某厂改造工程6kV供电系统无功补偿与谐波治理

刘义友，吴方达，徐芸，刘宾

（1.中钢集团北京国冶锐诚工程公司，北京 100080；2.天津天传电气有限公司，天津 300180；3.北京中电恒盛电力科技有限公司，北京 100029）

1 引言

某轧钢厂是原650开坯车间改造而成的3／4连轧窄带钢－弹扁复合生产线，设计年生产能力只有380000t。为适应公司发展要求，提高产品质量，尽快实现弹扁质量升级换代，同时扩大产品规格范围提高产量，公司决定对这条生产线进行优化改造。

2 系统的组成

改造完成后，该生产线形成由19架轧机组成的全连轧生产线，其中粗、中轧机组之间采用脱头轧制，车间高压供电单线系统图见图1。

全车间用电设备总装机容量约为21915kW，其中直流调速电气设备的安装总容量为16530 kW，高压配电室6kV侧总的计算负荷为：有功功率14318kW；无功功率12781kvar；视在功率19193kV·A；自然功率因数0.75。

由此可见6kV供电系统自然功率因数低于供电部门0.92以上的基本要求，同时由于系统内的直流整流装置将产生大量谐波，故在6kV供电系统内需增设谐波吸收及无功功率补偿装置（FC）。

图1 车间高压供电单线系统Fig.1 Workshop high voltage power supply single line system

36 kV供电系统无功补偿与谐波治理技术方案

3.1 原有情况介绍

用户原有生产线安装一套6kV滤波补偿装置，原滤波装置供货方出具的基本数据见表1。

表1 原有滤波补偿装置技术参数Tab.1 The original filtering compensation equipment technical parameters

根据以上数据及实际运行情况分析，原滤波器在实际运行中出现以下问题。

1）容量设计过大。当时设计基波补偿容量为3813.76kvar，滤波器实际总基波补偿容量4817 kvar。导致部分滤波器无法投入，造成投资浪费。

2）根据负荷特性和实际测试结果看，系统中主要的谐波含量集中在5，7和11次左右，3次不是主要谐波源，没有必要单独加装3次滤波支路，即使加装该次滤波支路，安装容量也不大，主要起到抑制谐波放大的作用。

3）原设备参数中，3次滤波支路配置容量较大，5次滤波支路容量配置较小，容量分配不合理，不能有效滤除谐波，滤波设备长期过载运行，容易损坏元器件，用户为此经常更换熔断器，不能有效运行，造成资源和投资的浪费。

3.2 此次改造方案

在本次改造工程中，将原有两段母线合并为6 kV母线Ⅰ段，新增了6kV母线Ⅱ段和6kV母线Ⅲ段（见图1）。同时对新6kV母线Ⅰ段负荷进行调整，经计算需要补偿的基波无功功率为3100kvar，优先考虑对原有滤波器进行改造以适用于新的6 kV母线Ⅰ段，尽可能降低投资。经过对原有滤波器参数和新供电系统的详细分析计算，经过改造的6kV母线Ⅰ段滤波补偿装置方案见表2。

表2 新6kV母线Ⅰ段滤波补偿装置技术参数Tab.2 New 6kV Ⅰsection bus bar filtering compensation equipment technical parameters

具体方案描述。

1）将原H3改造为H5，更换3台新滤波电抗器。

2）将原H11改造为H7，更换3台新滤波电抗器。

3）将原H7改造为H11，滤波电容器减少一半（1500kvar），将原H11换下的电抗器替换原H7电抗器。

4）保留原H5回路，作为提高功率因数的备用手段，必须与新H5同时使用。

5）更换开关柜二次回路继电器，重新设置保护定值。

6）运行时先投入H5，H7，再投入H11，如果需要进一步提高功率因数，可将H11和原有H5同时投入，同时滤波效果可以完全满足国家标准要求。

7）H5，H7，H11投入后发出基波无功功率3233kvar＞3100kvar，功率因数达到设计要求。

3.3 新增6kV母线Ⅱ段滤波补偿方案

新6kV母线Ⅱ段整流设备较多（见图1），谐波含量大，需要补偿基波无功功率3800kvar，经过分析计算，滤波补偿装置方案见表3。

表3 新6kV母线Ⅱ段滤波补偿装置技术参数Tab.3 New 6kV Ⅱsection bus bar filtering compensation equipment technical parameters

具体方案描述。

1）采用TCK3000高压自动投切控制器，检测负载的变化情况进行综合控制，投切元件为电容器专用高压真空接触器。每个滤波支路设置微机综合保护器。

2）控制回路延时不超过5min，在保证安全的前提下尽可能提高跟踪补偿精度，日平均功率因数＞0.92以上。

3）设备工作期间完全不需要人员干预，每个支路都具备过压、欠压、过流、速断、开口三角电压等保护，同时电容器内置熔断器、放电电阻，柜内还设置过电压保护装置等保护措施，可以确保装置的安全可靠运行。

4）经过仿真计算，滤波效果显著，可以完全满足国家标准要求，同时可发出3814kvar基波无功，满足补偿基波无功功率3800kvar的基本要求。

3.4 新增6kV母线Ⅲ段滤波补偿方案

新6kV母线Ⅲ段主要负载是普通动力设备，谐波畸变较小，经过实测，谐波含量主要集中在5次。同时部分低压母线已配置了补偿设备，6kV母线需要补偿基波无功功率为1100kvar，经过分析计算，滤波补偿装置方案见表4。

表4 新6kV母线Ⅲ段滤波补偿装置技术参数Tab.4 New 6kV Ⅲsection bus bar filtering compensation equipment technical parameters

具体方案描述。

1）由于本母线负荷以动力负荷为主，负荷波动较小，本补偿方案选择DFC固定滤波补偿装置。

2）装置可发出1162kvar基波无功功率，满足补偿基波无功功率1100kvar的基本要求。

46kV供电系统无功补偿与谐波治理装置投运后测试分析

4.1 标准限值

执行标准：国家标准GB／T14549《电能质量－公用电网谐波》。

4.2 FC装置投运前后电能质量数据对比分析

此次电能质量数据测试旨在分析FC装置对生产过程中无功功率补偿和谐波电流进行治理的效果。总的测试时间大约为2d，测试仪器为HIO－KI（日置）3196电能质量测试仪，分别以测试表格和测试曲线等形式获得了大量的数据，本文仅以表格形式列出其中的部分数据进行对比分析。

6kV母线Ⅰ段测试数据如表5、表6所示。

表5 FC装置投入前的实测数据Tab.5 FC device of measured data on before

表6 FC装置投入后的实测数据Tab.6 FC device input of measured data

从表5、表6可看出，未投入FC装置前的时间段内，系统功率因数大约为0.7，开始投入FC后，系统功率因数升至0.9以上，在后续投入过程中一直比较稳定，起到了改善功率因数的作用。

在未投入FC装置前的时间段内，系统5次谐波电压大约为20V，5次谐波电流大约为30 A，开始投入FC后，系统5次谐波电压基本消除，5次谐波电流则降至15A左右；对7次和11次及高次谐波电流也起到同样的滤波效果，总的滤波效果显著，并且在后续投入过程中一直比较稳定，起到了滤除谐波的作用。

6kV母线Ⅱ段及Ⅲ段测试数据与母线Ⅰ段基本相同。

5 结论

FC装置在投入以后，很大程度上提高了电能质量，获得了用户好评。具体体现在以下几个方面：

1）系统无功功率得到补偿，效果明显；

2）系统功率因数得以改善，分别由补偿前的0.7和0.6提高到补偿后的0.9左右；

3）系统谐波得到治理，滤除效果明显，为产品生产的质量和可靠性提供了保障。

4）本工程作为改造项目，充分利用原有设备，为用户节省了投资，性价比较高。

［1］鲍德芝，曹邦和.钢铁企业电力设计手册［M］.北京：冶金工业出版社，1996.

［2］刘国庆，杨庆东.ANSYS工程应用教程：机械篇［M］.北京：中国铁道出版社，2003.

［3］天津电气传动设计研究所.电气传动自动化技术手册［M］.北京：机械工业出版社，2005.