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無功補償 、諧波治理技術推動設備節能

   鋼鐵企業用電具有負荷功率大 、衝擊性負荷大 、啟動製動頻繁 、非線性負荷容量大等特點 。大型軋機 、電焊機 、電弧爐等設備的運行會使係統電壓發生波動 、三相負荷不平衡 、功率因數降低 、線損增加 ，同時還會向電網注入大量諧波造成汙染 ，引發供用電設備故障 。
    馬鋼集團第四鋼軋總廠用電負荷主要為各種異步電機 、整流變頻裝置 、電弧爐 ，這必然導致電網中無功消耗巨大 ，功率因數偏低 ，非線性設備引起的諧波汙染和電磁幹擾激增。因此 ，對電網進行無功補償和諧波治理，使電網各項指標達到國家標準要求尤為重要 。

科學確定無功補償方式

    補償方式的確定 。無功補償的基本原則是要統籌考慮 、合理布局 、分級補償 、就地平衡 ，總體平衡與局部平衡相結合 ，既要滿足全網的總無功平衡 ，又要滿足各線路 、各開關站的無功平衡 。無功補償點的合理選擇以及補償容量的確定 ，要能夠有效維持係統電網的電壓水平 ，增強係統的電壓穩定性 ，避免遠距離傳輸大量無功而造成的有功網損 。
    目前工程上應用的並聯電容器補償形式主要包括 ：高壓集中補償 、低壓集中補償和分散就地補償 。
    四鋼軋煉鋼 、熱軋 、冷軋3個區域共有19個高壓開關站（含水處理） ，由第二能源總廠1台220kV/110kV/35kV（240MVA）變壓器和1台110kV/35kV（75MVA）變壓器（單供2號LF爐）供電 ，其中煉鋼區域平均負荷為37000kVA左右 ，熱軋為47000kVA左右 ，冷軋為26000kVA左右 。考慮到生產需要 、現場運行環境 、設備維護保養以及減少新區電網無功潮流等實際情況 ，四鋼軋全部31套補償濾波裝置均采用高壓集中補償方式 。
    典型工程實例 。熱軋粗軋開關站II段進線的主要負荷為5台電壓10kV 、功率3150kVA的高壓水除磷泵電機 。根據馬鋼新區電網的統一要求 ，10kV係統根據每一條進線回路考核功率因數（cosφ） ，其功率因數波動範圍須達到0.97到1 。對應此要求 ，粗軋II段進線安裝了一套無功補償裝置 ，安裝容量達6000kvar 。
    在投入補償裝置SC1和SC₂後 ，功率因數明顯提高，假設線路損耗為總電能消耗量的5% ，則僅粗軋開關站II段進線每年就可降低電能損耗100萬餘千瓦時 ，直接節約電費開支50多萬元 ，經濟效益顯著 ，各項經濟指標完全滿足企業和電網的要求 。

諧波治理須從源頭入手

    諧波來源 。第四鋼軋總廠配電網絡中的高次諧波主要有兩個來源 。一是電力電子裝置 ，包括氣體放電光源 、變壓器 、軟啟動設備和IGBT 、IEGT整流逆變設備等 ，其中要數各種整流逆變設備所占比例最大 ，整流電路大都采用晶閘管相控整流電路或二極管整流電路 。整流電路的直流側采用電容濾波的二極管整流電路 ，這種電路輸入電流的基波分量的相位與電源相位大致相同 ，所以基波功率因數接近1 ，但其輸入電流的諧波成分含量卻很大 ，而且在整流設備交流側和直流側都會產生高次諧波 ，給電網造成了嚴重汙染 。另一個諧波主要來源是電弧爐 ，電弧爐諧波主要是由起弧的時延和電弧的嚴重非線性引起的 ，電弧長度的不穩定性和隨機性使其電流諧波頻譜十分複雜 。大型電弧爐在生產過程中 ，負荷電流不斷劇烈地發生變化 ，三相電弧不均衡 ，導致產生三次諧波 ；交流電的正負半周換相 ，石墨電極和鋼水交替作陰極和陽極 ，由於發射電子能力不一樣 ，故電流的正負兩個半周的波形不對稱，造成偶次諧波 ；電弧的電阻值不恒定 ，並且在交流電弧的半個周期中電弧的電阻也在變動 ，造成電弧電流非正弦畸變 。其諧波頻率主要分布在0.1Hz～30Hz ，其中2次 、3次 、5次諧波最為嚴重 ，其平均值可達基波分量的5%～10% ，諧波電流流入電網 ，會使電壓波形發生畸變 ，引起電氣設備發熱 、振動 、保護誤動作等 。
    典型工程實例 。四鋼軋的300噸2號LF爐為超大功率鋼包精煉爐 ，采用35kV電壓等級供電 ，35kV母線的短路容量為526MVA ，根據設計數據 ，LF爐變壓器額定容量為45MVA ，則精煉爐在110kV母線上引起的電壓波動為0.9% ，低於國標允許值 。相比電壓波動而言 ，諧波汙染問題更為嚴重 。根據工程設計方提供的數據 ，可計算出LF爐的諧波電流發生量 。
    為使電能質量達到國家相關標準 ，在2號LF爐建設的同時 ，就配套了一套濾波補償設備 。該設備主要由2次 、3次 、4次 、5次4個濾波通道組成 ，同時預留一路動態補償SVC的TCR入口 。整套裝置投運後可有效濾除高次諧波 ，減少電弧爐對係統造成的無功衝擊以及電壓波動和閃變 。
    從監測結果看 ，加裝濾波裝置後 ，主要各次諧波電流均有效消除或減少 ，降低了設備故障率 。電壓波動 、閃變 、電壓偏差等電網不利因素在濾波補償裝置投運後 ，也得到明顯改善 ，目前電壓波動和閃變已降至較低水平 ，電網電壓非常平穩 ，幾乎不波動 。無功衝擊被有效補償 ，功率因數在生產時可達0.95以上 ，大大降低了生產成本 。
    目前存在的問題 。電力係統不允許無功功率向電網倒送 ，因為無功倒送相當於有一個不受供電部門控製的電源向電網送電 ，會對電網的安全運行構成不穩定因素 。盡管生產廠家都強調自己的設備不會造成無功功率的倒送 ，但是實際情況卻並非如此 。因為對於接觸器控製的補償櫃 ，補償量是三相同時調節的 ，補償量很難做到準確控製 ，這可能在生產負荷處於低穀時造成無功功率嚴重倒送 ，使得電網電壓在某個時段過高 ，甚至過電壓 。無功倒送引起電網無功功率過剩的問題 ，應該予以充分重視 。
    另外 ，無功補償回路中的諧波 ，主要作用於設備的發熱，隻有先治理諧波 ，才能保證補償電容器自身的安全運行 。電網內所裝的電力電容器的主要作用是進行無功功率補償 ，而馬鋼電網內安裝的不少補償電容器還兼有濾波功能 。嚴格來講 ，主要用於係統無功補償的電力電容器不應兼有諧波濾波或其他改善係統諧波的作用 ，應劃清職責範圍 ，不能搞補償 、濾波兼顧 ，以利於設備的安全運行和使用 。