高低壓濾波補償在礦熱爐上的應用
一、前言
礦熱爐是一種高能耗的電冶煉爐，具有電阻電弧爐的特性。其功率因數是由爐內電弧及電阻R和電源回路中（包括變壓器、短網、集電環、導電顎板及電極）的電阻R和電抗X值的大小來決定。
COSΦ＝（R＋R）／
電阻R電抗X值在礦熱爐運行時，一般不變動，它們取決於短網和電極布置的設計和安裝。電阻R與運行時短網上各載流部件的電流密度有關，變化較小，但電阻R卻是礦熱爐運行時決定礦熱爐功率因數的主要因數。
由於礦熱爐比其它電冶煉爐的電阻弱，故其功率因數相應地也降低些。除了一般小型礦熱爐的自然功率因數能達到0.9以上，而容量在10000KVA以上的中、大型礦熱爐的自然功率因數都在0.9以下，礦熱爐容量越大，功率因數越低。這是由於大容量礦熱爐的變壓器感性負載越大，短網越長，電極插入爐料較深增加了短網的電抗，因而降低了礦熱爐的功率因數。
為了減少電網的損耗，提高供電質量，供電局要求用電企業的功率因數要在0.9以上，否則要對用電企業處以高額罰款。同時功率因數偏低，也會降低礦熱爐的進線電壓，影響電石的冶煉。故目前國內外大容量礦熱爐都要加裝無功補償裝置，以提高礦熱爐的功率因數。
現在投運的無功補償裝置通常以補償裝置的接入點分為下列兩種方式：
1、補償裝置接入礦熱爐變壓器高壓側，稱高壓補償；
2、補償裝置接入礦熱爐變壓器低壓側，稱低壓補償；
上述兩種補償方式的原理都是依據：
有功功率P＝S×COSΦ無功功率Q＝S×SINΦ
視在功率S＝
一次側相電流I＝S／（U1）二次側相電流I＝S／（U2）
補償容量QC＝P×（TGΦ1－TGΦ2）
U1－－－－－－－－－一次側相電壓；
U2－－－－－－－－－－二次側相電壓；
TGΦ1－－－－－－－－補償前功率因數角正切值；
TGΦ2－－－－－－－－補償後功率因數角正切值；
二、無功補償裝置
1、高壓補償
礦熱爐變壓器高壓側電壓一般為10KV、35KV、或110KV。高壓補償又分兩種：一種是直接將補償裝置接於高壓側；另一種是通過補償變壓器接於高壓側。用相應電壓等級的補償裝置（包括電力電容器、開關、電抗器、避雷器、保護等成套設備，下同），直接接入礦熱爐變壓器高壓側（補償裝置接在礦熱爐變壓器進線端），也可以直接在變電站中，單獨或集中補償。其特點是：
1）設備簡單，投資少；
2）補償裝置出現故障時電流不通過礦熱爐變壓器；
3）補償裝置不受礦熱爐變壓器接線變換及礦熱爐其它方麵變化的影響。
2、低壓補償
1）原理
低壓補償是利用現代控製技術和短網技術將大容量、大電流的超低壓電力電容接入礦熱爐的二次側的無功補償裝置。該裝置不僅是無功功率補償原理的*好體現，還可以使礦熱爐的功率因數在較高值運行，降低短網和一次側的無功消耗，消除3次、5次、7次諧波。調平三相功率，提高變壓器的輸出能力。控製的重點使三相功率不平衡度下降，達到三相功率相等。使坩鍋擴大、熱量集中，提高爐麵溫度，使反應加快，達到提高產品質量、降耗和增產的目的。
此技術屬於將原來成熟的就地補償技術應用到礦熱爐的二次低壓側，由電容器產生的無功功率，通過短線路，一部分通過礦熱爐變壓器由係統吸收，另一部分補償礦熱爐變壓器，短網和電極的無功損失，增加了輸入礦熱爐的有功功率。同時采用了分相補償，使礦熱爐內三相電極上的有功功率相等，達到提高功率因數，減小三相功率不平衡和改善生產指標的效果。
2）低壓補償的應用
近幾年了，由於低壓補償技術逐漸成熟，設計日趨完善，體積大為減少，礦熱爐生產廠家，也認識到了其在提高礦熱爐經濟效益方麵顯現的突出性，低壓補償裝置已在礦熱爐變壓器上大量應用。
上海坤友電氣有限公司現以在鐵合金廠安裝一套礦熱爐低壓補償裝置，安裝補償裝置運行情況前後的比較見下表：
序號參數名稱安裝前安裝投運後
1礦熱爐額定容量（KVA）1650016500
2一次側額定電壓（KV）3535
3一次側額定電流（A）272272
4礦熱爐實際運行容量（KVA）2115020732
5一次側運行電壓（KV）3738
6一次側運行電流（A）330315
7二次側運行電壓（V）165176
8電極電壓（V）150170
9二次側運行電流（A）7400068011
10電爐變前功率因數0.710.92
11平均有功功率（KW）1501719073
12平均無功功率（KVAR）148948125
13平均日產量（T）110125
14平均工藝電耗（KWH／T）34003260
15補償係統補償容量（KVAR）6730
16補償係統額定電壓（V）180
17補償係統短網電流（A）28868
從上表數據比較可以看出，安裝了低壓無功補償效果是明顯的。不但實現了高壓補償提高進線電壓的、電網功率因數的目標，而且增加了輸入礦熱爐內的有功功率，達到了礦熱爐節能降耗增加產量的、降低生產成本目的，對提高礦熱爐經濟效益起到實質性作用。根據分析多台安裝低壓無功補償裝置，礦熱爐的生產指標得出：在低壓無功補償裝置投用後，電爐變前的功率因數能達到0.90以上，有些甚至達到0.94，礦熱爐的功率因數也能有很大的提高。在使一次電流電流降低15A左右的同時，有功功率可提高3000KW左右，節能降耗3％以上，增產10％以上，使礦熱爐的運行參數和消耗指標得到很大的改善。
礦熱爐低壓側補償方案
貴公司主要的設備是礦熱爐，礦熱爐是電弧爐的一種，它是以高電阻率的礦石為原料，在工作過程中電極的下部一般是埋在爐料裡麵的，其加熱原理是利用電流通過爐料時，爐料電阻產生的熱量，同時也利用電極和爐料間的電弧產生的熱量來達到冶煉的目的。
礦熱爐其工作期間由於負載的阻值的不規則性，造成電流的非線性流動產生的3、5、7等諧波並存，並且5次含量較大，對係統電能質量影響較大。
通常治理電爐的無功和諧波問題都在變壓器的前側，但往往高壓側隻起到提高功率因數一個目的，而忽略對電爐變壓器的考慮，因而效果不理想。這也是貴公司高壓側補償不理想的原因。上海坤友電氣有限公司曾對礦熱爐在低壓側進行補償，效果很好，運行穩定，不但提高了功率因數，更減輕了電爐變壓器的負擔，減少了線路損耗。使礦熱爐的運行參數和消耗指標得到很大的改善。
上海坤友電氣有限公司多年來在各種複雜的用電環境中，解決了各種較難解決的諧波和功率因數問題，並且從中總結了寶貴的工作經驗。開發出來具有公司獨特的諧波治理和補償的ZRL係列裝置，該裝置具有濾除諧波同時兼顧無功補償兩種作用，並且在諧波特彆嚴重的用電環境中能**、經濟、有效的運行。
根據貴公司所傳的數據，和我公司多年來在此行業總結的經驗，所確定的補償方案如下：
貴公司有3台10000KVA的單相電爐變壓器，根據礦熱爐的工作特性和貴公司提供的測量數據，功率因數按0.78計算，預計安裝後功率因數達到0.98計算，10000KVA的電爐變壓器補償容量為6000KVAR；諧波電壓總畸變率（％）及5次諧波含有率（％）均超過國家標準，根據礦熱爐電流變化較快，建議安裝上海坤友電氣有限公司生產的無觸點式低壓動態無功補償裝置，能夠快速跟蹤投切，達到理想的補償效果。
*終確定安裝目前市場上先進的我公司生產的ZRL－0.22－6000KVAR動態濾波及無功補償裝置3套；即可解決貴公司電爐係統的諧波汙染嚴重及功率因數低的問題。
ZRL動態濾波及無功補償裝置功效
通過抑製和吸收諧波、杜絕諧振的發生、減少損耗、清潔電網、改善係統用電環境。
1、不會出現諧振爆炸現象；。
2、降低配電網的功率損耗、增加電網輸電能力、提高設備利用率；
3、降低用電設備（電機）的能耗，改善運行條件；
4、保護設備、延長設備壽命、減少維修費用；
5、節約電能，提高功率因數，功率因數達到0.92以上；
6、改善電壓質量，保證設備正常運行；。
7、諧波控製在國家標準以內。
效益分析
電爐變壓器低壓側通過上我公司的動態濾波及補償裝置，功率因數由原來的0.78左右提高到0.98，這樣會使電爐原來的負荷電流大幅度的下降，會減少大量的線路損耗，為企業創造大量的經濟效益，以下從幾個方麵說明產生的效益。
一、降低變壓器的占有率：
通過動態濾波及無功補償裝置可降低變壓器的占有率，擴充變壓器容量，充分發揮投資效率，減輕變壓器長期長期超負荷的負擔，為企業創造了較大的效益。
（1）、電爐變壓器的容量為30000KVA，實際運行容量為：30000×115％＝34500，低壓側安裝動態濾波及無功補償裝置前功率因數為0.78左右，安裝後功率因數達到0.98以上。
安裝補償濾波裝置後變壓器的電流下降，從而爐變壓器容量的占有率也下降，減輕了變壓器的負擔，延長了變壓器的使用壽命，減少了日常維護費用。
二、電爐變壓器通過上我公司的動態濾波及無功補償裝置後線路中的無功電流大大減少，從而大大減少了有功損失，降低了變壓器有功損失（銅損）及降低線路損失
變壓器的損耗中的銅損和實際運行電流的平方成正比，所以電流的降低，變壓器的有功損耗一定隨之下降
變壓器銅損及線損降低率
變壓器銅損降低率
線損降低率與變壓器銅損降低率是32％，大大節省了線路損失，減少了係統中的有功損失，節省了電能。
三、治理諧波所產生的效益
濾除諧波，改善用電環境，提高產品質量，確保了設備正常運行
當係統存在諧波時：會增大有功損耗。諧波使設備絕緣強度降低，減少設備的使用壽命。諧波是變壓器產生噪音的重要來源。諧波會增大變壓器，電動機的渦流損失。
由於集膚效應，諧波會增大線路、變壓器的阻值，變成√H倍，這樣大大增加了線路損耗，給企業造成了浪費。通過諧波治理，給企業創造了經濟效益。
四、改善電壓質量
在線路中電壓損失△U的計算如下：
由上式可見，當線路中的無功功率Q減少以後，電壓損失△U也就減少了。從而穩定了線路電壓，提高電壓質量。
五、消除力率電費
電爐變壓器未投用濾波及補償裝置前功率因數平均為0.78左右，功率因數冇有達到國家標準。功率因數0.78時罰款比例為6％，通過安裝上海坤友電氣有限公司公司的動態濾波及補償裝置可消除力率電費。功率因數超過0.9，還會產生獎勵電費。
力率電費＝（電度電費＋基本電費）×6％
通過以上分析，電爐變壓器安裝上海坤友電氣有限公司的動態濾波及無功補償裝置所產生的直接節電率為6％左右，還冇有計算由於改善了電壓質量而延長了設備的使用壽命，減少了設備日常維修費用，提高產品質量，減少投資等間接效益。
