自动无功补偿装置在电石炉的应用

李强，付锦东，陆飞(陕西北元集团锦源化工有限公司，陕西 神木 719319)

1 无功补偿装置的工作原理

电网的功率输出有两种：一种是有功功率，通过电能的损耗进行热能、动能、声能等的能量转换，也就是通过电能的消耗进行能量的转换；另外一种则是无功功率，这种功率不进行电能的损耗，而是直接进行形式的转变，但是这是电石炉进行工作的重要基础。由于这一部分的能是在电网里和电能定期转变的，所以称这一部分的功率为无功功率。

无功补偿的工作原理主要是将容性与感性功率负荷的两种装置在同一电路中进行并联，实现两种装置之间的负荷交换。通过这种方式，感性负荷通过容性负荷的无功功率进行补偿。通过无功补偿装置，能够对提升电网里有功功率的占比比率，降低发电以及供电设施的容量，减少资金投入，减少无功的消耗具有重要意义。

在最为接近负载的位置进行运转所需的无功功率的补偿，通过无功功率的供给，扩大系统的容量，提升电能使用效率，减少对变压器的负载与压力，降低对于变压器以及电路的消耗，减少电量的浪费与损耗，对于提高电量使用质量，提高用电装置的工作环境，减少设备使用中的故障发生率以及降低对变压器等装置因损坏形成的更换或维修投入，合计进行经济分配具有重要的意义[1]。安装无功补偿装置具有极大的经济效益：

式(1)～式(3)中：Q为补偿容量，电容器的功率(var)；XL为感抗；f为系统频率，50 Hz/60 Hz；C为电容器容量(μF)；U表示电容器额定电压(kV)。

在进行无功补偿装置的安装之后，公式当中的“XL”就会相应变为“XL-XC”，从而大大减少电能的损耗。

2 电石炉用电特性与无功补偿需求

电石炉的用电系统主要包括线路、变压器、断网以及三相电极等装置以及相配套的继电保护设备、电压电流感应器等。电压低但是电流大的特点致使短网会形成很多无功功率，导致变压器负荷过大，进而炉变功率参数降低，正常情况下会低于0.83，而过低的功率参数会需要缴纳电力罚款。不仅如此，因为单相变压器的过度使用，导致短网长度不同，三相功率出现不协调现象，过多无功功率的流转造成有功的消耗量增加。

为解决上述问题，目前主要是采用现代控制手段以及相应的短网策略，通过在电石炉中接入容量大以及电流大的电容器设备，为电石炉进行无功补偿，进而将功率参数维持在0.92之上，进行无功功率的补偿能够除去谐波、平衡三相功率，对于提升变压器的输出水平具有重要的影响意义[2]。目前我们国家在对电石炉进行无功补偿方面，根据电压的不同等级分为了高压补偿、中压补偿以及低压补偿三种。高压补偿主要是通过在变电所高压母线上装备电容器的方式，进行功率参数改善以及提升的目的。采用这种方式，能够对供电网的网路消耗率减少，进而提升功率参数。但是这种方式只能够对高压母线电源一端的线路进行无功功率的补偿，对变电所或变压器负荷端需要的无功无法进行补偿。并且基本上都是只能够进行静态的补偿，当电流负荷变化较大候，补偿效果不好。中压补偿能够同时对功率参数以及一次侧的电压进行提高，改良运行参数值，而且现在这项方法已经在电石炉中广泛应用，能够把功率参数提升至0.9之上。可是因为电石炉变压器的功率参数并未改变，因此对该行业中低产高能耗的问题依然无法解决。这种方法，通过将无功电流直接对中压线圈产生影响，因此对中压线圈的电流承受能力以及电压承受水平具有较高的需求，所以也称为目前安全隐患较高的补偿方式。低压补偿工作原理是把电容器进行并联接在二次短网上面，将炉膛电弧形成的无功电流通过水冷电线、短网等设备以后和电容器组之间产生无功功率的转换。经过低压补偿设备的安装与使用，能够将单次消耗减少近3个百分点，提高5～15个百分点的产量，还可以将功率参数提升至0.95之上。

3 电石炉自动无功补偿方案设计与应用选择

通过对高、中、低三种无功功率补偿方式的分析，可以发现高压以及中压补偿的方式只能够让企业免于受到电力部门的处罚。但是对实际企业运行以及生产工作并没有较多优势，相反还会因为过电压、谐波等问题形成较大的安全事故隐患，采用低压补偿的方式却能够很好地降低这些问题的发生[3]。低压无功补偿的方法也在不断引起较好的节能效果，被广泛应用到电石炉当中。随着当前科学技术与大数据技术的不断进步与飞速发展，控制手段也得到广泛使用，出现智能化的自动无功补偿装置。该设备使用DSP的处理器，根据功率参数值等情况实现无功功率的自动补偿。

3.1 低压自动无功补偿装置设计综述

在电石炉的低压一侧进行自动无功补偿装置的安装，不仅能够提高电石炉的功率参数值，让其在较高数值范围内运行，还能够保障无功电流可以不通过短网以及变压器，进而减少对短网及一次侧的无功损耗。相比于中压无功补偿方式，具有较强的能源节约以及效果提升的作用。但是相对于其他两种方式，需要进行较高的资金投入。传统的低压无功补偿设备需要依照不同的补偿容量进行相应的电容器投切，非常容易造成补偿设备里边的继电器以及熔断器因为频繁更换而烧坏，进而导致补偿容量的降低。所以经常需要大量的人力进行检修与维修工作，造成一定程度的工作效率不高。但是通过采用自动化的方式，在低压无功补偿装置中添加动态补偿的设施，避免在设备工作过程中频繁的投切行为，既能够满足补偿容量的需求，达到无功功率补偿的作用，还能够在一定程度上提高有关部件的使用寿命。

3.2 自动无功补偿设计原则

首先，在补偿容量的测量应用上，能够匹配三相或者单相的低压电路，通过低压侧电压以及电流的检测，作为设备是否进行电容投切的依据；具有专门的监控软件，能够进行友好的人机互动，并且操作简单，实时展示设备运行状况。其次，在控制方法上，使用可控硅和接触器共同控制的方式，保证在进行电容投切的时候不会出现重燃的行为[4]。在补偿效果上要能够进行自动补偿的同时，将每月的平均功率参数控制到0.92之上。自动控制系统进行无功功率容量的计算与补偿变动，实时对电压以及电流进行监测，计算出补偿容量的大小并进行自动动态调整。

3.3 自动无功补偿容量的计算

无功补偿容量计算：

式中：Qc为需要进行无功功率的补偿体量；S视代表电石炉的视在功率；cosφ1为补偿后的功率参数；cosφ2为补偿之前的功率参数。

因为无功功率的输出数值和电容器电压的平方具有正比例关系，因此在进行低压补偿容量的计算时要注意换算关系。此外，要严格保证无功功率的补偿容量不要超过需求，过量会引发电网安全事故。

3.4 自动无功补偿装置节电设计

通过自动无功补偿装置的使用之后，能够对线路的损耗进行降低是必然的。

根据损耗降低计算公式ΔΡ%=(1-cosφ2/cosφ1)×100%得出，电石炉仅仅依靠自动无功补偿装置形成的电气自身电量节约量并不会很多，因此可以辅助补偿装置来进行电石炉入炉电压的调整，这样能够更高效地提升电石炉的热效应，进一步降低电能的损耗。

4 电石炉自动无功补偿装置应用效果

通过自动无功补偿装置在某企业电石炉中的应用效果来看，成果较为显著。电石炉在进行起弧过程中，使用低压自动无功补偿设备可以将电石炉短网一侧的功率参数提升到0.92。并且在系统稳定运转以及出料的过程中，通过自动无功补偿装置的安装使用并依据实际情况调整后，也能够把电石炉短网一侧的功率参数提升至0.93以及0.89。由此可以看出，在低压侧进行自动无功补偿装置的安装使用，可以在很大程度上对短网一侧的无功功率需求进行补偿，降低整个电石炉系统在工作工程中的无功功率变动。通过电石炉中低压无功补偿装置的安装使用以及相互配合，能对电石炉中电能的质量情况进行有效改善，不仅避免受到电力部门的罚款处罚，还能够进行很好的无功功率补偿效果，为电石炉工作起到较好的推动作用[5]。同时，在本质上提升了企业控制方式的工作水平与能力，降低因维护工作带来的人工浪费，切实提高工作效率，节约能耗，提高产能，减少企业的运营成本，提高电路中的电能使用质量，并且提高企业产品的产量与质量。

5 结语

综上所述，在科学、合理的范围内进行无功补偿装置的使用，对提升电石企业的用电质量，减少电能消耗，抑制谐波具有重要的意义。本文通过分析当前电石炉的用电系统以及无功功率的需求，发现进行低压无功补偿装置的使用，对解决电能损耗，提升无功补偿效果最好。并且详细阐述了自动无功补偿装置的设计，对其应用效果进行了阐述，能够得到良好的无功补偿效果。