工业电气设计中电气节能的应用——冶金矿热炉无功补偿分析

姚冬平

（贵州正业工程技术投资有限公司，贵州 贵阳 550000）

我国是能源消耗的大国，经济发展离不开各种能源，对能源的消耗量和需求量都很大，节能在各行各业、公共设施、民生利用等方面被大众广泛认同。冶金行业属于高能耗行业，其中矿热炉的使用非常普遍，电炉的能耗占了总耗的60%以上，因此改善提高电炉的能耗效率十分重要，国家的产业政策和规定，鼓励通过技术创新和科学改造，达到节能降耗和有效利用资源的要求。下面就冶金矿热炉采用无功补偿技术达到比较好的节能效果进行阐述。

1 概述

冶金矿热炉是一种耗电量巨大的工业电炉，主要由炉壳，炉盖、炉衬、短网，水冷系统，排烟系统，除尘系统，电极壳，电极压放及升降系统，上下料系统，把持器，烧穿器，液压系统，矿热炉变压器及各种电器设备等组成。根据电炉的结构特点以及工作特点，电炉系统电抗约70%是由短网系统产生的，而短网是一种大电流工作的系统，最大电流可以达到几万安培，因此短网的性能决定了电炉的性能，继而决定了冶炼电耗的高低。电炉在生产时特别是工艺技术出现强化冶炼后，电炉过负荷运行状况比较多，这就造成了电炉功率因数偏低，一般都运行在0.65～0.81之间，较低的功率因数不仅使变压器的效率下降，消耗大量的无用功，同时由于电极的控制以及堆料的工艺，极易导致三相间的电力不平衡加大，最高不平衡度可以达到15%以上，导致冶炼效率的低下，单位电耗增高，因此提高电炉短网的功率因数，降低三相不平衡度就成了降低能耗，提高冶炼效率的有效手段。

2 技术原理

矿热炉电弧冶炼的现状是：自然功率因数大都较低，一般不超过0.83，大部分在0.7左右。三相变压器的大量使用，必然使短网布置长度不等，从而导致三相功率不平，无功功率严重占用变压器有效荷载，制约了变压器输送有功的能力，电弧电流产生的无功在炉变和短网上流转，大量增加无功损耗。矿热炉短网低压动态无功补偿装置采用短网无功动态就地补偿技术，在短网末端进行动态、三相分布不等量、就地无功补偿，可有效解决以上问题。无论在提高功率因数、吸收谐波，还是在增产降耗上，都有着高压端补偿无法比拟的优势。

炉前低压无功补偿是降低矿热炉的感抗、提高功率因数、降低冶炼电耗、提高经济效益的有效方法。因为导体内无功电压分量是电流与感抗的乘积，感抗稍有变化，无功电压分量及电炉功率因数将产生较大变化。短网的大电流特征决定了电弧电流产生的大量无功主要以无功电流的形式体现在短网、变压器及供电网路上，从而造成这些电路中大量无功损耗。在短网末端进行补偿，无功电流将直接经低压电容器和电弧形成的回路流过，不再经过补偿点前的短网、变压器及供电网路，在提高功率因数的同时，提高变压器的有功输出率，降低变压器、短网的无功消耗。

3 设计技术方案

3.1 设计原则

自动控制综合补偿是利用现代控制技术与短网技术将大容量、大电流的超低压电力电容器组接入矿热炉二次侧。在设计中主回路、控制回路、检测回路和短网结构遵循分相、就地不等量补偿的原则，设计中遵循重点调平三相有功功率，辅助提高三相和每一相功率因数在0.93左右运行的设计思路，使矿热炉的功率中心、热力中心和炉膛中心相重合，使坩埚扩大、热量集中，反应加快、达到降耗和增产的目的。

3.2 补偿投入点的选择

无功补偿降低的是接入点前的线路无功损耗，根据这一原理，针对矿热炉低压侧短网进行补偿，使补偿点上连接的无功补偿装置既能尽可能多的补偿系统无功，同时要兼顾短网的合理接入，减少冶炼环境及操作维护等不利因素带来的影响。因此二次补偿连接点选在短网与软铜缆的连接点上，滤波补偿系统由滤波电容器、滤波电抗器、投切开关、熔断器、微机保护单元、主监测控制系统等组成。

3.3 无功补偿方案的比较

针对冶金矿热炉企业用电功率因数过低，采取的较经济的无功补偿方式主要有两种：高压侧无功补偿和低压侧无功补偿（主要指短网侧），下面对两种补偿方式分别说明。

1）高压侧无功补偿：由于高压无功补偿的电容器组加装在高压侧，它只作用于接入点之前的线路，满足供电系统对该负荷线路功率因数方面的要求，但不能对从电炉变压器到电极全部二次侧低电压大电流回路的无功功率进行补偿。由于短网的感抗占整个系统感抗的70%以上，因此高压端补偿并没有达到降低短网系统感抗，提高短网功率因数，增加变压器出力的目的。强大的电流在变压器低压侧及短网上形成较大损耗，使变压器和短网发热，造成能源损失，同时，高压端补偿不能解决三相不平衡的问题，不能满足电炉在生产时负荷变化的动态补偿，无法做到提高企业产品产量和降低电耗、矿耗的目的。高压端补偿后尽管电网功率因数提高（可达0.9以上），但电炉低压侧功率因数并无改善，给企业带来的实际收益很小。

2）低压侧（短网处）无功补偿：由于矿热炉企业冶炼电耗所占比重非常大，因此低压侧无功补偿一般针对短网的低压无功补偿。电炉短网采用低压侧就地无功补偿，其电容器组加装在低压侧（接入点越靠近电极，补偿效果越好），它作用于接入点之前的线路，兼顾了一次高压侧和二次低压侧功率因数的补偿问题，可以实现动态补偿，解决了变压器和短网发热问题，能够大幅提高短网端的功率因数，降低电耗，增加产量。低压侧无功补偿从技术上来讲是可靠、成熟的，从经济上来讲，投入和产出是成正比的，给企业带来的实际收益远大于高压端补偿方式。

3）高、低压侧无功补偿方式对比表

注：√表示具有此效果，×表示不具有此效果

4 结语

节能是现代社会整体发展的大形势，加强节能控制可以增加企业的核心竞争力，为企业带来经济效益，从而推动整个社会的经济发展。企业通过技术创新和科学改造，可以达到节能降耗和有效利用资源的要求，采用技术先进、适用性强、成熟稳定的设备，降低企业建设和生产运行成本，提高现代化操作管理水平和生产效率，使企业取得较好的经济效益。工业电气设计在节能降耗上有很大的潜力，工业企业及时做好电气节能工作，可以保证企业长久稳定的发展。在企业建设或技改中电气设计应充分考虑，合理设计，从经济性、可靠性、安全性等多个方面反复论证，选择最节能并且最高效的方案，从而切实有效地帮助企业达到节能的目的。