无功补偿兼滤波装置在中频感应炉的应用

李朋

（广东金型重工有限公司，广东佛山528311）

1 引言

中频炉是一种将工频50 Hz交流电变换为中频（300 Hz以上至1 000 Hz）的电源装置，把三相工频交流电整流后变成直流电，再把直流电变为可调节的中频电流供给感应圈，在感应圈中产生高密度的磁力线，并切割感应圈里盛放的金属材料，在金属材料中产生很大的涡流，利用电磁感应原理加热金属。具有加热速度快、生产效率高、氧化脱碳少、节省材料与成本、加热均匀，芯表温差小，温控精度高等特点，在冶金行业广泛应用。但其耗能大，功率因数偏低以及谐波量大等问题，越来越受到企业和电力部门的广泛关注。

2 供电系统

广东省顺德某大型冶炼企业有30 t 中频炉2套，每套中频炉配置2 台9 000 kV·A 的双副边整流变压器（10 kV/1 kV/1 kV，移相±7.5°配对），相当于每套中频炉由依次移相7.5°的4 台4 500 kV·A的整流变压器供电，中频炉电源系统没有配备补偿及滤波装置。2台3 150 kV·A（10 kV/400 V）的动力变压器作为厂区的动力用电，低压侧配备容量1 200 kvar的无功补偿装置。

以上的4 台整流变压器分别由一条10 kV 线路供电，2 台3 150 kV·A 动力变压器由另一条10 kV线路供电。配电系统图见图1。

图1 配电系统图Fig.1 Power system diagram

3 改造前中频炉供电系统主要问题

改造前中频炉供电系统主要问题如下：

1）功率因数仅有0.84左右，达不到供电局要求的0.9，每月调整电费约10～15万元（与用电量多少有关）；

2）整流变压器工作时对同一条10 kV线路的其它用户造成影响，导致其无功补偿柜内电容器鼓包、噪音大、温升增大甚至烧毁；

3）整流变压器自身噪音大，采用油水循环强制冷却，进、出水口的温差较大，可见变压器温度高、发热量大。

4 原因分析

从电力系统来看，每套中频炉有4 套电源分别经过整流、逆变后才并行供电，从一套中频炉来看系统是24脉整流，从整流变压器来看构成12脉整流，大量电力电子元器件（KP管、KK管）的使用必然产生谐波注入变压器，造成变压器噪音大、振动大、温升高；谐波经变压器回到电网又造成同一条10 kV线路其他用户的补偿电容发生谐振，造成电容噪音大甚至损坏，以及保护装置误动作。

中频炉冶炼的整个过程无功功率的消耗基本恒定，但前段负载小、电流波动大，出钢前保温时负载也小，这两段时间功率因数只有0.6左右，虽然中间加热段功率因数达到0.9以上，但整个冶炼过程功率因数也只能达到0.84左右。由于功率因数偏低，大量无功由整流变压器提供，加重了变压器的负担，使冶炼效率下降，调整电费产生。

5 系统改造

中频炉产生谐波电流以5 次、7 次、11 次、13次为主，对其系统测试时，发现5次、7次、11次分别为25%，14%，9%。

根据就近补偿原则，于2011年7月在2 套中频炉低压侧各安装4套低压侧无功补偿兼滤波装置，即每台9 000 kV·A 整流变压器2 个低压出线侧各安装1套。

基波补偿容量计算（以最大额定需求计算）：

谐波补偿容量计算（以滤除75%谐波电流计算）：

式中：S为负荷最大视在功率；νn为n次谐波含量。可以计算各次滤波器的容量，谐波滤波器的补偿容量计算公式为

故中频炉所需的谐波补偿容量为

总的安装容量为

为了方便选择单个电容器的容量且考虑器件的安全裕度，一般在1.2～1.3倍左右最为经济合理（性价比高），那么

因此综合测试情况和对用电系统结构进行综合分析，提高电容器容量选择的简便性，单套安装容量为4 320 kvar。

滤波装置采用高性能真空接触器投切，有效提高投切暂态过程可靠性。MSFGD 装置支路采用5 次+5 次+7 次+11 次高通滤波补偿支路，且依据所测试的谐波含量数据比25%∶14%∶9%接近为2∶1∶1，同时结合工程经验，5次分为2条支路，每支为1 080 kvar，7 次为1 条支路1 080 kvar，11次高通为1 080 kvar，系统参数情况见表1。

表1 系统参数Tab.1 System parameter

续表

装置投运后谐波变化情况见表2。

表2 谐波变化情况Tab.2 harmonic changes

6 装置特点

6.1 设计思路

系统设计的原则为：低成本投入、保障设备安全、节省电费支出、控制回馈电网的谐波在国家要求范围之内。所有支路采用低次先投后切、高次支路后投先切的控制原则，同时为了降低投切对系统电压的不利影响及考虑滤波的精确度、灵敏度，采用真空接触器对系统进行自动投切，降低维护工作量。

6.2 关键元器件的选取

接触器：高性能真空接触器；滤波电容器：主要绝缘材料为国外品牌的单相滤波电容器，使用寿命长、损耗小；滤波电抗器：低损耗铁芯滤波电抗器，温升低、损耗小；每个支路设置3 级过电流保护，保证系统安全运行；每套设置自动和手动运行方式，操作简单。

7 改造后的综合效益

装置投运后可以根据中频炉运行情况依次自动投切相应组数补偿电容，无需手动干预；投运当月4台9 000 kV·A变压器功率因数达到0.95左右。

7.1 经济效益

1）装置于2011年7月投运后调整电费由罚款（正数）变为奖励（负数），见表3。

表3 调整电费情况Tab.3 Plus electricity

2）变压器运行温度下降。同等冶炼状况下，变压器油水循环冷却水进水温度相同，出水温度较改造前下降2°，说明变压器运行温度下降，节省一定电费开支，同时改善了变压器的运行状况，延长了变压器的使用寿命。

3）提高生产效率。装置投运以后，系统电压稳定并较改造前有小幅的提高，提高了生产效率。

4）减少中频炉系统维护成本。装置投运前，由于谐波的存在，中频炉电源系统电容会经常出现鼓包甚至炸裂的情况，投运后情况明显好转，再没有发生电容炸裂的情况，降低了系统维护成本。

7.2 企业综合投资效益

4 台变压器总计改造费用260 万元，以每月调整电费节省15万元计算，17个月收回投资成本。

8 结论

综上所述，中频炉增加无功补偿兼滤波装置具有很高收益，改善了中频炉系统原有设备的运行状况，提高了稳定性和安全性，同时提高了生产效率，每月减少了很大数额的调整电费支出，还有一定的社会效益，投资回报很高，值得在冶炼行业推广使用。

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