率平衡。

無(wú)功功率不消耗電能，只是電場(chǎng)能和磁場(chǎng)能之間相互轉(zhuǎn)換，這種能作為電氣設(shè)備能夠工作的必備條件，并且，在電網(wǎng)中是進(jìn)行周期性轉(zhuǎn)換。如電磁元件建立磁場(chǎng)占用的電能，電容器建立電場(chǎng)所占的電能，在電感元件中電流滯后于電壓90°(見(jiàn)圖1)，而在電容元件中電流超前電壓90°(見(jiàn)圖2)，這樣將電容器并聯(lián)到一般負(fù)荷上，感性負(fù)荷所需要的無(wú)功功率可由電容器輸出的無(wú)功功率補(bǔ)償。

感性無(wú)功功率：

(1)

圖1 感性無(wú)功功率波形圖

容性無(wú)功功率：

(2)

圖2 容性無(wú)功功率波形圖

電網(wǎng)中的電力負(fù)荷如電動(dòng)機(jī)，變壓器等，大部分屬于感性負(fù)荷， 在運(yùn)行的過(guò)程中需要向這些設(shè)備提供相應(yīng)的無(wú)功功率，在電網(wǎng)中安裝并聯(lián)電容器等容性設(shè)備后， 可以供給感性負(fù)荷消耗的部分無(wú)功功率，使電網(wǎng)電源少向感性負(fù)荷提供無(wú)功功率，即減少無(wú)功功率在電網(wǎng)中的流動(dòng)。因此，可以降低輸電線路因輸送無(wú)功功率造成的電能損耗，改善電網(wǎng)的運(yùn)行條件。

在電力系統(tǒng)內(nèi)，發(fā)電機(jī)發(fā)出的功率與用電設(shè)備及送電設(shè)備消耗的功率不平衡，將引起電力系統(tǒng)頻率變化。當(dāng)系統(tǒng)負(fù)荷超過(guò)或低于發(fā)電廠的出力時(shí)，系統(tǒng)頻率就要降低或升高，系統(tǒng)電壓也會(huì)降低或升高。而提高電力系統(tǒng)電壓的有效辦法是，增加發(fā)電機(jī)的出力和投入電網(wǎng)中安裝的并聯(lián)電容器。

電弧爐設(shè)備，電氣機(jī)車(chē)及氣體電光源會(huì)在工作中，產(chǎn)生大量非線性的諧波，并且非線性特性十分嚴(yán)重，屬于動(dòng)態(tài)諧波源?？梢援a(chǎn)生各種高次諧波和間諧波，是重要的沖擊源和諧波源。

整流變壓器，整流設(shè)備屬于穩(wěn)態(tài)諧波源，穩(wěn)態(tài)諧波源的特點(diǎn)是當(dāng)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中的感性和容性負(fù)荷不變時(shí)，注入網(wǎng)絡(luò)中的諧波電流也不變。是對(duì)電能質(zhì)量的污染源。但是，與動(dòng)態(tài)諧波源相比，穩(wěn)態(tài)諧波源對(duì)電力系統(tǒng)和其它用戶(hù)設(shè)備的危害要輕的多。

對(duì)于年產(chǎn)10萬(wàn)t鋅的冶煉廠，設(shè)有多臺(tái)AC110 kV，20 MVA，整流變壓器，每臺(tái)整流變壓器有一個(gè)AC10 kV的電容補(bǔ)償和消除高次諧波裝置，每套電容補(bǔ)償裝置的電容補(bǔ)償量為5 000 kVAR。整流變壓器將AC110 kV電壓降低后經(jīng)整流柜整流后，以直流電的形式，送入電解車(chē)間的電解槽。在整流和電解的過(guò)程中，會(huì)產(chǎn)生大量的高次諧波，有5次諧波，7次諧波，11次諧波，13次諧波等等，由于在整流和電解的過(guò)程中，三相電流是對(duì)稱(chēng)的，所以沒(méi)有3次諧波。對(duì)于這些諧波，必須消除，進(jìn)入國(guó)家電網(wǎng)的諧波值，一定要滿(mǎn)足國(guó)家規(guī)程的允許值。

對(duì)整流變壓器的動(dòng)態(tài)電容補(bǔ)償和消除諧波，一般有三種方法。

(1)智能型自動(dòng)投切接觸器電容器組TSC+濾波。

(2)智能型晶閘管自動(dòng)控制電抗器靜止無(wú)功補(bǔ)償器SVC+濾波。

(3)智能型靜止同步無(wú)功發(fā)生器SVG。

本文將對(duì)以上這三種方式進(jìn)行分析和探討。

2 采用靜止同步無(wú)功發(fā)生器SVG進(jìn)行電容補(bǔ)償和消諧

高壓大功率靜止無(wú)功發(fā)生器SVG(見(jiàn)圖3)是當(dāng)今無(wú)功補(bǔ)償領(lǐng)域最新技術(shù)的代表，SVG并聯(lián)于電網(wǎng)中，相當(dāng)于一個(gè)可變的無(wú)功電流源，其無(wú)功電流可以快速地跟隨負(fù)荷無(wú)功電流的變化而變化，自動(dòng)補(bǔ)償系統(tǒng)所需無(wú)功功率。SVG不再采用大容量的電容電感器件，而是通過(guò)大功率電力電子器件的高頻開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)無(wú)功能量的變換，可以動(dòng)態(tài)抑制電網(wǎng)電流諧波，使諧波含量極低，補(bǔ)償無(wú)功功率功能多樣化，節(jié)約電能，保持接近于1的功率因數(shù)，抑制電壓波動(dòng)和閃變的能力更強(qiáng)，平衡電網(wǎng)電壓， 加強(qiáng)系統(tǒng)電壓穩(wěn)定性，可消除動(dòng)態(tài)諧波源造成的三相不平衡。

圖3 靜止無(wú)功發(fā)生器SVG示意圖

適用于采用SVG的領(lǐng)域包括遠(yuǎn)距離電力傳輸電網(wǎng)線路，城市二級(jí)變電站，區(qū)域電網(wǎng)，風(fēng)電場(chǎng)，軋機(jī)，電弧爐，電力機(jī)車(chē)供電系統(tǒng)，提升機(jī)等其它重工業(yè)負(fù)載。以上應(yīng)用領(lǐng)域的電氣設(shè)備都是動(dòng)態(tài)諧波源，而整流變壓器所帶的電解系統(tǒng)屬于穩(wěn)態(tài)諧波源，如果使用SVG為其進(jìn)行電容補(bǔ)償和消除諧波，也是可以的，如果甲方有充足的資金，采用SVG的效果將是更好的。但是，如果甲方想節(jié)省資金，就沒(méi)有必要采用這樣高檔的SVG了。

3 采用晶閘管控制靜止無(wú)功補(bǔ)償器SVC+濾波進(jìn)行電容補(bǔ)償和消諧

電網(wǎng)電壓質(zhì)量通常以穩(wěn)定性，對(duì)稱(chēng)性及正弦性等指標(biāo)來(lái)衡量，隨著現(xiàn)代電力電子設(shè)備等非線性負(fù)荷大量接入電網(wǎng)，使電網(wǎng)供電質(zhì)量受到嚴(yán)重影響。

世界各國(guó)目前普遍采用SVC(見(jiàn)圖4)，用以補(bǔ)償無(wú)功功率，保持接近于1的功率因數(shù)，消除無(wú)功沖擊，濾除高次諧波，對(duì)于不對(duì)稱(chēng)負(fù)荷，利用STEINMETZ理論實(shí)現(xiàn)分相調(diào)節(jié)，消除負(fù)序電流，平衡三相電網(wǎng)。

圖4 靜止無(wú)功補(bǔ)償器SVC示意圖

適用于采用SVC的領(lǐng)域包括遠(yuǎn)距離輸電電網(wǎng)線路，變電站，抑制次同步諧振，融冰，軋機(jī)，電弧爐，電氣化鐵路/地鐵，風(fēng)力發(fā)電，提升機(jī)等其它重工業(yè)負(fù)載。以上應(yīng)用領(lǐng)域的電氣設(shè)備都是動(dòng)態(tài)諧波源。

電氣化鐵路使用的交直型電動(dòng)機(jī)車(chē)，交直型電氣化鐵路牽引負(fù)荷是典型的單相非線性沖擊負(fù)荷，它對(duì)電網(wǎng)的安全穩(wěn)定和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行產(chǎn)生嚴(yán)重的不良影響，具體表現(xiàn)在：(1)采用單相供電，產(chǎn)生很大的負(fù)序電流，造成供電電網(wǎng)嚴(yán)重的三相不平衡。(2)產(chǎn)生大量高次諧波，以3，5，7次為主，使電網(wǎng)波形發(fā)生畸變。(3)功率因數(shù)低。(4)對(duì)電網(wǎng)沖擊大，影響電能質(zhì)量。目前世界各國(guó)解決這一問(wèn)題的途徑就是在鐵路沿線各供電牽引站安裝SVC系統(tǒng)，通過(guò)分相快速補(bǔ)償功能來(lái)平衡三相電網(wǎng)，保持供電網(wǎng)絡(luò)電壓平穩(wěn)，無(wú)諧波干擾，并提高功率因數(shù)。

而整流變壓器所帶的電解系統(tǒng)屬于穩(wěn)態(tài)諧波源，如果使用SVC為其進(jìn)行電容補(bǔ)償和消除諧波，效果是更好的。但是，整流變壓器及其電解系統(tǒng)是三相對(duì)稱(chēng)負(fù)載，不需要用SVC平衡三相電網(wǎng)。如果采用SVC的投資，也是較大的。

如果采用SVC進(jìn)行電容補(bǔ)償和消除諧波，5 000 kVAR電容器，需分成三組，每組由濾波電容器，空芯電抗器，熔斷器和無(wú)感電阻器組成，第一組1 500 kVAR，同時(shí)消除5次諧波。第二組1 500 kVAR，同時(shí)消除7次諧波。第三組2 000 kVAR，同時(shí)消除11次諧波。這樣使SVC的電容器起到電容補(bǔ)償和消除諧波的作用。

4 采用自動(dòng)投切電容器組TSC+濾波進(jìn)行電容補(bǔ)償和消諧

在工礦企業(yè)中由于大量使用整流器，變頻器，電解槽和冶金用電弧爐等非線性負(fù)荷，在生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生大量高次諧波注入電網(wǎng)，使電網(wǎng)波形畸變。這種電力公害嚴(yán)重威脅其它電氣設(shè)備的安全運(yùn)行，TSC+濾波以治理諧波為主，兼作無(wú)功補(bǔ)償，不僅能吸收高次諧波，滿(mǎn)足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求，還能提高功率因數(shù)，節(jié)約電能(見(jiàn)圖5)。

圖5 自動(dòng)投切電容器組TSC簡(jiǎn)圖

TSC+濾波由濾波電容器，空芯電抗器，高壓防擺式熔斷器，無(wú)感電阻器，高壓真空斷路器，高壓真空接觸器，10 kV放電線圈，帶電顯示器，高壓氧化鋅避雷器，電流互感器，隔離開(kāi)關(guān)，高壓控制器，高壓保護(hù)器等組成。

圖6 自動(dòng)投切電容器組TSC示意圖

TSC+濾波裝置，主要適用于穩(wěn)態(tài)諧波源。對(duì)于動(dòng)態(tài)諧波源的效果將會(huì)差一些。TSC+濾波裝置的價(jià)格比SVC+濾波要低很多，比SCG的價(jià)格要低的更多了。所以，采用TSC+濾波的這種裝置是比較經(jīng)濟(jì)的。但是，TSC裝置補(bǔ)償后的功率因數(shù)一般只能達(dá)到0.92，比SVG和SVC要差很多，為了提高TSC的功率因數(shù)，可以增加5 000 kVAR電容器的分組，將5 000 Kvar電容器分為5組：

(1)第1組，1 000 kVAR，同時(shí)消除5次諧波。

(2)第2組，1 000 kVAR，同時(shí)消除7次諧波。

(3)第3組，1 500 kVAR，同時(shí)消除11次諧波。

(4)第4組，1 000 kVAR，同時(shí)消除11次諧波。

(5)第5組，500 kVAR，同時(shí)消除11次諧波。

共組成6個(gè)高壓開(kāi)關(guān)柜。

由于TSC裝置，還要兼顧濾波的功能，為了滿(mǎn)足這種要求，必須按順序投入和按順序切除，即投入時(shí)，先投入消除5次諧波電容器，再投入消除7次諧波電容器，然后再投入消除11次諧波電容器。切除時(shí)，先切除消除11次諧波電容器，再切除消除7次諧波電容器，然后再切除消除5次諧波電容器。

由高壓控制器(DSP數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)的控制器)控制消除11次諧波的三組電容器的投入，1 500 kVAR，1 000 kVAR，500 kVAR。因此可以形成以下7種組合：

(1)組合1——2 000 kVAR

(2)組合2——2 500 kVAR

(3)組合3——3 000 kVAR

(4)組合4——3 500 kVAR

(5)組合5——4 000 kVAR

(6)組合6——4 500 kVAR

(7)組合7——5 000 kVAR

采用這7種組合的投入和切除，可將整流變壓器的功率因數(shù)補(bǔ)償?shù)?.98左右，這樣就可以解決TSC+濾波裝置，補(bǔ)償?shù)墓β室驍?shù)低的問(wèn)題。

DSP數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)為用于實(shí)時(shí)完成數(shù)字信號(hào)處理的微處理器，即高性能，高速度的單片微處理器。它用數(shù)學(xué)方法對(duì)數(shù)字信號(hào)進(jìn)行處理，處理包括變化或提取相應(yīng)的信息。經(jīng)典的數(shù)字信息處理，如頻譜分析，信號(hào)濾波。這樣的運(yùn)算，由通用微機(jī)處理機(jī)來(lái)完成。

DSP數(shù)字信號(hào)處理控制器通過(guò)采集整流變壓器上的電壓，電流信號(hào)，并進(jìn)行傅里葉分析，分析出瞬時(shí)的電壓，電流波形和有功功率，無(wú)功功率，頻率，功率因數(shù)，有功電度，無(wú)功電度，諧波含量柱型圖等參數(shù)，根據(jù)電網(wǎng)系統(tǒng)內(nèi)所缺少的無(wú)功功率，自動(dòng)控制各高壓電容器柜的真空接觸器接通或斷開(kāi)，從而自動(dòng)控制電容器的投入或切除。這種根據(jù)負(fù)載的無(wú)功功率量進(jìn)行補(bǔ)償?shù)姆绞?，一般可能將功率因?shù)補(bǔ)償?shù)?.98左右，且不會(huì)使功率因數(shù)過(guò)補(bǔ)償。

TSC+濾波裝置由進(jìn)線高壓開(kāi)關(guān)柜和5個(gè)高壓電容器柜組成，進(jìn)線高壓開(kāi)關(guān)柜中安裝一個(gè)真空斷路器，起到對(duì)整個(gè)裝置的保護(hù)作用：

(1)1#高壓電容器柜安裝一個(gè)真空接觸器，控制1 000 kVAR電容器的投切和消除5次諧波；

(2)2#高壓電容器柜安裝一個(gè)真空接觸器，控制1 000 kVAR電容器的投切和消除7次諧波；

(3)3#高壓電容器柜安裝一個(gè)真空接觸器，控制1 500 kVAR電容器的投切和消除11次諧波；

(4)4#高壓電容器柜安裝一個(gè)真空接觸器，控制1 000 kVAR電容器的投切和消除11次諧波；

(5)5#高壓電容器柜安裝一個(gè)真空接觸器，控制500 kVAR電容器的投切和消除11次諧波。

TSC+濾波裝置由DSP數(shù)字信號(hào)處理控制器，控制各高壓電容器柜上的真空接觸器的投切，當(dāng)整流變壓器的功率因數(shù)降低時(shí)，增加電容器的投入，提高功率因數(shù)，且不會(huì)過(guò)補(bǔ)償。當(dāng)整流變壓器的功率因數(shù)升高時(shí)，切除部分電容器，降低功率因數(shù)，使不會(huì)過(guò)補(bǔ)償。

5 結(jié)論

以上進(jìn)行了對(duì)鋅冶煉廠整流變壓器的動(dòng)態(tài)電容補(bǔ)償和消除諧波的三種方法分析，總結(jié)三種方法的特點(diǎn)，形成對(duì)比表見(jiàn)表1。

表1 鋅冶煉廠整流變壓器的動(dòng)態(tài)電容補(bǔ)償和消除諧波方法

如果為了節(jié)省資金的投入，采用自動(dòng)投切接觸器電容器組TSC+濾波的這種裝置為鋅冶煉廠的整流變壓器進(jìn)行電容補(bǔ)償和消除高次諧波是比較合適的。

Compensation and Harmonic Elimination Analysis of Rectifier Transformer in Zinc Smelter

MA Ting

According to the situation of rectifier transformer widely used in zinc smelter, the paper analyses the generation principle and countermeasures of reactive power and harmonic, discusses the three methods of rectifier transformers dynamic capacitance compensation and harmonic elimination, gives the corresponding program, three options are compared, and gets the practical value of the conclusions.

rectifier transformer； reactive power； capacitance compensation

2015-05-09

馬 亭(1962-)，河南唐河人，大學(xué)本科，工程師，主要從事電氣設(shè)計(jì)工作。

TM422

B

1003-8884(2015)05-0022-04