馬 亭

(中國恩菲工程技術(shù)有限公司， 北京 100038)

鋅冶煉廠整流變壓器的補償和消諧分析

馬 亭

(中國恩菲工程技術(shù)有限公司， 北京 100038)

本文針對鋅冶煉廠大量應(yīng)用整流變壓器的背景，分析了無功功率與高次諧波的產(chǎn)生原理和對策，分析和探討了整流變壓器動態(tài)電容補償和消除諧波的三種方法，給出了相應(yīng)方案，并對三種方案進行了比較，得出了有實用價值的結(jié)論。

整流變壓器； 無功功率； 電容補償

1 無功功率與諧波的產(chǎn)生和對策

無功補償中的無功功率，是電網(wǎng)內(nèi)電場與磁場能量的交換，它不對外做功， 凡是有電磁線圈的電氣設(shè)備，要建立磁場，就要消耗無功功率，而電容器則產(chǎn)生無功功率，無功功率和電網(wǎng)的電壓關(guān)系很大，要保證有功功率的傳導(dǎo)，必須先滿足電網(wǎng)的無功功率平衡。

無功功率不消耗電能，只是電場能和磁場能之間相互轉(zhuǎn)換，這種能作為電氣設(shè)備能夠工作的必備條件，并且，在電網(wǎng)中是進行周期性轉(zhuǎn)換。如電磁元件建立磁場占用的電能，電容器建立電場所占的電能，在電感元件中電流滯后于電壓90°(見圖1)，而在電容元件中電流超前電壓90°(見圖2)，這樣將電容器并聯(lián)到一般負(fù)荷上，感性負(fù)荷所需要的無功功率可由電容器輸出的無功功率補償。

感性無功功率：

(1)

圖1 感性無功功率波形圖

容性無功功率：

(2)

圖2 容性無功功率波形圖

電網(wǎng)中的電力負(fù)荷如電動機，變壓器等，大部分屬于感性負(fù)荷， 在運行的過程中需要向這些設(shè)備提供相應(yīng)的無功功率，在電網(wǎng)中安裝并聯(lián)電容器等容性設(shè)備后， 可以供給感性負(fù)荷消耗的部分無功功率，使電網(wǎng)電源少向感性負(fù)荷提供無功功率，即減少無功功率在電網(wǎng)中的流動。因此，可以降低輸電線路因輸送無功功率造成的電能損耗，改善電網(wǎng)的運行條件。

在電力系統(tǒng)內(nèi)，發(fā)電機發(fā)出的功率與用電設(shè)備及送電設(shè)備消耗的功率不平衡，將引起電力系統(tǒng)頻率變化。當(dāng)系統(tǒng)負(fù)荷超過或低于發(fā)電廠的出力時，系統(tǒng)頻率就要降低或升高，系統(tǒng)電壓也會降低或升高。而提高電力系統(tǒng)電壓的有效辦法是，增加發(fā)電機的出力和投入電網(wǎng)中安裝的并聯(lián)電容器。

電弧爐設(shè)備，電氣機車及氣體電光源會在工作中，產(chǎn)生大量非線性的諧波，并且非線性特性十分嚴(yán)重，屬于動態(tài)諧波源。可以產(chǎn)生各種高次諧波和間諧波，是重要的沖擊源和諧波源。

整流變壓器，整流設(shè)備屬于穩(wěn)態(tài)諧波源，穩(wěn)態(tài)諧波源的特點是當(dāng)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中的感性和容性負(fù)荷不變時，注入網(wǎng)絡(luò)中的諧波電流也不變。是對電能質(zhì)量的污染源。但是，與動態(tài)諧波源相比，穩(wěn)態(tài)諧波源對電力系統(tǒng)和其它用戶設(shè)備的危害要輕的多。

對于年產(chǎn)10萬t鋅的冶煉廠，設(shè)有多臺AC110 kV，20 MVA，整流變壓器，每臺整流變壓器有一個AC10 kV的電容補償和消除高次諧波裝置，每套電容補償裝置的電容補償量為5 000 kVAR。整流變壓器將AC110 kV電壓降低后經(jīng)整流柜整流后，以直流電的形式，送入電解車間的電解槽。在整流和電解的過程中，會產(chǎn)生大量的高次諧波，有5次諧波，7次諧波，11次諧波，13次諧波等等，由于在整流和電解的過程中，三相電流是對稱的，所以沒有3次諧波。對于這些諧波，必須消除，進入國家電網(wǎng)的諧波值，一定要滿足國家規(guī)程的允許值。

對整流變壓器的動態(tài)電容補償和消除諧波，一般有三種方法。

(1)智能型自動投切接觸器電容器組TSC+濾波。

(2)智能型晶閘管自動控制電抗器靜止無功補償器SVC+濾波。

(3)智能型靜止同步無功發(fā)生器SVG。

本文將對以上這三種方式進行分析和探討。

2 采用靜止同步無功發(fā)生器SVG進行電容補償和消諧

高壓大功率靜止無功發(fā)生器SVG(見圖3)是當(dāng)今無功補償領(lǐng)域最新技術(shù)的代表，SVG并聯(lián)于電網(wǎng)中，相當(dāng)于一個可變的無功電流源，其無功電流可以快速地跟隨負(fù)荷無功電流的變化而變化，自動補償系統(tǒng)所需無功功率。SVG不再采用大容量的電容電感器件，而是通過大功率電力電子器件的高頻開關(guān)實現(xiàn)無功能量的變換，可以動態(tài)抑制電網(wǎng)電流諧波，使諧波含量極低，補償無功功率功能多樣化，節(jié)約電能，保持接近于1的功率因數(shù)，抑制電壓波動和閃變的能力更強，平衡電網(wǎng)電壓， 加強系統(tǒng)電壓穩(wěn)定性，可消除動態(tài)諧波源造成的三相不平衡。

圖3 靜止無功發(fā)生器SVG示意圖

適用于采用SVG的領(lǐng)域包括遠(yuǎn)距離電力傳輸電網(wǎng)線路，城市二級變電站，區(qū)域電網(wǎng)，風(fēng)電場，軋機，電弧爐，電力機車供電系統(tǒng)，提升機等其它重工業(yè)負(fù)載。以上應(yīng)用領(lǐng)域的電氣設(shè)備都是動態(tài)諧波源，而整流變壓器所帶的電解系統(tǒng)屬于穩(wěn)態(tài)諧波源，如果使用SVG為其進行電容補償和消除諧波，也是可以的，如果甲方有充足的資金，采用SVG的效果將是更好的。但是，如果甲方想節(jié)省資金，就沒有必要采用這樣高檔的SVG了。

3 采用晶閘管控制靜止無功補償器SVC+濾波進行電容補償和消諧

電網(wǎng)電壓質(zhì)量通常以穩(wěn)定性，對稱性及正弦性等指標(biāo)來衡量，隨著現(xiàn)代電力電子設(shè)備等非線性負(fù)荷大量接入電網(wǎng)，使電網(wǎng)供電質(zhì)量受到嚴(yán)重影響。

世界各國目前普遍采用SVC(見圖4)，用以補償無功功率，保持接近于1的功率因數(shù)，消除無功沖擊，濾除高次諧波，對于不對稱負(fù)荷，利用STEINMETZ理論實現(xiàn)分相調(diào)節(jié)，消除負(fù)序電流，平衡三相電網(wǎng)。

圖4 靜止無功補償器SVC示意圖

適用于采用SVC的領(lǐng)域包括遠(yuǎn)距離輸電電網(wǎng)線路，變電站，抑制次同步諧振，融冰，軋機，電弧爐，電氣化鐵路/地鐵，風(fēng)力發(fā)電，提升機等其它重工業(yè)負(fù)載。以上應(yīng)用領(lǐng)域的電氣設(shè)備都是動態(tài)諧波源。

電氣化鐵路使用的交直型電動機車，交直型電氣化鐵路牽引負(fù)荷是典型的單相非線性沖擊負(fù)荷，它對電網(wǎng)的安全穩(wěn)定和經(jīng)濟運行產(chǎn)生嚴(yán)重的不良影響，具體表現(xiàn)在：(1)采用單相供電，產(chǎn)生很大的負(fù)序電流，造成供電電網(wǎng)嚴(yán)重的三相不平衡。(2)產(chǎn)生大量高次諧波，以3，5，7次為主，使電網(wǎng)波形發(fā)生畸變。(3)功率因數(shù)低。(4)對電網(wǎng)沖擊大，影響電能質(zhì)量。目前世界各國解決這一問題的途徑就是在鐵路沿線各供電牽引站安裝SVC系統(tǒng)，通過分相快速補償功能來平衡三相電網(wǎng)，保持供電網(wǎng)絡(luò)電壓平穩(wěn)，無諧波干擾，并提高功率因數(shù)。

而整流變壓器所帶的電解系統(tǒng)屬于穩(wěn)態(tài)諧波源，如果使用SVC為其進行電容補償和消除諧波，效果是更好的。但是，整流變壓器及其電解系統(tǒng)是三相對稱負(fù)載，不需要用SVC平衡三相電網(wǎng)。如果采用SVC的投資，也是較大的。

如果采用SVC進行電容補償和消除諧波，5 000 kVAR電容器，需分成三組，每組由濾波電容器，空芯電抗器，熔斷器和無感電阻器組成，第一組1 500 kVAR，同時消除5次諧波。第二組1 500 kVAR，同時消除7次諧波。第三組2 000 kVAR，同時消除11次諧波。這樣使SVC的電容器起到電容補償和消除諧波的作用。

4 采用自動投切電容器組TSC+濾波進行電容補償和消諧

在工礦企業(yè)中由于大量使用整流器，變頻器，電解槽和冶金用電弧爐等非線性負(fù)荷，在生產(chǎn)過程中產(chǎn)生大量高次諧波注入電網(wǎng)，使電網(wǎng)波形畸變。這種電力公害嚴(yán)重威脅其它電氣設(shè)備的安全運行，TSC+濾波以治理諧波為主，兼作無功補償，不僅能吸收高次諧波，滿足國家標(biāo)準(zhǔn)要求，還能提高功率因數(shù)，節(jié)約電能(見圖5)。

圖5 自動投切電容器組TSC簡圖

TSC+濾波由濾波電容器，空芯電抗器，高壓防擺式熔斷器，無感電阻器，高壓真空斷路器，高壓真空接觸器，10 kV放電線圈，帶電顯示器，高壓氧化鋅避雷器，電流互感器，隔離開關(guān)，高壓控制器，高壓保護器等組成。

圖6 自動投切電容器組TSC示意圖

TSC+濾波裝置，主要適用于穩(wěn)態(tài)諧波源。對于動態(tài)諧波源的效果將會差一些。TSC+濾波裝置的價格比SVC+濾波要低很多，比SCG的價格要低的更多了。所以，采用TSC+濾波的這種裝置是比較經(jīng)濟的。但是，TSC裝置補償后的功率因數(shù)一般只能達到0.92，比SVG和SVC要差很多，為了提高TSC的功率因數(shù)，可以增加5 000 kVAR電容器的分組，將5 000 Kvar電容器分為5組：

(1)第1組，1 000 kVAR，同時消除5次諧波。

(2)第2組，1 000 kVAR，同時消除7次諧波。

(3)第3組，1 500 kVAR，同時消除11次諧波。

(4)第4組，1 000 kVAR，同時消除11次諧波。

(5)第5組，500 kVAR，同時消除11次諧波。

共組成6個高壓開關(guān)柜。

由于TSC裝置，還要兼顧濾波的功能，為了滿足這種要求，必須按順序投入和按順序切除，即投入時，先投入消除5次諧波電容器，再投入消除7次諧波電容器，然后再投入消除11次諧波電容器。切除時，先切除消除11次諧波電容器，再切除消除7次諧波電容器，然后再切除消除5次諧波電容器。

由高壓控制器(DSP數(shù)字信號處理技術(shù)的控制器)控制消除11次諧波的三組電容器的投入，1 500 kVAR，1 000 kVAR，500 kVAR。因此可以形成以下7種組合：

(1)組合1——2 000 kVAR

(2)組合2——2 500 kVAR

(3)組合3——3 000 kVAR

(4)組合4——3 500 kVAR

(5)組合5——4 000 kVAR

(6)組合6——4 500 kVAR

(7)組合7——5 000 kVAR

采用這7種組合的投入和切除，可將整流變壓器的功率因數(shù)補償?shù)?.98左右，這樣就可以解決TSC+濾波裝置，補償?shù)墓β室驍?shù)低的問題。

DSP數(shù)字信號處理技術(shù)為用于實時完成數(shù)字信號處理的微處理器，即高性能，高速度的單片微處理器。它用數(shù)學(xué)方法對數(shù)字信號進行處理，處理包括變化或提取相應(yīng)的信息。經(jīng)典的數(shù)字信息處理，如頻譜分析，信號濾波。這樣的運算，由通用微機處理機來完成。

DSP數(shù)字信號處理控制器通過采集整流變壓器上的電壓，電流信號，并進行傅里葉分析，分析出瞬時的電壓，電流波形和有功功率，無功功率，頻率，功率因數(shù)，有功電度，無功電度，諧波含量柱型圖等參數(shù)，根據(jù)電網(wǎng)系統(tǒng)內(nèi)所缺少的無功功率，自動控制各高壓電容器柜的真空接觸器接通或斷開，從而自動控制電容器的投入或切除。這種根據(jù)負(fù)載的無功功率量進行補償?shù)姆绞?，一般可能將功率因?shù)補償?shù)?.98左右，且不會使功率因數(shù)過補償。

TSC+濾波裝置由進線高壓開關(guān)柜和5個高壓電容器柜組成，進線高壓開關(guān)柜中安裝一個真空斷路器，起到對整個裝置的保護作用：

(1)1#高壓電容器柜安裝一個真空接觸器，控制1 000 kVAR電容器的投切和消除5次諧波；

(2)2#高壓電容器柜安裝一個真空接觸器，控制1 000 kVAR電容器的投切和消除7次諧波；

(3)3#高壓電容器柜安裝一個真空接觸器，控制1 500 kVAR電容器的投切和消除11次諧波；

(4)4#高壓電容器柜安裝一個真空接觸器，控制1 000 kVAR電容器的投切和消除11次諧波；

(5)5#高壓電容器柜安裝一個真空接觸器，控制500 kVAR電容器的投切和消除11次諧波。

TSC+濾波裝置由DSP數(shù)字信號處理控制器，控制各高壓電容器柜上的真空接觸器的投切，當(dāng)整流變壓器的功率因數(shù)降低時，增加電容器的投入，提高功率因數(shù)，且不會過補償。當(dāng)整流變壓器的功率因數(shù)升高時，切除部分電容器，降低功率因數(shù)，使不會過補償。

5 結(jié)論

以上進行了對鋅冶煉廠整流變壓器的動態(tài)電容補償和消除諧波的三種方法分析，總結(jié)三種方法的特點，形成對比表見表1。

表1 鋅冶煉廠整流變壓器的動態(tài)電容補償和消除諧波方法

如果為了節(jié)省資金的投入，采用自動投切接觸器電容器組TSC+濾波的這種裝置為鋅冶煉廠的整流變壓器進行電容補償和消除高次諧波是比較合適的。

Compensation and Harmonic Elimination Analysis of Rectifier Transformer in Zinc Smelter

MA Ting

According to the situation of rectifier transformer widely used in zinc smelter, the paper analyses the generation principle and countermeasures of reactive power and harmonic, discusses the three methods of rectifier transformers dynamic capacitance compensation and harmonic elimination, gives the corresponding program, three options are compared, and gets the practical value of the conclusions.

rectifier transformer； reactive power； capacitance compensation

2015-05-09

馬 亭(1962-)，河南唐河人，大學(xué)本科，工程師，主要從事電氣設(shè)計工作。

TM422

B

1003-8884(2015)05-0022-04