李 飛，安文剛

（西部超導(dǎo)材料科技股份有限公司設(shè)備動(dòng)力部，陜西西安 710018）

0 引言

西部超導(dǎo)材料科技股份有限公司成立于2003 年，公司主要從事高端鈦合金材料、高性能高溫合金材料、超導(dǎo)材料的研發(fā)、生產(chǎn)和銷(xiāo)售，是我國(guó)航空用鈦合金棒絲材的主要研發(fā)生產(chǎn)基地，是目前國(guó)內(nèi)唯一實(shí)現(xiàn)超導(dǎo)線材商業(yè)化生產(chǎn)的企業(yè)，也是國(guó)際上唯一的鈮鈦鑄錠、棒材、超導(dǎo)線材生產(chǎn)及超導(dǎo)磁體制造全流程企業(yè)。主型生產(chǎn)設(shè)備有：真空自耗電弧爐、液壓快鍛機(jī)組、電阻加熱爐、精鍛機(jī)、拉絲機(jī)等。

1 電阻加熱爐對(duì)供電系統(tǒng)的影響

電阻加熱爐在工業(yè)領(lǐng)域被廣泛使用，它功率大、持續(xù)工作時(shí)間長(zhǎng)、使用頻次高，屬于高耗能設(shè)備。且大多通過(guò)可控硅實(shí)現(xiàn)電氣調(diào)功控制，因此會(huì)產(chǎn)生較大的非線性負(fù)載，導(dǎo)致系統(tǒng)諧波電流偏高等電力危害，也產(chǎn)生了一系列不安全因素，嚴(yán)重影響電能質(zhì)量。

近年來(lái)，公司多個(gè)生產(chǎn)線升級(jí)治理、擴(kuò)容，新項(xiàng)目建設(shè)快速推進(jìn)，用電負(fù)荷隨之大幅增加。尤其是電加熱設(shè)備（以電阻加熱爐為主）耗電量占公司總用電量的40%，此類(lèi)設(shè)備在運(yùn)行中所產(chǎn)生的大量諧波、電壓畸變等不安全因素嚴(yán)重降低了電能質(zhì)量，甚至遠(yuǎn)低于國(guó)家電能質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。整個(gè)供電系統(tǒng)的最初設(shè)計(jì)配置已滿(mǎn)足不了用電需求，如：系統(tǒng)無(wú)功補(bǔ)償容量嚴(yán)重不足，功率因數(shù)低，諧波污染嚴(yán)重，供電質(zhì)量明顯下降，設(shè)備故障率高，嚴(yán)重影響供電系統(tǒng)安全運(yùn)行的同時(shí)，也造成電能的浪費(fèi)，亟待治理。

我國(guó)能源形勢(shì)趨向緊張，能源短缺給長(zhǎng)期能源消耗大的機(jī)械加工制造業(yè)帶來(lái)巨大的沖擊。節(jié)能降耗形勢(shì)嚴(yán)峻，制造型企業(yè)走節(jié)能降耗之路是大勢(shì)所趨，也是企業(yè)降本增效的一項(xiàng)基本措施。

2 電能質(zhì)量及國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)概述

2.1 電能質(zhì)量

電力系統(tǒng)中，發(fā)、輸、變、配和用同時(shí)完成，各環(huán)節(jié)連接在一個(gè)系統(tǒng)。由于某種因素導(dǎo)致電力設(shè)備故障或誤操作的電壓、電流或頻率的靜態(tài)偏差和動(dòng)態(tài)擾動(dòng)都統(tǒng)稱(chēng)為電能質(zhì)量問(wèn)題。電能質(zhì)量主要技術(shù)指標(biāo)有：供電電壓允許偏差、電網(wǎng)諧波、三相電壓允許不平衡度、電壓波動(dòng)和閃變、暫時(shí)過(guò)電壓和瞬態(tài)過(guò)電壓和電力系統(tǒng)頻率允許偏差。

2.2 電能質(zhì)量國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中諧波電流和諧波電壓限值（表1、表2）

表1 注入公共連接點(diǎn)的諧波電流允許值（GB/T 14549—1993）

3 電阻加熱爐供電系統(tǒng)電能質(zhì)量檢測(cè)分析

3.1 量測(cè)說(shuō)明

測(cè)量地點(diǎn)：4500 t 鍛造一車(chē)間電阻加熱爐供電系統(tǒng)。

系統(tǒng)主要負(fù)載設(shè)備：鍛造車(chē)間6 臺(tái)電阻加熱爐、鍛造機(jī)輔助電源、水泵、天車(chē)等。

表2 公用電網(wǎng)諧波電壓限值（GB/T 14549—1993）

無(wú)功補(bǔ)償方式：純電容補(bǔ)償，且補(bǔ)償量不足。

電力系統(tǒng)及量測(cè)位置如圖1 所示。

3.2 治理前量測(cè)數(shù)據(jù)

3.2.1 量測(cè)期間基波電流趨勢(shì)（圖2）

3.2.2 量測(cè)期間總諧波電流趨勢(shì)（圖3）

3.2.3 量測(cè)期間5 次諧波電流趨勢(shì)（圖4）

圖1 電力系統(tǒng)及量測(cè)位置

圖2 量測(cè)期間基波電流趨勢(shì)

圖3 量測(cè)期間總諧波電流趨勢(shì)

3.2.4 量測(cè)期間總諧波電壓畸變率趨勢(shì)（圖5）

3.2.5 量測(cè)期間功率因數(shù)趨勢(shì)（圖6）

3.2.6 系統(tǒng)諧波電壓畸變率頻譜（圖7）

3.2.7 系統(tǒng)諧波電流頻譜圖（圖8）

3.3 量測(cè)數(shù)據(jù)分析

為了真實(shí)、有效檢測(cè)系統(tǒng)電能質(zhì)量和科學(xué)分析現(xiàn)有純電容補(bǔ)償設(shè)備的運(yùn)行效果，采取原有補(bǔ)償電容器切離和投入兩種方式。分析結(jié)果如下：

（1）在電容器切離狀態(tài)下檢測(cè)（系統(tǒng)運(yùn)行原始數(shù)據(jù)）。基波電流在2200 A 左右（圖2 量測(cè)期間基波電流趨勢(shì)圖所示）?？傊C波電流在350 A 左右（如圖3 量測(cè)期間總諧波電流趨勢(shì)圖所示），5 次諧波電流在254 A 左右（如圖4 量測(cè)期間5 次諧波電流趨勢(shì)圖所示）。總電壓畸變率在6 %左右（如圖5 量測(cè)期間總諧波電壓畸變率趨勢(shì)圖所示），5 次電壓畸變率3.2%左右（如圖7 系統(tǒng)諧波電壓畸變率頻譜圖所示）。功率因數(shù)0.85 左右（如圖6 量測(cè)期間功率因數(shù)趨勢(shì)所示）。

圖4 量測(cè)期間5 次諧波電流趨勢(shì)

圖5 量測(cè)期間總諧波電壓畸變率趨勢(shì)

（2）采用傳統(tǒng)的純電容補(bǔ)償（或電容器串電抗補(bǔ)償）方式雖然能提高功率因數(shù)，但電容器投入時(shí)，由于系統(tǒng)諧波引起諧振，反而嚴(yán)重放大了系統(tǒng)諧波含量，增大了諧波電流和電壓畸變率。如圖7 系統(tǒng)諧波電壓畸變率頻譜圖和圖8 系統(tǒng)諧波電流頻譜圖所示。

（3）根據(jù)系統(tǒng)運(yùn)行工況，綜合分析檢測(cè)數(shù)據(jù)，系統(tǒng)電壓畸變率和諧波電流含量遠(yuǎn)大于國(guó)標(biāo)GB/T 14549—1993 規(guī)定的限值（電能質(zhì)量國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)體系中諧波電流和諧波電壓限值分別見(jiàn)表1 注入公共連接點(diǎn)的諧波電流允許值和表2 公用電網(wǎng)諧波電壓限值）。系統(tǒng)電能質(zhì)量差，亟待解決。

（4）系統(tǒng)運(yùn)行現(xiàn)狀：因諧波影響，變壓器、電容器、接觸器、線纜等電氣設(shè)備元件運(yùn)行溫度高、故障頻發(fā)、維護(hù)維修成本高，降低了變壓器、電容器等設(shè)備的利用率和使用壽命。而且，系統(tǒng)存在的大量諧波電流造成電能的嚴(yán)重浪費(fèi)。

4 解決方案

綜上所述，經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)分析和系統(tǒng)實(shí)際工況，對(duì)此加熱爐供電系統(tǒng)存在的電能質(zhì)量問(wèn)題，采取無(wú)源濾波（NCSF）+無(wú)功補(bǔ)償綜合治理方案，達(dá)到以下目標(biāo)：

（1）功率因數(shù)由0.85 提高至0.95。

（2）總諧波電流＜150 A，3 次、5 次諧波電流含量符合標(biāo)準(zhǔn)。

（3）電壓總畸變率≤5%。

圖6 量測(cè)期間功率因數(shù)趨勢(shì)

圖7 系統(tǒng)諧波電壓畸變率頻譜

根據(jù)上述檢測(cè)數(shù)據(jù)，經(jīng)計(jì)算，擬采取無(wú)源濾波裝置231 kvar（諧波電流按340 A 計(jì)算），無(wú)功補(bǔ)償容量416 kvar，總輸出容量647 kvar（無(wú)功功率需求約700 kvar）。

5 總結(jié)分析

重新設(shè)計(jì)的電能質(zhì)量治理設(shè)備投運(yùn)后，經(jīng)運(yùn)行檢測(cè)，系統(tǒng)各項(xiàng)電能指標(biāo)較治理之前有明顯改善，完全符合國(guó)標(biāo)規(guī)定。

5.1 治理后系統(tǒng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)

5.1.1 治理后基波電流趨勢(shì)（圖9）

5.1.2 治理后總諧波電流趨勢(shì)（圖10）

5.1.3 治理后5 次諧波電流趨勢(shì)圖（圖11）

5.1.4 治理后總諧波電壓畸變率趨勢(shì)（圖12）

5.1.5 治理后功率因數(shù)趨勢(shì)圖（圖13）

5.1.6 治理后系統(tǒng)諧波電壓畸變率、諧波電流頻譜（圖14）

5.2 治理前后數(shù)據(jù)比對(duì)分析

治理后，再次量測(cè)系統(tǒng)各項(xiàng)電能指標(biāo)。量測(cè)期間系統(tǒng)基波電流在2000 A 左右，如圖9 治理后系統(tǒng)基波電流趨勢(shì)圖所示，與治理前量測(cè)期間系統(tǒng)運(yùn)行工況接近。但在相同工況下，系統(tǒng)諧波電流、電壓畸變率明顯改善，如圖14 治理后系統(tǒng)諧波電壓畸變率、諧波電流頻譜圖所示。

治理后系統(tǒng)總諧波電流如圖10 所示；5 次諧波電流含量大幅降低，如圖11 治理后5 次諧波電流趨勢(shì)圖所示；治理后總諧波電壓畸變率如圖12 所示。治理前后，電能質(zhì)量各項(xiàng)指標(biāo)對(duì)比見(jiàn)表3。

備注：治理前數(shù)據(jù)以系統(tǒng)原始運(yùn)行數(shù)據(jù)為準(zhǔn)（純電容補(bǔ)償切離）。

圖8 系統(tǒng)諧波電流頻譜

圖9 治理后系統(tǒng)基波電流趨勢(shì)

圖10 治理后總諧波電流趨勢(shì)

經(jīng)以上量測(cè)結(jié)果證實(shí)，經(jīng)過(guò)治理，電阻加熱爐供電系統(tǒng)各項(xiàng)電能指標(biāo)明顯改善，優(yōu)于國(guó)標(biāo)規(guī)定，電能質(zhì)量顯著提高，達(dá)到了安全、可靠、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的目標(biāo)。并且產(chǎn)生了客觀的經(jīng)濟(jì)效益和示范效益。

5.3 直接經(jīng)濟(jì)效益

（1）項(xiàng)目實(shí)施后，有效降低系統(tǒng)畸變損耗（如：變壓器銅損、線路損耗、電機(jī)等用電設(shè)備損耗）、無(wú)功功率需求降低、諧波電流大幅降低的同時(shí)系統(tǒng)有效電流減小，節(jié)約電能。

圖11 治理后5 次諧波電流趨勢(shì)

圖12 治理后總諧波電壓畸變率趨勢(shì)

（2）電氣設(shè)備元件故障率降低，提高供電可靠性。減少了備品備件消耗和設(shè)備維修維護(hù)成本。提高了設(shè)備的使用壽命，

（3）設(shè)備利用率大幅提高。尤其是變壓器有效輸出容量較諧波治理前明顯增加。

圖13 治理后功率因數(shù)趨勢(shì)

表3 治理前后數(shù)據(jù)比對(duì)

經(jīng)測(cè)算和評(píng)審，系統(tǒng)畸變損耗節(jié)能效益、電流有效值減少的節(jié)能效益、維修和維護(hù)成本降低的經(jīng)濟(jì)效益、設(shè)備損耗降低的經(jīng)濟(jì)效益等綜合節(jié)能率在8%左右。此加熱爐供電系統(tǒng)年用電量約1300 萬(wàn)kW·h，經(jīng)過(guò)治理，年可節(jié)約電量104 萬(wàn)kW·h，節(jié)約電費(fèi)約70 萬(wàn)元，節(jié)約128 t 標(biāo)準(zhǔn)煤。

圖14 治理后系統(tǒng)諧波電壓畸變率、諧波電流頻譜

5.4 示范效益

項(xiàng)目完成后，保障了企業(yè)內(nèi)部電網(wǎng)安全，減輕電能供應(yīng)壓力，節(jié)省企業(yè)電力消耗，提高設(shè)備運(yùn)行效率，降低直接生產(chǎn)成本，綜合提升供電系統(tǒng)安全、效率和效益。同時(shí)，進(jìn)一步明確和掌握了電阻加熱爐的供用電特性，為企業(yè)后續(xù)的項(xiàng)目建設(shè)提供技術(shù)支持。此種方案在其他的電阻加熱爐供電系統(tǒng)也可得到更好的應(yīng)用。