粗银粉冶炼主要负载谐波治理实践

李峻峰

(江西铜业集团公司贵溪冶炼厂，江西贵溪 335424)

1 引言

贵溪冶炼厂一车间金银冶炼工序采用了2台160KW中频炉对粗银粉进行冶炼，浇铸出银阳极板供银电解使用。由于中频电炉的电力电子整流的工作性质，造成该电力系统中含有较大的谐波电流［1-2］，本文主要对中频炉供电系统的谐波含量情况进行描述，并使用有源电力滤波器APF对中频炉供电系统进行谐波治理的效果进行分析。

2 金银冶炼过程中主要负载的电能质量状况

中频炉全名为中频电源加热炉，由(中频)电源和感应加热炉组成，见图1。电源包括整流器、逆变器。整流器是将输入的工频交流电转换为直流，而逆变器则是将直流电转换为加热所需频率的单相交流电。电炉部分是连接逆变电路的负载线圈电路，根据电感性线圈并联或串联电容的形式而分为两种基本的电源形式、电流反馈型并联逆变和电压反馈串联逆变，由此产生谐振来加热工件。

中频电源的输入级一般分为二极管整流和晶闸管整流两种。对于小功率的中频炉输入级常采用二极管整流方案，中大功率的中频炉一般采用晶闸管整流，可控性能更好，但是由于晶闸管整流方式注入系统的谐波电流较大，并且工作过程中无功功率也较二极管整流方式大很多，所以容量较大的中频电炉一般使用6相12脉波整流方式来减小注入系统的谐波电流。通过图2、3可以看出设备输出功率在额定满功率的80～100%时功率因数最大。

图1 中频电炉供电系统图

图2 12脉波整流方式对应各种负载率情况下的功率因数

贵溪冶炼厂一车间粗银粉冶炼生产线使用了两台功率为160 KW的中频加热电炉，使用晶闸管作为整流及逆变元件。通过对中频炉供电的3#变压器(简称炉变)供电系统进行电能质量测试，见图4、5、6(注:黑色为总谐波畸变率、红色为5次谐波畸变率、绿色为7次谐波畸变率):发现在正常工作状态(满功率运行)下，系统谐波电流畸变数据高达22%左右，而且随着负载的波动有所波动。

图3 12脉波整流方式电路拓扑图

图4 炉变A相电流谐波数据变化趋势图

图5 炉变B相电流谐波数据变化趋势图

图6 炉变C相电流谐波数据变化趋势图

由于中频加热电炉采用电感线圈并联电容的形式，在有的炉况下，直流阻抗配合比较小，整流器直流输出电压不一定是最大输出电压，这时候功率因数也可能只有0.8～0.9。图7是3#炉变总进线功率因数变化趋势，电力参数随着工况有所波动，但基本持续在0.9以上，最低情况为0.88，但是持续时间较短:

图7 炉变低压总进线功率因数变化趋势图

所以炉变的电能质量综合治理主要集中在如何高效地进行系统的谐波治理上［3］，而功率因数的补偿可以预留部分容量，根据系统的功率因数实时跟踪补偿，达到功率因数大于0.95、谐波含量小于GB/T14549-93的补偿目标要求。

3 电能质量综合治理效果分析与评估

(1)无功功率分析

金银车间3#变容量为1250kVA，目前功率因数0.91，系统电流900A左右，考虑到最大负载情况，目标功率因数为0.95以上，系统所需无功为:

=40KVAR，考虑一定的余量取100A;

(2)谐波电流分析

金银车间3#变谐波畸变率为20%，系统最大电流约900A左右，则需要的谐波治理容量为:900A×20%=180A，取200A。

图8 有源电力滤波器消除谐波电流示意图

经过详细的电能质量测试与评估，采用一台400V/300A APF对系统的无功和谐波进行动态跟踪补偿和滤除，主动力电缆接入低压总进线柜［4］。该设备的原理见图8，其工作原理是对生产过程中的电流进行监控采样，然后通过设备内部的运算发出与电炉生产过程产生的谐波方向相反、大小相等的补偿电流，达到功率因数补偿和谐波综合治理的功能［5］:

图9、10是有源电力滤波器在现场安装投入运行后，3#炉变的低压总进线的谐波电流从17.2%降低到4.1%的可以忽略的水平［6］。

图11、12是有源电力滤波器在现场安装投入运行后，系统功率因数从0.88提升到0.95左右。

图9 有源电力滤波器补偿前(左)后(右)的系统电流畸变率数据

图10 补偿前后设备人机界面上的电流畸变率数据

图11 有源电力滤波器补偿前(左)后(右)的系统功率因数数据

图12 补偿前后设备人机界面上的主要电力参数对比数据

4 结束语

大量的谐波注入电网系统中，会造成系统损耗增大、设备容量浪费、设备寿命缩减等影响，所以对高谐波供电系统进行谐波综合治理具有重要意义。一车间3#炉变主要负载中频炉是典型的非线性负载，在工作过程中负载变化剧烈，谐波电流和无功功率均具有快速变化的特性。通过投入APF进行电能综合治理实践，使一车间3#炉变的功率因数补偿和谐波治理的参数指标均达到并优于相关行业标准要求，达到了治理的目的。

［1］王兆安等.谐波抑制和无功功率补偿［M］.北京:机械工业出版社.2006:64-67.

［2］李宗，刘中元，周勇.剖析中频炉注入电网的谐波［J］.电气应用，2011，30(8):22-24.

［3］徐斌.浅谈高功率因数中频炉的谐波治理［J］.安徽电力，2008，25(1):27-29.

［4］龙绍清.电能质量·滤波补偿·节能降耗［J］.PQ电能质量，2013(8):50-55.

［5］李德武，齐延章.中频感应电炉产生的谐波及谐波治理［J］.华北电力技术，2010(6):16-20，30.

［6］能源部电力科学研究院.GB/T 14549-93电能质量，公用电网谐波［S］.北京:中国标准出版社，1994.