無源濾波技術在電石冶煉企業中的應用

張建華，劉彩琴，王飛行

（1.華北電力大學，北京 102206；2.蘭州超高壓公司 750 kV白銀變電站，甘肅 白銀 730900；3.白銀供電公司，甘肅 白銀 730900）

電石加工行業在國家的建設和發展中起著十分重要的作用，隨著科技的不斷進步，大量的電石冶煉爐得到了廣泛的應用。但大量的冶煉爐會對用戶電網電能質量產生嚴重干擾。因諧波分量高、功率因數低、供用電設備發熱損耗大、電容無功補償設備故障率高等問題，嚴重影響用戶供用電設備的安全、經濟運行，使得產品的生產成本提高、質量下降，影響了行業的正常發展。為了解決礦熱爐功率因數低下的問題，我國目前一般采用電容補償的方式，在補償無功的同時還具有濾除諧波的功能，能夠滿足無功補償的需要，經過濾波，注入電網的諧波也能達到標準。

1 系統和負荷狀況

1.1 電石冶煉爐的生產特性

電石冶煉爐是一種耗電量巨大的工業電爐。冶煉變壓器一相帶一個大電極,然后直接通到爐子里，電極放電產生的1 900～3 000℃高溫融化蘭碳和生石灰,得到電石。

電石冶煉爐中，由于加熱原料時電爐的三相電極很難同時接觸到高低不平的爐料，使得燃燒不穩定，引起三相負荷不平衡而產生諧波電流，經變壓器的三角形連接線圈而注入電網，其中主要是27次的諧波，平均可達基波的8%～20%，最大可達45%。冶煉系統電抗的70%是由短網系統產生的，而短網是一個大電流工作系統，最大電流可以達到上萬安培，因此短網的性能決定了礦熱爐的性能，正是由于這個原因，礦熱爐的自然功率因數很難達到0.85以上，絕大多數的爐子的自然功率因數都在0.7～0.8之間，因此提高短網的功率因數、降低電網不平衡就成了降低能耗、提高冶煉效率的有效手段。通過采取適當的手段，提高短網功率因數，可以降低電耗5%～20%，提高產量5%～10%以上，從而給企業帶來良好的經濟效益，而投入的改造費用將可以在節約的電費中短期內收回。

電石冶煉爐運行時,三相負荷電流嚴重不對稱，嚴重時負序可達正序的50%～60%，熔化期也占20%；含有2、3、4、5、7等次諧波，產生的諧波電流頻譜廣，含有偶次諧波；電弧爐隨機運行在開路—短路—過載狀態，有很大的功率沖擊，引起PCC母線電壓變動，并伴有電壓閃變問題；電爐變壓器和短網消耗大量無功，因此運行功率因數非常低，增大電網損耗，降低電壓水平。

1.2 博翔電石廠系統狀況

甘肅博翔電石廠35 kV變電站由110 kV唐臺變電站供電，安裝2臺電石爐變壓器型號分別為HCCSS-16000-35/156和HCCSS-10000-35/143，2007年最大負荷26+j16 MVA，該廠共帶2臺爐變，低壓側電壓分別為156 V、143 V，目前35 kV母線最小短路容量為52.9 MVA，功率因數0.86，由于無法從低壓側采取補償，所以計劃在35 kV側進行無功補償。

1.3 諧波治理目標

該公司計劃對35 kV母線的諧波進行綜合治理，目標是35 kV母線電壓諧波達到國家標準限值要求，計量點功率因數由0.86提高到0.95以上，達到功率因數調整電費計費標準要求。

2 諧波治理設計方案

由于該公司低壓側電壓分別為156 V、143 V，目前35 kV母線最小短路容量為52.9 MVA，功率因數0.86，由于無法從低壓側采取補償，所以計劃在35 kV側采取無功補償+諧波治理一體化設計方案。

2.1 濾波方案選擇

（1）靜止式動態無功功率補償裝置（SVC）方案。特點是無功補償動態跟蹤好，投資大。用戶暫不作考慮。

（2）有源電力濾波器+固定濾波裝置（APF+FC）方案。特點是補償效果好，響應快，但價格相對較高，技術還不成熟，用戶積極性不大。

（3）無源濾波器FC方案。特點是補償效果中等，價格適中。當諧波單次超標且需要無功補償一體化時，效果較好。

無源濾波器屬于被動的吸收式濾波，在諧波源比較簡單的系統中，結合功率因數補償，選用高性能的濾波電容器，串聯高線性的濾波電抗器，組合成濾波補償器，在吸收系統中主要的諧波分量時，補償無功功率。無源濾波又分為調諧和非調諧2種濾波技術，調諧式無源濾波技術主要為濾波，其效率可達70%，非調諧式無源濾波技術是抑制諧波進入電容器，避免諧振。由于無源濾波器的結構簡單、技術可靠、投資較少，所以應用較為廣泛。

濾波器在設計時要根據具體測得的超標諧波次數進行選擇設計，如果是濾除某一單次超標諧波，則可以只做一個諧波通道，其原理圖如圖1。

圖1 濾波原理示意圖

如果3、5、7次及以上諧波均超標，則需采用多支路濾波器，一般至少設計4個濾波支路，即3、5、7次和高通濾波通道，高通濾波通道用于吸收11次數及其以上的各次諧波，其系統接線圖如圖2，具體工程接線可靈活多樣，但為使任一電容擊穿短路電流減小，設備承受的僅為相電壓，便于分相調諧等，推薦采用電抗器后置的星形接線，高通濾波器多采用二階減幅型結構，具有基波損耗小、頻率特性好、結構簡單等特點。

經過和用戶的一致溝通，確定采用FC“補償+濾波”一體化方案。其接線圖如圖2。

圖2 接線示意圖

2.2 無功補償容量的確定

一般有以下2種方法。

2.2.1 粗略計算

根據爐變的容量及超負荷（一般設超載為爐變容量的0.5倍，即爐變運行在1.5倍額定負荷）情況以及爐變的功率因數計算時，爐變的功率因數可以從爐變的銘牌上查到，也可以粗略設為0.7～0.8。

2.2.2 實測

在生產正常時即爐變在最大負荷下運行，對線路進行實測，這時不但可以測得線路的有功功率、無功功率、功率因數，還可以測得線路的各次諧波。這次對電石廠線路治理的各項數據都是以實測數據為準。實測數據如下（以95%概率）：基波電壓U1=20.913 kV；有功功率P1=24.694 MW；無功功率Q=15.713 Mvar；功率因數 cosφ =0.883；3次諧波電流I3=4.151 A。

35 kV母線PCC點最小短路容量是52.9 MVA，供電設備容量26 MVA，用戶協議容量26 MVA。根據短路容量52.9 MVA，實測3次諧波電流I3=4.151 A，流入系統的3次諧波電流已經超過允許值（2.5 A），所以補償裝置做成3次濾波補償裝置，即濾除3次諧波電流又對基波進行補償。

補償前整流裝置功率因數為0.85左右，補償后要求功率因數為0.95，計算補償裝置的補償總容量約為7.3 Mvar。

系統電壓假設為Un=38.5 kV，由于諧波電壓的影響，電容器的額定電壓為Uc=2×13 kV，則實際補償容量應為

考慮成套裝置的設計，最終將補償容量確定為9.6 Mvar。

2.3 濾波回路參數的設計

根據上述測量和分析的情況，由于負載變化情況很大，三次諧波電流為4.151 A是主要諧波源，采用三次濾波補償裝置，根據不同負荷情況，調節投入的濾波電容器的容量，即可達到預期效果。

2.4 濾波效果估算

國家標準對各級電網諧波電壓允許值和注入公共連接點的諧波電流允許值均給出了明確規定。對于具體用戶，根據實際電網公共連接點的最小短路容量和用電協議容量對其允許注入的諧波電流進行換算；濾波器投入前后流入系統的諧波電流測量結果比較如圖3所示。

接入濾波器后的系統接線如圖4所示。

圖3 濾波器投入前后流入系統的諧波電流比較（35 kV側）

圖4 無源濾波電容器系統接線圖

3 實施情況及效果分析

3.1 諧波治理及無功補償效果

濾波及補償裝置投入運行后，35 kV側諧波電壓總畸變率從12.884%降到了3.85%；諧波電流總畸變率從14.1%降到了7.1%，3次諧波電流含有量由6 A降到3.16 A，各次諧波均在國標允許值以內。系統功率因數也從0.86提升到了0.96，系統消耗的總無功功率減少了9 600 kvar。

3.2 經濟分析

本工程濾波及補償裝置總投資45萬元。濾波及補償裝置投入運行后，可以減少上級電網和變壓器的損耗，提高功率因數，節約電費。對于博翔公司，裝置投入運行直接產生的經濟效益包括3512唐博線降低的損耗和提高功率因數節約的電費。

3.2.1 變壓器降損節電

3512唐博線型號為LGJ-240,導線長度6.38 km，全年最大負荷耗電時間為4 000 h，線路負荷率0.8，線路每千米電阻為0.4 Ω，導線電阻2.552 Ω，線路無功減少電流I=Q/1.732/UE=158 A，降低損耗254 832 kWh，電價按0.35元/kWh計，節約電費89 191元。

3.2.2 節約功率因數調整電費

根據《功率因數調整電費辦法》，主變負荷率0.8，當功率因數考核指標為0.9，補償前用戶系統的功率因數為0.86，最大負荷全年耗電時間為4 000 h，則功率因數罰款電費為+2%；補償后用戶系統的功率因數為0.96，則功率因數獎勵電費為0.75%。博翔公司全年需交納的功率因數調整電費約為：功率因數罰款電費500 864元，功率因數獎勵電費209 664元，合計全年節約電費：（89 191+500 864+209 664）萬元≈80萬元，投資回收期約為0.6年。

4 結論

（1）在博翔電石廠35 kV變電站加裝濾波補償裝置后，在不增加用戶投資的情況下，可有效地治理諧波源產生的諧波污染，3次諧波電流由6 A降到3.16 A，濾波效果明顯。經過測量，博翔電石廠變電站和電網側35 kV母線諧波監測點各次電壓諧波畸變率和總畸變率達到國家標準。

（2）在電網側貿易結算點，考核功率因數從0.86提高到0.96，不但不罰款，還有大額的電費獎勵。

（3）濾波裝置的投入有效地改善了供電系統的電能質量，穩定電網運行水平，提高電網側變壓器負載能力。

（4）諧波超標電石企業采用“補償+濾波”一體化工程的成功范例，是甘肅電網首次成功實踐，為諧波治理和電石企業無功補償工程開創了新途徑，對減少設備故障和損失起到積極作用。

[1]吳競昌,孫樹勤,宋文南,等.電力系統諧波[M].北京:水利電力出版社,1991.

[2]張直平.城市電網諧波手冊[M].北京:中國電力出版社,2001.

[3]王合貞.高壓并聯電容器無功補償實用技術[M].北京:中國電力出版社,2006.

[4]宋文南,劉寶仁.電力系統諧波分析[M].北京:水利電力出版社,1995.

[5]GB/T 14549—93,電能質量 公用電網諧波[S].