.JJ‘..J- 月lJ舀 众所周知，铁合金、电石类矿热炉由于其短网电 抗的相对偏大以及低电压、大电流的工艺特性所决 定的无功功率相对较大，运行功率因数较低，导致了 供电部门对企业的罚款或限令停产的处罚，同时还 会造成电炉本身有功功率偏低，产量低，电耗、矿耗 高等工艺指标的低下。 对于正在设计或运行中的矿热炉，改善、提高功 率因数一般采取三个途径:一是合理设计电炉，使电 极直径、炉膛直径、极心圆直径等电炉尺寸与所选配 的矿热炉变压器相匹配。当电炉变压器必须在超载 下工作时才能满足电炉对变压器输送的有功功率的 需要时，电炉及变压器均消耗大量的无功，此时功率 因数非常低;二是选择原料并控制原料粒度、水分 等，同时还必须选择最佳电炉工艺参数和设备参数， 寻求实施最佳运行方式以提高电炉本身的自然功率 因数;三是采用人工补偿方式。电炉一旦建成，则不 易修改，若在保证了工艺要求后功率因数仍不能达 标(低于0.90)，则人工补偿是较为方便的解决问题 的办法。人工补偿最为常见的就是在电炉变压器一 次侧高压母线上接入并联补偿电容器组，即高压补 偿。由于补偿作用只能使接人点之前的线路，供电系 统电网一侧受益，满足供电系统对该负荷线路功率 因数方面的要求，而对冶炼企业来讲，由于从包括矿 热炉变压器绕组，短网铜排，水冷电缆，炉内导电铜 管直至铜瓦、电极的全部二次侧低电压大电流回路 的无功功率得不到补偿，即设备并不能得到电炉产 品产量的提高和电耗、矿耗降低的利益回报，这对于 电费占冶炼成本相当大份额的企业来讲是得不偿失 的。高压补偿无功电流的流径如图1中(a)所示。 针对炉变低压侧短网的大量无功消耗和不平衡 性，兼顾有效提高功率因数而实施无功就地补偿，从 技术上来讲是可靠、成熟的;从经济上来讲，投入和 铁合金 2006年 高压侧 等效阻抗 变压器 等效阻抗 短}刊 等效阻抗 高压侧 等效阻抗 变压器 等效1沮抗 短网 等效阻抗 该彭一象袋洲钾 占日L之，、rl 、、I甲r; (，，，今、、︺ ..1.、卜一丁tles. 擎一年宫一厌 刻厂/--一、中参 霖一本亨从表 目T’、__.’共煞 钡区I一、一一一，厂口 11召 (a)高压补偿(b)短网补偿 ▲计量点图中环路表示无功补偿电流流径 图1矿热炉电气系统等效电路图 Fig.1 Eleetrieal盯stem叫uivalent eireuit diagral刀ofsubtnerged-a比加m毗e 产出是成正比的。在矿热炉低压侧针对短网无功损 耗和布置长度不一致导致的三相不平衡而实施的无 功就地补偿，无论在提高功率因数、吸收谐波，还是 在增产、降耗上，都有着高压补偿无法比拟的优势。 短网补偿如图1中(b)所示。与高压补偿相比，无功 电流流径明显缩短了。通过平衡、提高三相电极向炉 膛的输入功率，从而达到提高产量质量和降低电耗 的目的，为企业在兼顾功率因数、谐波达标的基础 上，进行节能技术改造提供了一个新的思路和途 径。 式中，Cos01为改善前的功率因数;eos丛为改善后的
功率因数。 由子提高了变压器原载荷能力，变压器向炉膛 输入的功率将会增大，为提高日产创造了必要条件， 对一些不能运行在炉变额定档位的炉子来说，更加 具有促进和改善作用。同时由于单位面积上热效应 的提高，还原反应充分，矿耗也将明显下降。另外，低 压无功就地补偿可以使其在炉变低压侧的无功平衡 后达到额定运行状态，其改善后的产量和单耗指标 更为可观，一般增产可达到10%、单耗降低2%- 3%。 1基本原理 2矿热炉短网无功就地补偿容量计算 矿热炉冶炼的原理是利用电弧产生的高温熔化 矿料，在高温下，利用焦炭等还原剂与矿石发生一系 列氧化还原反应生成铁合金、电石等。单位面积上的 热效应是电炉炉况的一个重要指标，因此炉变向炉 膛提供有功功率的大小是重要的指标。功率因数低 时，炉变向炉膛提供的有功功率小，达不到设计指 标，造成电耗、矿耗较高，增加了冶炼成本。此时亚需 对供电线路进行无功补偿，将功率因数提高到国家 规定的0.90或以上，以达到平衡电网无功的目的。 针对电弧炉冶炼而言，无功的产生主要是由电弧电 流引起的，而短网的大电流特征决定了无功主要以 无功电流的形式体现在短网上，从而造成短网上的 有效电压下降冲口低压侧进行无功功率补偿，那么大 量的无功电流将直接经低压电容器和电弧形成的回 路流过，而不再经过补偿点前的短网、变压器及供电 网路，在提高功率因数的同时，提高变压器的有效输 出率，降低变压器、短网的无功消耗。提高变压器的 效率，增加冶炼有效输人功率。如下式: 矿热炉补偿电容器的容量应由以下工程公式计 算得出: Q补=P’(tan必一tan中’)o 式中，口补表示补偿容量，P’为补偿后电炉消耗的有 功功率，tan中，tan少分别表示补偿前后功率因数角 ︺、卜八一︸一气 厂 厂、、 ，，，少，，l刀.，I吸、、、 尸子梦 、、一;一___洲-一沪 图2短网补偿前后有功功率、无功功率变化示意图 八一尸， 尸1 eos氏 eos 81 一1)x 100% Fig. ZActivepowerand reac6钾power variatlon川助。比肠re aod afterg犷id。。pensa石。 第3期 胡启志等矿热炉无功就地补偿技术 的正切值。短网补偿前后功率变化如图2所示。 图2是在保证补偿前后炉变视在容量不变的情 况下做出的，炉变视在容量不变就是一次侧电流在 补偿前后没有变化。Q’为补偿电容器容量。 由于电容器的容量是随着实际工作电压跳的 下降而呈平方关系降容，因此实际补偿容量Q补‘应 比计算容量大。实际补偿容量以如下公式计算: Q补’=口补/(U2/队)2 3矿热炉短网无功就地补偿的优势 低压补偿相对高压补偿而言，低压补偿的优势 主要体现在以下几个方面: 3.1提高变压器、大电流线路利用率，增加冶炼有 效输入功率 从图2可以看出，在炉变视在功率不变的条件 下，向炉膛内输送的有功功率加大了，为增产创造了 必要条件。客观上提高了变压器、短网大电流线路的 利用率。 3.2不平衡补偿，改善三相的强、弱相状况 由于三相短网布置不平衡，三相不同的电压降 导致了强、弱相现象的形成。从理论上讲，炉料的熔 化功率是与电极电压和炉料比电阻呈函数关系，使 用热电偶多次测量多单位面积上的热效应，建立数 学模型，由MATLAB进行系统仿真，得出单位面积 电极电压，均衡三相吃料，改善三相的强、弱相状 况。在补偿后根据炉况调节冶炼档位和相关工艺参 数，使电极作业面积扩大，达到增产、降耗的目的。 从实践上看，最强相的短网最短，其补偿点的相 电压降最大，则其补偿量最大，其余两相次之。由于 三相的补偿容量不均，因此需要设计人员在设计时 充分考虑冶炼电压档位、三相短网的各自压降以及 电抗器压降对电容器运行电压的影响，以确保运行 时在不均衡容量补偿的前提下达到设计值。 3.3降低高次谐波值，减小变压器及网路附加损 耗 对于铁合金行业来说，电弧电流含有部分高次
谐波，经电能质量分析仪测定，高次谐波主要以11、 13、17、19、21、22、23、25次为重，有时会达到17%， 针对低压补偿而言，合理地选择合适比例的电抗器 对电容器长久稳定运行是非常必要的。如不对此加 以限制和吸收，无论对冶炼设备还是补偿装置，都会 产生不利的影响。因此在装置中，笔者根据冶炼的谐 波状况将并联电容器设计成滤波回路。根据公式: Un=In(nXL一XC/n)升O 式中，Un一谐波电压，In一谐波电流，瓜一电抗器 感抗值，Xc一电容器容抗值。 为抑制和吸收n次以上谐波，应使L一C调谐频 率小于n又50Hz。针对11次以上的谐波，我们将调 谐频率分别设计为520 Hz，以吸收或抑制n次以上 谐波。 4加装低压无功补偿的意义 内、︸勺乙11 ﹄﹃l 0 J...2 tJ 10一1 炉膛温度仿真图 temPerature emulation ehart 上的热效应与电压电流系统仿真图如图3所示。 由于强、弱相现象的存在使得三个电极周围的 温度有所差别，极心圆(三个电极中心确定的圆)内 单位面积上的温度相差很大，不利于还原反应的顺 利进行。在三相短网与电极之间相同长度基本相等 点，采取单相并联的方式进行无功补偿，综合调节各 相补偿容量，使三相电极的有效工作电压一致，平衡 冶金行业的功率因数是矿热炉整体电气特性的 重要指标之一，也是影响电炉日产量和电耗的重要 参数。它导致生产厂家电效率低，能耗、矿耗高，生产 率低，同时对电网也不利。成都市新都普庆电器有限 公司本着技术领先、节能降耗的原则，开发研究矿热 炉低压二次补偿的节能新技术，在四川省渠县锦弘 电冶有限公司6.3 MVA电炉上成功地进行了补偿， 取得了非常好的经济效益。为广大高耗能企业提供 了节能增效的新技术。加装低压补偿装置具有以下 作用: 4.1提高功率因数、增加有功功率、提高产量、增 加效益 炉变长期超负荷运行，加装补偿后，炉变在不过 载的情况下，还能增产10%。降低了炉变及短网的 运行震动及噪声，提高了主设备的运行寿命。 降低了高压线损，提高了一次电压和电极电 压。使电炉在系统电压较低的情况下仍能正常运 行。 4.2降低了单位电耗、矿耗 4.3避免了因功率因数低造成的电力罚款 4，4降低了谐波影响，改善了系统电参数，提高了 电能质量 5低压补偿技术的实际运用 矿热炉低压补偿技术是随着低压电容器的发展 而逐渐发展起来的一项就地补偿技术。应用低压无 功就地补偿时须注意以下方面: 5.1电容器选择 自愈、锌银喷镀的电容器是低压补偿技术的首 选，但在薄膜材料、厚度、填充材料以及外壳
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