鋼鐵企業的功率因數和無功補償方式選擇

張渝南

[摘要]結合鋼鐵企業的情況,表述鋼鐵企業功率因數現狀和無功補償方式。

[關鍵詞]鋼鐵企業 功率因數 無功補償

中圖分類號:TF0文獻標識碼:A文章編號:1671-7597(2009)0920035-02

鋼鐵企業中有大量的感性負荷,因此鋼鐵企業的自然功率因數比較低,這樣造成的影響有:降低了系統發電機的輸出有功功率、降低了變電和輸電設施的供電能力、增加了供電網絡的損耗、增加了輸電線路的電壓降。鑒于功率因數的高低對發、供、用電設備的充分利用、節約電能和改善電壓質量有著重要影響。為了提高用電用戶的功率因數并保持其均衡,按原水利電力部、國家物價局(83)水電財字第215號文件中規定,“功率因數標準0.90,試用于160千伏安(千瓦)以上的高壓供電工業用戶(包括社隊工業用戶)、裝有帶負荷調整電壓裝置的高壓供電電力用戶3200千伏安及以上的電力排灌站…”,并且在以0.90為標準的功率因數調整電費表中,對0.90以上的功率因數減少電費,對0.90以下的功率因數增加電費。由以上可看出,提供功率因數不僅對電力系統,對鋼鐵企業的經濟運行有重大意義。

在考慮提高功率因數時,應首先提高企業用電設備的自然功率因數,當采取設施后還達不到電力部門的要求時,才考慮人工補償。

一、提高鋼鐵企業自然功率因數的措施

鋼鐵企業無功功率消耗,一般感應電機占70%,變壓器占20%,線路占10%。因此提供鋼鐵企業的功率因數,應從降低感應電機無功損耗和降低變壓器無功損耗著手:

(一)降低感應電機的無功損耗

1.提供電機的負載率,使其接近滿載運行。根據感應電機的性能和特性,感應電機的功率因數、效率與負荷率的關系,見圖1。

由圖1可以看出,感應電機的最高效率,一般在3/4負載至滿載期間出現,而功率因數則在滿負荷時最高,因此使用適當容量的電機,使其接近滿載運行,不但能節約用電,而且可以提高功率因數,降低無功損耗。在鋼鐵企業中,選擇電機容量時,一般是按電機最大出力的情況下,考慮了一定的余度,又將電機額定容量靠上一級的標準容量,因此在實際運行時電機很少運行在滿載情況,甚至經常運行在50%負載率或更低的情況。這就需要設計院在設計時就要選擇合適的電機,使電機能經濟合理地運行。

2.降低輕負載感應電機的電壓

感應電機降壓運行后,因降低了磁通,無功功率顯著減少。不同負載時,改變電機電壓對功率因數的影響見圖2。由圖2可看出,降壓運行對電機功率因數的改變具有很明顯的改善。但由于電機電壓與輸出轉矩的平方成正比關系,降低電機定子電壓后,會使電機的輸出轉矩降低很多,所以對輕負載電機才能采用這種方式。降低感應電機的電壓有兩種方式:降低電機的電源電壓;改變電機的內部接線。

3.用同步電機代替感應電機

同步電機與感應電機相比,同步電機轉速恒定不變,與負載大小沒有關系;而且同步電機的功率因數可以調節,能夠在cosφ=1的情況下運行;在運行中還可以調節勵磁電流,使同步電機在超前功率因數情況下運行,從而改善整個電網的功率因數,這是感應電機不能做到的。

過去由于同步電機的啟動問題不能很好解決,而且勵磁電流還需要直流電源,因而限制了同步機的應用,隨著工業的發展,同步電機采用了異步啟動,又采用了可控硅整流裝置作為勵磁電源,使同步電機的應用廣泛起來。在鋼鐵企業中有一些大型的電動機往往是采用的同步電機,例如:高爐鼓風站的鼓風機、制氧站的氧壓機、燒結廠的燒結機等等,這些電機都有不需要調速、負載平穩、且長期運行的特點,采用同步機后能很好地改善鋼鐵企業的功率因數。

(二)降低變壓器的無功損耗

變壓器的無功功率損耗包括兩個方面:一個是空載無功損耗;另一個是負載無功損耗。要控制變壓器的無功損耗必須要做到:避免變壓器輕載運行,切除空載運行的變壓器。

1.變壓器的無功損耗與變壓器本身的空載電流和短路阻抗有關,因此為了降低變壓器的無功損耗,在選擇變壓器時,首先應選擇低損耗的變壓器,其次變壓器的有功和無功損耗與變壓器的負載率有關,變壓器的負載率與功率因數關系見圖3。

圖3表示變壓器的二次側功率因數維持不變,而負載率變化時,一次側功率因數的變化情況。可見,負載率越低,通過變壓器以后,一次側功率因數下降得越低。根據國內電網運行經驗,為了節約有功損耗,降低無功功率在電網中的環流,提高功率因數,變壓器的負載小于30%時,都應更換成較小容量的變壓器;變壓器的負載率為30%～60%時,經過技術經濟比較后,再決定是否需要更換變壓器,負載超過60%是正常的,不需要更換。

在鋼鐵企業中,為了保證電力系統可靠運行,各工藝設施和公輔設施的變壓器均按100%備用容量設置,即當一臺變壓器故障或檢修時,其余的變壓器能滿足100%負荷容量要求,當僅設置2臺變壓器時,正常運行時每臺變壓器就只有50%的負載率,有時考慮了擴建的余度,變壓器的負載率只有30%～40%是較常見的情況。針對這種情況,經過技術經濟比較后,可考慮增加變壓器臺數,減少變壓器容量的方法,來增加變壓器的負載率。例如:380V計算負荷為2000kVA,可考慮設置2臺2000kVA的變壓器或3臺1000kVA的變壓器。2臺2000kVA變壓器,正常工作時每臺變壓器平均分負荷率為50%,而設置3臺1000kVA的變壓器,正常工作時,每臺變壓器的平均負荷率為67%。這樣提高了負荷率,降低了變壓器的無功損耗,還減少了變壓器的安裝容量,降低了投資。當然,電氣接線復雜了,增加了操作的難度。

2.切除空載變壓器

有多臺變壓器并列運行或有多個變電所供電的工礦企業,應盡可能在負載低的時候,如廠休、例假或夜間,適當進行調度,保留必要的變壓器,將多余的切除,以節約有功損耗和無功損耗。

綜上所述,降低鋼鐵企業的自然無功損耗,需要從設計時開始就要貫徹節約環保的觀念,首先要選擇節能降耗的電機和變壓器,其次選擇的電機和變壓器容量不能一味求大,要合適,使電機和變壓器在接近滿載的情況下工作,然后設計的供配電接線方式要靈活,方便倒換負荷,方便切除空載電機和變壓器等等。另外在日常的運行及時根據負荷情況調整運行方式。

二、無功補償裝置的選擇

當企業的自然功率因數不能滿足電力部門的要求時,必須安裝無功功率補償裝置。常見的無功補償裝置有并聯電容器補償裝置(包括集中補償、分組補償、就地補償等方式)、同步調相機、靜止無功補償裝置(SVC)、可控電抗器、柔性控制裝置(STATCOM)等方式。

(一)無功補償的分類

對于采用并聯電容器進行無功補償,按其在供電系統中安裝的位置來分,可分為集中補償、分組補償、就地補償等方式。

1.集中補償,在高、低壓配電所內設置若干組電容器組,電容器接在配電母線上,補償該配電所范圍內的無功功率,并使總功率因數達到所規定的值以上。這種補償方式只能補償高、低壓母線之前(電源方向)線路上的無功功率,而對于配電母線以下的變壓器和線路的無功功率不能起到補償的作用,仍會有大量的無功功率在內部線路上流動,并且產生損耗。這種方式在鋼鐵企業中得到了廣泛地應用,原因是它能起到補償無功的作用,投資少,便于集中管理。

2.分組補償,用電設備的實際負荷電流是每時每刻都在不斷變化的,三班工作制工廠是如此,二兩班制和一班制的工廠更是如此。最佳效益無功補償目標值是由最大計算負荷(即半小時最大值)決定的,那么在負荷變低的情況下,電容器就要產生過補,這樣就會產生母線電壓過高,和過多的容性電流流回系統進而會增加系統線路和變壓器上的功率損耗,因此應該采用跟隨無功負荷變化(緩慢地平均變化),而自動投入或切除分組電容器自動功率因數補償方式就比較適用。對于電機臺數多,且成組投入或推出的情況多,是一種很好解決無功功率損耗的方式。這種方式在鋼鐵企業內正在逐步得到推廣應用。

3.就地補償,把無功補償器直接接在異步電機旁或進線端子上。相當于把無功電源接到了異步電機旁,使異步電機所需要的大部分無功功率由無功就地補償器供給,無功功率僅在異步電機和并聯電容器之間流動,從而消除了無功電流在高、低壓線路上的流動,減小了線路負載電流和損耗,這是一種最徹底的補償方式。而且補償裝置會隨著切除異步機而切除,不會產生過補償的情況。對于異步電機容量較大,長期輕載運行和供電線路較長等情況,采用此種方式節電效果最顯著。但對于頻繁開停或正反轉的異步電機等不要采用這種方式。

綜上所述,集中補償、分組補償、就地補償等方式各有所長,應根據實際情況來確定。建議采用三種方式相結合的設施,相互彌補,更好地發揮補償效果。

(二)同步調相機

改變同步電動機的勵磁電流的大小,可以控制它從電網中吸收無功功率或輸出無功功率,根據這個原理制造出的調相機即為空載運行的同步電動機。調相機的價格、運行費用都較高,因此在鋼鐵企業中很少采用。但同步調相機可以按照無功負荷變化,而隨時調整輸出無功功率,而且可以欠勵磁狀態下進相運行吸收多余的無功,從而保持無功功率的平衡和電壓穩定,因此在電力系統和發電廠得到了廣泛使用。

(三)靜止無功補償裝置(SVC)

有別于上述的功率自動調節,都是采用斷路器分組投入或切除電容器組,SVC是采用晶閘管裝置來取代了有觸點的開關,從而使無功能夠平滑地、連續地、快速地得以調節控制。在鋼鐵企業中,有大量的無功沖擊負荷,例如:電弧爐、LF爐、軋機等,這些負荷變化的幅度和速率都很大,且功率因數都很低,但還各有其特點,例如電弧爐、LF爐的沖擊負荷,三相不平衡,低次諧波含量高;軋機的沖擊負荷三相基本平衡,高次諧波含量高。SVC通常由并聯電容器組(或濾波器)和一個可調節電感量的電感元件組成。其補償原理為:QL為無功負荷(變化的量),QC為SVC中固定的電容器組提供的無功功率(固定的量),QR為SVC中電抗器吸收的無功功率(隨QL成反比例變化),這樣使QL+QR-QC≈0。SVC有很多種類型,鋼鐵企業中當需要補償沖擊無功功率時,目前普遍使用的是TCR+FC型。

(四)可控電抗器

可控電抗器的原理是通過在帶氣隙變壓器的二次側采用有源的方式注入一個與一次側電流頻率相同、相位相反的電流,改變變壓器的二次側注入電流的大小便可實現變壓器主磁通的連續可調,從而實現變壓器一次側阻抗的連續可調。與現有的可調電抗器相比,當變壓器中帶有氣隙時,該基于磁通可控的可調電抗器沒有飽和現象,不產生諧波并可以實現電抗值的無級可調。在鋼鐵企業中,可應用在代替SVC裝置中的TCR。在TCR方案中,由于采用晶閘管調觸發角的方式改變電感量,因此必然產生諧波,而采用可控電抗器則不會產生諧波。因可控電抗器造價較低,也可與并聯無功補償裝置一起使用,實現無功功率平滑地、連續地、快速地調節控制。

(五)柔性控制裝置(STATCOM)

STATCOM應用IGBT,在SVC裝置基礎上發展起來的無功補償裝置,克服了SVC由于呈恒阻抗特性,使得在電壓低時,無法提供所需的無功支持,應付突發事件的能力較弱,而且占地面積大,過多的SVC易引發系統振蕩的弊端。STATCOM的無功電流輸出可在很大電壓變化范圍內恒定,在電壓低時仍能提供較強的無功支撐,并且可從感性到容性全范圍內連續調節,使得其無功輸出相當于同容量SVC的1.4～2倍;因STATCOM的靈活調壓,還可以大大減少變壓器分接頭的切換次數,從而減少分接頭故障次數。另外,STATCOM還可以抑制電壓閃變,提高系統暫態穩定水平,結合我國的國情和已有的技術,發展STATCOM應是解決我國電壓穩定問題的有效手段。STATCOM

和SVC相比具有如下優勢:

1.響應時間快,可達10ms～20ms,特別適合用在鋼鐵企業沖擊無功變化較快的場所,如:電弧爐和LF爐;

2.不會引起諧振短路,雖然該裝置仍然采用并聯型結構,但是它與電網之間有連接電抗器,因此不會出現并聯諧振現象;

3.可以吸收無功和發出無功,從感性到容性全范圍內連續調節,該裝置不僅可以應用在感性負荷場合,還可以應用在容性負荷的場合;

4.精準電壓控制,該裝置除了可以按照功率因數或者無功功率控制之外,還可以按照電壓幅值來控制,確保用戶獲得的電壓的平穩性,降低電壓紋波;

5.具有自適應功能,實現了動態補償,可對頻率和大小都變化的諧波以及變化的無功功率進行補償,對補償對象的變化有極快的響應;

6.可同時對諧波和無功功率進行補償,補償無功功率時不需要儲能元件,補償諧波時所需儲能元件的容量不大,且補償無功功率的大小可以做到連續調節。

有上可看出,STATCOM裝置代表了現階段無功補償和電能質量控制的發展方向,值得我們進一步學習、研究和推廣。

三、總結

鋼鐵企業無功補償的目的在于降低企業無功損耗,滿足電力部門對電能質量的要求。要達到這個目的,應根據負荷的特性、電網的情況、結合企業本身的特點確定補償的方式,經濟、可靠、安全地用電,為企業生產服務。

參考文獻:

[1]《鋼鐵企業電力設計手冊》編委會,《鋼鐵企業電力設計手冊》.

[2]陸安定主編,《功率因數與無功補償》,上海科學普及出版社.