電解鋁整流系統的諧波電流與無功功率問題分析

王維

摘 要：立足于電解制鋁的生產實際，從諧波電流和無功功率的角度出發，結合電解制鋁實例，對電解鋁整流系統的諧波電流和無功功率問題進行了簡要分析。

關鍵詞：電解鋁；整流系統；諧波電流；無功功率

中圖分類號：TM714.3 文獻標識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2015.10.082

在大功率直流電路中，為了保證系統功率的穩定性，通常情況下會選擇用電容對線路中的無功現象進行補償的措施。但整流裝置在運行過程中會產生諧波電流，如果在配置無功補償裝置時選用的參數不科學，則可能會導致供電系統諧振或諧波電流放大的現象。因此，對電解鋁整流系統的諧波電流與無功功率問題的分析具有鮮明的現實意義。

1 電解鋁整流系統的特征

電解鋁是當前獲取金屬鋁的主要方式，是以氧化鋁為原料，在冰晶石熔體中進行熔鹽電解的化學過程。其制備過程主要表現出以下4個特征。

1.1 耗電量大

電解本身是一種能耗量極大的生產方式，這是因為金屬鋁的化學屬性極為活潑，傳統的置換等化學處理方式無法有效地從化合物中提取出金屬鋁，從總體上看，電解是當前最高效的制備方式。

1.2 功率因數較低

電解制鋁過程對電力的要求較高，電力系統直接供應的電力形式無法滿足電解需求，因此，在電解鋁系統中，還需要經過調壓變壓器、整流變壓器和大功率元件整流系統，才能進入最終的電解活動。在這一過程中，系統眾多、無功消耗極大，且電解鋁系統的功率因數較低。

1.3 供電可靠性要求高

電解鋁是一個連續的過程，在電解鋁活動中對電力供應的穩定性和可靠性有極高的要求，一旦出現電力供應的中斷，則會導致電解反應停止，且在恢復供電后的一段時間內電解生產都無法正常進行。如果停電超過1 h，浸泡在電解溶液中的半成品會發生其他反應，進而影響金屬鋁的產出率，甚至會對電解槽的內襯造成嚴重的破壞。

1.4 諧波污染現象較為嚴重

電解鋁系統中的大功率元件整流系統在運行過程中會產生大量的諧波，如果無法有效控制諧波的產生和傳播，則會對周圍的供電網絡和通信網絡造成消極影響，嚴重情況下，還會對電解鋁系統的運行質量和效率產生影響。通常情況下，整流供電的功率一旦低于0.9，則會導致電解鋁系統出現功率下降、絕緣發熱或老化等問題。

2 電抗器的作用

電解鋁過程中大功率元件的整流系統會產生嚴重的諧波現象，這種現象不僅會對電網和通信網絡產生影響，還會影響電解鋁設備的工作狀態。針對電路中的諧波現象，當前主要的解決辦法是在線路中安裝電抗器。

在電容器回路中安裝阻尼電抗器，在電容器回路投入時可起到抑制涌流的作用。同時，可與電容器組一起組成諧波回路，起到各次諧波的濾波作用。比如在500 kV變電所35 kV無功補償裝置的電容器回路中，為了限制投入電容器時的涌流和抑制電力系統的高次諧波，在35 kV電容器回路中必須安裝阻尼電抗器。抑制三次諧波后，采用額定電壓為35 kV、額定電感量為26.2 mH和額定電流為350 A的干式空心單相戶外型阻尼電抗器，它與2.52 Mvar電容器對三次諧波形成諧振回路，即三次諧波濾波回路。具體接法如圖1所示。

圖1 電抗器接法示意圖

3 諧波問題和無功補償的高相關性

在電解鋁系統中的大功率整流系統中，感性無功與容性無功一同出現在同一諧波源中，諧波電流產生的無功現象會相互補償。通常情況下，補償現象會對供電網絡中的基波功率造成影響，具體表現為一部分基波功率轉化為諧波功率后回到電網，這種諧波功率在電網中繼續存在會對與電網連接的其他電力用戶造成損害。如果在這一過程中整流系統的運行參數設定不科學，無功現象的相互補償會被繼續放大，進而產生共振現象。因此，在選擇濾波器組時，除了要考慮提高電峰測的功率因數，還應避免諧振出現。

為了滿足系統無功補償的要求，采取的主要方法有2種：①當電解鋁系統中濾波裝置的無功容量與補償容量出現差值時，可使用并聯電容器提升補償容量；②當供電網絡的電抗值與并聯電容器的電容值構成的諧振頻率較高，而電解鋁產生的電力負載諧波電壓較低時，不需要考慮諧波的補償問題，但在實際的電解鋁系統運行中，這一標準比較難把握，需要從電解鋁系統的實際出發，切實保證諧波的補償要求得到滿足。

4 結束語

電解鋁是當前提取金屬鋁的主要方式，這一提取方式的運行質量和效率直接影響著鋁制品行業的發展。因此，對電解鋁整流系統的諧波電流和無功功率的分析具有鮮明的現實意義。本文從電解鋁整流系統的特點、電抗器的應用，以及諧波問題與無功功率的關系的角度對諧波電流和無功功率問題進行了分析，以期為電解鋁整流系統運行質量的提升提供支持和借鑒。

參考文獻

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〔編輯：張思楠〕