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

(中國恩菲工程技術有限公司， 北京 100038)

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

整流變壓器； 無功功率； 電容補償

1 無功功率與諧波的產生和對策

無功補償中的無功功率，是電網內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備，要建立磁場，就要消耗無功功率，而電容器則產生無功功率，無功功率和電網的電壓關系很大，要保證有功功率的傳導，必須先滿足電網的無功功率平衡。

無功功率不消耗電能，只是電場能和磁場能之間相互轉換，這種能作為電氣設備能夠工作的必備條件，并且，在電網中是進行周期性轉換。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)，這樣將電容器并聯到一般負荷上，感性負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

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

在電力系統內，發電機發出的功率與用電設備及送電設備消耗的功率不平衡，將引起電力系統頻率變化。當系統負荷超過或低于發電廠的出力時，系統頻率就要降低或升高，系統電壓也會降低或升高。而提高電力系統電壓的有效辦法是，增加發電機的出力和投入電網中安裝的并聯電容器。

電弧爐設備，電氣機車及氣體電光源會在工作中，產生大量非線性的諧波，并且非線性特性十分嚴重，屬于動態諧波源。可以產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，整流設備屬于穩態諧波源，穩態諧波源的特點是當系統網絡中的感性和容性負荷不變時，注入網絡中的諧波電流也不變。是對電能質量的污染源。但是，與動態諧波源相比，穩態諧波源對電力系統和其它用戶設備的危害要輕的多。

對于年產10萬t鋅的冶煉廠，設有多臺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，進入國家電網的諧波值，一定要滿足國家規程的允許值。

對整流變壓器的動態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生器SVG進行電容補償和消諧

高壓大功率靜止無功發生器SVG(見圖3)是當今無功補償領域最新技術的代表，SVG并聯于電網中，相當于一個可變的無功電流源，其無功電流可以快速地跟隨負荷無功電流的變化而變化，自動補償系統所需無功功率。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實現無功能量的變換，可以動態抑制電網電流諧波，使諧波含量極低，補償無功功率功能多樣化，節約電能，保持接近于1的功率因數，抑制電壓波動和閃變的能力更強，平衡電網電壓， 加強系統電壓穩定性，可消除動態諧波源造成的三相不平衡。

圖3 靜止無功發生器SVG示意圖

適用于采用SVG的領域包括遠距離電力傳輸電網線路，城市二級變電站，區域電網，風電場，軋機，電弧爐，電力機車供電系統，提升機等其它重工業負載。以上應用領域的電氣設備都是動態諧波源，而整流變壓器所帶的電解系統屬于穩態諧波源，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

電網電壓質量通常以穩定性，對稱性及正弦性等指標來衡量，隨著現代電力電子設備等非線性負荷大量接入電網，使電網供電質量受到嚴重影響。

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，消除無功沖擊，濾除高次諧波，對于不對稱負荷，利用STEINMETZ理論實現分相調節，消除負序電流，平衡三相電網。

圖4 靜止無功補償器SVC示意圖

適用于采用SVC的領域包括遠距離輸電電網線路，變電站，抑制次同步諧振，融冰，軋機，電弧爐，電氣化鐵路/地鐵，風力發電，提升機等其它重工業負載。以上應用領域的電氣設備都是動態諧波源。

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荷是典型的單相非線性沖擊負荷，它對電網的安全穩定和經濟運行產生嚴重的不良影響，具體表現在：(1)采用單相供電，產生很大的負序電流，造成供電電網嚴重的三相不平衡。(2)產生大量高次諧波，以3，5，7次為主，使電網波形發生畸變。(3)功率因數低。(4)對電網沖擊大，影響電能質量。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，通過分相快速補償功能來平衡三相電網，保持供電網絡電壓平穩，無諧波干擾，并提高功率因數。

而整流變壓器所帶的電解系統屬于穩態諧波源，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是三相對稱負載，不需要用SVC平衡三相電網。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荷，在生產過程中產生大量高次諧波注入電網，使電網波形畸變。這種電力公害嚴重威脅其它電氣設備的安全運行，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，滿足國家標準要求，還能提高功率因數，節約電能(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，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，主要適用于穩態諧波源。對于動態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濟的。但是，TSC裝置補償后的功率因數一般只能達到0.92，比SVG和SVC要差很多，為了提高TSC的功率因數，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數字信號處理技術的控制器)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補償到0.98左右，這樣就可以解決TSC+濾波裝置，補償的功率因數低的問題。

DSP數字信號處理技術為用于實時完成數字信號處理的微處理器，即高性能，高速度的單片微處理器。它用數學方法對數字信號進行處理，處理包括變化或提取相應的信息。經典的數字信息處理，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，有功電度，無功電度，諧波含量柱型圖等參數，根據電網系統內所缺少的無功功率，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。這種根據負載的無功功率量進行補償的方式，一般可能將功率因數補償到0.98左右，且不會使功率因數過補償。

TSC+濾波裝置由進線高壓開關柜和5個高壓電容器柜組成，進線高壓開關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，當整流變壓器的功率因數降低時，增加電容器的投入，提高功率因數，且不會過補償。當整流變壓器的功率因數升高時，切除部分電容器，降低功率因數，使不會過補償。

5 結論

以上進行了對鋅冶煉廠整流變壓器的動態電容補償和消除諧波的三種方法分析，總結三種方法的特點，形成對比表見表1。

表1 鋅冶煉廠整流變壓器的動態電容補償和消除諧波方法

如果為了節省資金的投入，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，大學本科，工程師，主要從事電氣設計工作。

TM422

B

1003-8884(2015)05-0022-04