MSVC型動態補償裝置在礦熱爐的應用

2018-02-08 10:24 來源: 打印 掃碼手機看

楊圣利   郭慧

(杭州銀湖電氣設備有限公司,浙江省杭州市     311401

摘要:本文結合礦熱爐的工況分析及測試數據,針對其諧波、無功功率、電壓偏差等電能質量問題,并對典型治理方案進行必選,提出了MSVC型動態補償的優選方案,以改善礦熱爐運行時供電系統的電能質量。

關鍵詞:礦熱爐,無功補償,磁控電抗器,MSVC

一、引言

礦熱爐是電阻電弧爐的統稱。它主要用于還原冶煉礦石,用碳素材料作還原劑,主要生產鐵合金、電石、黃磷。其工作特點是采用碳質或鎂質、高鋁質耐火材料作爐襯,大多數使用自焙碳素電極,根據產品生產特性也有采用石墨電極、再生碳素電極的礦熱爐,如工業硅、黃磷、鈦渣等。電極插入爐料進行埋弧操作,利用電弧能量和電流通過爐料產生的電阻熱來供給礦石還原反應所需能量來冶煉礦石,陸續加料,間歇出爐,連續作業。礦熱爐按產品性質可以分為鐵合金爐、電石爐、黃磷爐,按爐體結構可分為密閉爐、內燃爐、開放爐。

礦熱爐消耗的無功主要是在短網及爐變上,爐子功率越大,功率因數越低,因此需要較大的無功補償容量。

二、測試數據:

1某企業礦熱爐供電系統簡介

某企業110KV配電站于2013年8月正式送電投運,本站雙回110KV進線,雙回110KV線路設計核準負荷為2*125MW,由于一期新建裝機2*25500KVA硅鐵礦熱爐變及8000KVA動力變,總裝機容量59000KVA,故目前只申請一回進線接入送電。礦熱爐整流變基本情況:整流變中壓補償繞組電壓10KV,每臺整流變現在補償容量為17400KVar。由于現場功率因數整體偏低,需要增加電容補償裝置,為了能夠對現場工況的詳細掌握,取得第一手數據,對該企業110KV總進線側進行電能質量測試。

  2、測試數據

 a.電壓相量圖和正弦波形圖

b.電壓曲線

  基波電壓曲線范圍為:112.21KV~115.855KV

c.電流曲線

 

最大值

最小值

348A       

156A(一臺爐變運行,另一臺停運)

 

d.有功功率曲線

有功功率變化范圍為:21MW~54MW

e.無功功率曲線

無功情況:14Mvar-44Mvar

 

 

 

 

 

 

f.功率因數

 功率因數變化范圍:0.58~0.91,平均功率因數0.83。

g.諧波總畸變率

  諧波畸變率最大值1.34%,最小值0.39%,平均值0.655%.

h.  3次諧波電壓

  3次諧波電壓畸變率0.025~0.225%

i.  3次諧波電流

 3次諧波電流4.8A。

j.   5次諧波電壓

5次諧波電壓最大值0.28%。

 

k.  5次諧波電流

 

5次諧波電流最大值3A。

l.  7次諧波電壓

  7次諧波電壓畸變最大值0.45%

m.   7次諧波電流

7次諧波電流最大值1.5A。

n. 11次諧波電壓畸變率

11次諧波電壓畸變率0.3%。

o.  11次電流諧波值

   11次諧波電流值為:0.93A

p.  工頻頻率

工頻變化范圍為:49.957HZ~50.047HZ

3、數據分析和結論

3.1 電壓

  根據《電能質量供電電壓偏差》GB/T12325—2008 ,35KV以上電壓波動范圍絕對值不超過10%,根據測試結果其波動范圍為:112.21KV~115.855KV,可以得出,其波動范圍K為: K=(115.855-112.21)/110=3.3%,即電壓波動滿足要求,電壓合格。

3.2諧波

根據甲方提供數據,短路電流17.4KA,即:短路容量為3315MVA。其基準短路容量為750MVA,所以其系數為:

當電網公共連接點的最小短路容量不同于國標基準短路容量時,按國標GB/T14549-93附錄B給定的方法進行換算,換算公式如下:

                SK1                                    

h                                                                                  

          其系數K值:3315/750=4.42

根據《電能質量 公用電網諧波》GB/T14549—93,統計數據如下:

  諧波

國標值

實測值

是否合格

電壓總畸變

2.0%

1.34%

合格

3次諧波畸變率

1.6%

0.225%

合格

3次諧波電流

42A

4.8

合格

5次諧波畸變率

1.6%

0.28%

合格

5次諧波電流值

42A

3A

合格

7次諧波畸變率

1.6%

0.45%

合格

7次諧波電流值

30.056

1.5A

合格

11次諧波畸變率

1.6%

0.3%

合格

11次諧波電流值

19A

0.93A

合格

從以上測試數據和國標對比可以得知,其諧波電流都沒有超標,滿足國標要求。

3.3功率因數

從測試結果來看,110KV側功率因數長期處于很低的水平,從測試結果看,正常情況下,其波動范圍為:0.58~0.91,平均功率因數0.83,系統對于無功需求量很大。需要增加電容器對其進行補償。

3.4 工頻頻率

從測試數據,工頻變化范圍為:49.957HZ~50.047HZ,根據《電能質量電力系統頻率允許偏差(GB/T15945-1995)》,電力系統正常運行頻率允許偏差值為0.2Hz;當系統容量較小時,其偏差可以放寬到0.5Hz。以0.2HZ偏差為標準,其工頻頻率也是滿足要求的。

4、優化解決方案

4.1、方案必選:

(1)高壓補償。高壓補償接在爐變前端與爐變并聯接在高壓母線上,因此高壓補不會影響爐變。而且隨著現代電容器技術及設計水平的提高,超高壓電容 器裝置已經能做到基本無故障運行。110KV直掛式無功補償在電網及類似礦熱爐中已有較多應用,因此高壓補是最安全可靠的接入方式,但高壓補只能實現功率因數達標不罰款,對節能沒有幫助。

(2)中壓補償。中壓補償接入點為爐變中壓補償繞組,是近幾年隨著爐變容量改大,電源進線升到110kV后大多數廠家采取的方案,這是當初選型時大部分用戶認為110kV電容器難以制造所進入的誤區。近2年的運行經驗表明,中壓補方案造成爐變燒毀的現象十分普遍,事故率高達25%中壓補容易燒毀爐變的原因主要有兩點:一是爐變中壓繞組的容量小于主繞組,其抗短路能力遠小于主繞組,二是補償繞組所接負荷全部是無功負荷,其電流相位角與主繞組基本成90度關系,而一般雙繞組變壓器一,二次之間電流相位角卻是180度,加上補償繞組與高壓繞組在工作時工作部分的繞組在鐵芯高度方向不對稱,因此容易產生沿鐵芯高度方向電動力,久而久之補償繞組沿高度方向產生位移最終絕緣間距不夠引起燒毀。

 因此,中壓補方案雖然成本較低但影響爐變安全運行,所以選擇方案時要慎重。值得一提的是許多人認為中壓補可以補爐變,而事實上雖然中壓補可以減小爐變一次測電流,但增加了補償繞組的電流,兩者抵消后效果是很小的。

(3)低壓補償。低壓補償接入點在短網靠近電極側,從補償效果考慮,由于礦熱爐消耗的無功主要是在短網及爐變上,短網補是最佳接入方案。從短網末端補償電容器時可以達到在同等入爐功率下降低短網及爐變電流從而降低爐變及短網損耗的目的,或者是起到維持爐變及短網電流提高電極電壓及入爐功率的作用,入爐功率提供后通過調整工藝實現增產節電。但大量的運行經驗證明,由于低壓補償靠近爐子,工作環境十分惡劣,現場粉塵大、溫度高,投切開關和電容器損壞率極高,幾乎每年都要更換一批電容器,因此從實際運行效果看,低壓短網補償不僅不能起到良好的補償效果,而且產生極高的維護費用,在大容量爐子補償的方案選擇上,低壓補償基本被淘汰。 

4.2、方案設計:

    根據上述方案必選選擇,本方案采用高壓110KV側接入補償裝置,裝置采用磁控式動態補償裝置(MSVC),具體容量計算如下:

110KV側功率因數較低,2臺爐變正常運行時,其總負荷可以達到54MW左右,電壓值按110KV,其功率因數0.83,目標功率因數0.93,查表可得其補償系數為:0.277kvar/KW。

以最大值54MW計算可以得到:54MW*0.277kvar/KW=14958kvar

根據以上計算,考慮適當裕量,電容器組有效補償取15500KVar,同時考慮到后期增加負荷的備用及10KV側的電容器不穩定時的備用問題,再增加了一套15500kvar的電容器組。

本期110KV側只有一段運行母線,兩臺爐變和動力變在同一條母線上,根據測試數據和考慮到方案的可行性以及節省投資,根據補償容量計算,方案如下:在110KV母線上增設2組實際輸出容量為15500Kvar的電容器組,同時配置一臺25000kvar的磁控電抗器。由于測試出110KV系統中的諧波含量很小且都在國家標準要求范圍內,沒有必要對諧波做出特殊處理,電容器組的串聯電抗器還是按照電抗率12%來設計。其一次主接線見圖1:

                          一次主接線圖

5、MSVC工作原理介紹:

  5.1、磁控式動態補償裝置(MSVC)工作原理:

   補償(濾波)支路經隔離開關或斷路器連接于母線,正常情況下電容器組無需投切,通過調節磁控電抗器的輸出容量(感性無功),實現系統容性無功功率的連續補償。

5.2、磁控電抗器(MCR)工作原理:

磁控電抗器采用直流助磁原理,利用附加直流勵磁磁化鐵心,改變鐵心磁導率,實現電抗值的連續可調,從而調節電抗器的輸出容量,實現無功功率的柔性補償。其內部為全靜態結構,無運動部件,工作可靠性高。

可控電抗器原理接線如圖2所示。在可控電抗器的工作鐵心柱上分別對稱地繞有匝數為的兩個線圈,其上有抽頭比為的抽頭,它們之間接有可控硅,不同鐵心的上下兩個主繞組交叉連接后并聯至電源,續流二極管接在兩個線圈的中間。

 

圖2 磁控電抗器原理接線圖

當電抗器繞組接至電源電壓時, 在可控硅兩端感應出左右電源電壓的電壓。電源電壓正半周觸發導通可控硅,形成圖3(a)所示的等效電路,其中,在回路中產生直流控制電流;電源電壓負半周期觸發導通可控硅,形成圖3(b)所示的等效電路,在回路中形成直流控制電流。一個工頻周期輪流導通,產生的直流控制電流,使電抗器工作鐵心飽和,輸出電流增加。可控電抗器輸出電流大小取決于晶閘管控制角越小,產生的控制電流越強,從而電抗器工作鐵心磁飽和程度越高,輸出電流越大。因此,改變晶閘管控制角,可平滑調節電抗器容量。

(a)導通     (b)導通

圖3晶閘管導通等效

5.3、磁控電抗器的技術優勢

磁控電抗器(MCR)的結構及原理決定了它具有極高的可靠性、運行經濟、使用壽命長、維護簡便等特性。

5.3.1、先進性

(1)磁控電抗器采用多階梯小截面飽和技術與電磁自屏蔽技術,大幅提高了磁控電抗器的性能。

2)通過控制可控硅的控制角進行自動控制,可實現連續可調,并且從最小容量到最大容量的過渡時間很短,響應速度快,因此可以真正實現柔性補償,無須專人值守。

(3)MCR控制系統配備有通訊接口,可與后臺進行通訊,上傳數據及接收指令。

5.3.2、安全可靠性

(1)控制晶閘管端電壓低,僅系統電壓的1%左右,不容易被擊穿,運行穩定可靠。

(2)晶閘管無需串、并聯,不需要均壓、均流保護和同步觸發,控制保護簡單,大大提高了設備的穩定運行性。

(3)即使可控硅或二極管損壞,MCR也僅相當于一臺空載變壓器,不影響系統其它裝置的運行。

(4)MCR不需要外接直流勵磁電源,完全由電抗器的內部繞組來實現自動控制。

5)其內部為全靜態結構,無運動部件,工作可靠性高。

6)MCR為無級調節,能實現無功的連續補償;不會引起電壓波動,不會對系統造成沖擊。

5.3.3、經濟性

(1)MCR勵磁裝置上的可控硅不需要承受高電壓、大電流,安全可靠,發熱量小,自然冷卻即可,無需輔助冷卻設備。

(2)MCR結構簡單,戶外布置即可,占地面積小,基礎投資大大壓縮。

(3)MCR自身有功損耗低。

4MCR本體按免維護設計、使用年限長,可靠性高,運行維護成本低。

(5)MCR對溫度、粉塵等環境因素沒有特殊要求,日常運行可以免維護。

 正是由于MCR具有在可靠性、電壓等級、運行維護簡便等關鍵性能上,較其它可控并聯電抗器具有無可爭議的優越性,將是我國電能質量治理行業,動態無功補償設計與改造的最理想選擇。

 綜述,MCR裝置目前已在各個領域得到了大量的應用及用戶的認可,運行維護簡便且費用低。

7、投運效果

該套裝置由杭州銀湖電氣設備有限公司生產,并已于2015年5月投入運行(見圖4、圖5),補償效果良好,功率因數達到0.93,滿足設計要求,同時裝置運行穩定可靠,基本實現免維護,取得了良好的經濟效益。

                       圖4  磁控電抗器部分

                             圖5 電容器組部分

                                     

8 參考文獻

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【2】菅志強 安鴿 張文軍,礦熱爐無功補償系統分析,《電力電容器及無功補償》2013 , 34 (1) :13-19

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【6】徐政譯,電力系統諧波—基本原理、分析方法和濾波器設計,北京:機械工業出版社,2003.5

【7】Zhang Jian-wen, Cai Xu. Research on Fast Magnetic Valve Controllable Reactor[C]. Power Electronics and Motion Control Conference, 2006. CES/IEEE 5th International, Aug. 2006.

9 作者簡介

楊圣利(1979.10.24—),男,大學本科,電氣工程及其自動化,研究方向:無功補償及諧波治理,助理工程師,現就職于杭州銀湖電氣設備有限公司;

郭慧(1986.12.08—),大學本科,電氣工程及其自動化,研究方向:無功補償及諧波治理,現就職于杭州銀湖電氣設備有限公司。

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