杨圣利 郭慧
（杭州银湖电气设备有限公司，浙江省杭州市 311401）
摘要：本文结合矿热炉的工况分析及测试数据，针对其谐波、无功功率、电压偏差等电能质量问题，并对典型治理方案进行必选，提出了MSVC型动态补偿的优选方案，以改善矿热炉运行时供电系统的电能质量。
关键词：矿热炉，无功补偿，磁控电抗器，MSVC
矿热炉是电阻电弧炉的统称。它主要用于还原冶炼矿石，用碳素材料作还原剂，主要生产铁合金、电石、黄磷。其工作特点是采用碳质或镁质、高铝质耐火材料作炉衬，大多数使用自焙碳素电极，根据产品生产特性也有采用石墨电极、再生碳素电极的矿热炉，如工业硅、黄磷、钛渣等。电极插入炉料进行埋弧操作，利用电弧能量和电流通过炉料产生的电阻热来供给矿石还原反应所需能量来冶炼矿石，陆续加料，间歇出炉，连续作业。矿热炉按产品性质可以分为铁合金炉、电石炉、黄磷炉，按炉体结构可分为密闭炉、内燃炉、开放炉。
矿热炉消耗的无功主要是在短网及炉变上，炉子功率越大，功率因数越低，因此需要较大的无功补偿容量。
二、测试数据：
某企业110KV配电站于2013年8月正式送电投运，本站双回110KV进线，双回110KV线路设计核准负荷为2*125MW，由于一期新建装机2*25500KVA硅铁矿热炉变及8000KVA动力变，总装机容量59000KVA，故目前只申请一回进线接入送电。矿热炉整流变基本情况：整流变中压补偿绕组电压10KV，每台整流变现在补偿容量为17400KVar。由于现场功率因数整体偏低，需要增加电容补偿装置，为了能够对现场工况的详细掌握，取得第一手数据，对该企业110KV总进线侧进行电能质量测试。
a.电压相量图和正弦波形图
b.电压曲线
基波电压曲线范围为：112.21KV~115.855KV
c.电流曲线
最大值 | 最小值 |
348A | 156A（一台炉变运行，另一台停运） |
d.有功功率曲线
有功功率变化范围为：21MW~54MW
e.无功功率曲线
无功情况：14Mvar-44Mvar
f.功率因数
功率因数变化范围：0.58~0.91，平均功率因数0.83。
谐波畸变率最大值1.34%，最小值0.39%，平均值0.655%.
h. 3次谐波电压
3次谐波电流4.8A。
5次谐波电压最大值0.28%。
k. 5次谐波电流
5次谐波电流最大值3A。
l. 7次谐波电压
7次谐波电压畸变最大值0.45%
m. 7次谐波电流
7次谐波电流最大值1.5A。
n. 11次谐波电压畸变率
11次谐波电压畸变率0.3%。
o. 11次电流谐波值
11次谐波电流值为：0.93A
p. 工频频率
工频变化范围为：49.957HZ~50.047HZ
3、数据分析和结论
3.1 电压
根据《电能质量供电电压偏差》GB/T12325—2008 ，35KV以上电压波动范围绝对值不超过10%，根据测试结果其波动范围为：112.21KV~115.855KV，可以得出，其波动范围K为： K=(115.855-112.21)/110=3.3%，即电压波动满足要求，电压合格。
3.2谐波
根据甲方提供数据，短路电流17.4KA，即：短路容量为3315MVA。其基准短路容量为750MVA，所以其系数为：
当电网公共连接点的最小短路容量不同于国标基准短路容量时，按国标GB/T14549-93附录B给定的方法进行换算，换算公式如下：
SK1
其系数K值：3315/750=4.42
根据《电能质量 公用电网谐波》GB/T14549—93，统计数据如下：
谐波 | 国标值 | 实测值 | 是否合格 |
电压总畸变 | 2.0% | 1.34% | 合格 |
3次谐波畸变率 | 1.6% | 0.225% | 合格 |
3次谐波电流 | 42A | 4.8 | 合格 |
5次谐波畸变率 | 1.6% | 0.28% | 合格 |
5次谐波电流值 | 42A | 3A | 合格 |
7次谐波畸变率 | 1.6% | 0.45% | 合格 |
7次谐波电流值 | 30.056 | 1.5A | 合格 |
11次谐波畸变率 | 1.6% | 0.3% | 合格 |
11次谐波电流值 | 19A | 0.93A | 合格 |
从以上测试数据和国标对比可以得知，其谐波电流都没有超标，满足国标要求。
3.3功率因数
从测试结果来看，110KV侧功率因数长期处于很低的水平，从测试结果看，正常情况下，其波动范围为：0.58~0.91，平均功率因数0.83，系统对于无功需求量很大。需要增加电容器对其进行补偿。
3.4 工频频率
从测试数据，工频变化范围为：49.957HZ~50.047HZ，根据《电能质量电力系统频率允许偏差(GB/T15945-1995)》，电力系统正常运行频率允许偏差值为0.2Hz；当系统容量较小时，其偏差可以放宽到0.5Hz。以0.2HZ偏差为标准，其工频频率也是满足要求的。
4、优化解决方案
4.1、方案必选：
（1）高压补偿。高压补偿接在炉变前端与炉变并联接在高压母线上，因此高压补不会影响炉变。而且随着现代电容器技术及设计水平的提高，超高压电容 器装置已经能做到基本无故障运行。110KV直挂式无功补偿在电网及类似矿热炉中已有较多应用，因此高压补是最安全可靠的接入方式，但高压补只能实现功率因数达标不罚款，对节能没有帮助。
（2）中压补偿。中压补偿接入点为炉变中压补偿绕组，是近几年随着炉变容量改大，电源进线升到110kV后大多数厂家采取的方案，这是当初选型时大部分用户认为110kV电容器难以制造所进入的误区。近2年的运行经验表明，中压补方案造成炉变烧毁的现象十分普遍，事故率高达25%！中压补容易烧毁炉变的原因主要有两点：一是炉变中压绕组的容量小于主绕组，其抗短路能力远小于主绕组，二是补偿绕组所接负荷全部是无功负荷，其电流相位角与主绕组基本成90度关系，而一般双绕组变压器一，二次之间电流相位角却是180度，加上补偿绕组与高压绕组在工作时工作部分的绕组在铁芯高度方向不对称，因此容易产生沿铁芯高度方向电动力，久而久之补偿绕组沿高度方向产生位移最终绝缘间距不够引起烧毁。
因此，中压补方案虽然成本较低但影响炉变安全运行，所以选择方案时要慎重。值得一提的是许多人认为中压补可以补炉变，而事实上虽然中压补可以减小炉变一次测电流，但增加了补偿绕组的电流，两者抵消后效果是很小的。
（3）低压补偿。低压补偿接入点在短网靠近电极侧，从补偿效果考虑，由于矿热炉消耗的无功主要是在短网及炉变上，短网补是最佳接入方案。从短网末端补偿电容器时可以达到在同等入炉功率下降低短网及炉变电流从而降低炉变及短网损耗的目的，或者是起到维持炉变及短网电流提高电极电压及入炉功率的作用，入炉功率提供后通过调整工艺实现增产节电。但大量的运行经验证明，由于低压补偿靠近炉子，工作环境十分恶劣，现场粉尘大、温度高，投切开关和电容器损坏率极高，几乎每年都要更换一批电容器，因此从实际运行效果看，低压短网补偿不仅不能起到良好的补偿效果，而且产生极高的维护费用，在大容量炉子补偿的方案选择上，低压补偿基本被淘汰。
4.2、方案设计：
根据上述方案必选选择，本方案采用高压110KV侧接入补偿装置，装置采用磁控式动态补偿装置（MSVC），具体容量计算如下：
110KV侧功率因数较低，2台炉变正常运行时，其总负荷可以达到54MW左右，电压值按110KV，其功率因数0.83，目标功率因数0.93，查表可得其补偿系数为：0.277kvar/KW。
以最大值54MW计算可以得到：54MW*0.277kvar/KW=14958kvar
根据以上计算，考虑适当裕量，电容器组有效补偿取15500KVar，同时考虑到后期增加负荷的备用及10KV侧的电容器不稳定时的备用问题，再增加了一套15500kvar的电容器组。
本期110KV侧只有一段运行母线，两台炉变和动力变在同一条母线上，根据测试数据和考虑到方案的可行性以及节省投资，根据补偿容量计算，方案如下：在110KV母线上增设2组实际输出容量为15500Kvar的电容器组，同时配置一台25000kvar的磁控电抗器。由于测试出110KV系统中的谐波含量很小且都在国家标准要求范围内，没有必要对谐波做出特殊处理，电容器组的串联电抗器还是按照电抗率12%来设计。其一次主接线见图1：
图1 一次主接线图
5、MSVC工作原理介绍：
5.1、磁控式动态补偿装置（MSVC）工作原理：
补偿（滤波）支路经隔离开关或断路器连接于母线，正常情况下电容器组无需投切，通过调节磁控电抗器的输出容量（感性无功），实现系统容性无功功率的连续补偿。
5.2、磁控电抗器（MCR）工作原理：
磁控电抗器采用直流助磁原理，利用附加直流励磁磁化铁心，改变铁心磁导率，实现电抗值的连续可调，从而调节电抗器的输出容量，实现无功功率的柔性补偿。其内部为全静态结构，无运动部件，工作可靠性高。
可控电抗器原理接线如图2所示。在可控电抗器的工作铁心柱上分别对称地绕有匝数为的两个线圈，其上有抽头比为的抽头，它们之间接有可控硅、，不同铁心的上下两个主绕组交叉连接后并联至电源，续流二极管接在两个线圈的中间。
图2 磁控电抗器原理接线图
当电抗器绕组接至电源电压时, 在可控硅、两端感应出左右电源电压的电压。电源电压正半周触发导通可控硅，形成图3(a)所示的等效电路，其中，在回路中产生直流控制电流和；电源电压负半周期触发导通可控硅，形成图3(b)所示的等效电路，在回路中形成直流控制电流和。一个工频周期轮流导通和，产生的直流控制电流和，使电抗器工作铁心饱和，输出电流增加。可控电抗器输出电流大小取决于晶闸管控制角，越小，产生的控制电流越强，从而电抗器工作铁心磁饱和程度越高，输出电流越大。因此，改变晶闸管控制角，可平滑调节电抗器容量。
（a）导通 （b）导通
图3晶闸管导通等效
5.3、磁控电抗器的技术优势
磁控电抗器（MCR）的结构及原理决定了它具有极高的可靠性、运行经济、使用寿命长、维护简便等特性。
5.3.1、先进性
（1）磁控电抗器采用多阶梯小截面饱和技术与电磁自屏蔽技术，大幅提高了磁控电抗器的性能。
（2）通过控制可控硅的控制角进行自动控制，可实现连续可调，并且从最小容量到最大容量的过渡时间很短，响应速度快，因此可以真正实现柔性补偿，无须专人值守。
（3）MCR控制系统配备有通讯接口，可与后台进行通讯，上传数据及接收指令。
5.3.2、安全可靠性
（1）控制晶闸管端电压低，仅系统电压的1％左右，不容易被击穿，运行稳定可靠。
（2）晶闸管无需串、并联，不需要均压、均流保护和同步触发，控制保护简单，大大提高了设备的稳定运行性。
（3）即使可控硅或二极管损坏，MCR也仅相当于一台空载变压器，不影响系统其它装置的运行。
（4）MCR不需要外接直流励磁电源，完全由电抗器的内部绕组来实现自动控制。
（5）其内部为全静态结构，无运动部件，工作可靠性高。
（6）MCR为无级调节，能实现无功的连续补偿；不会引起电压波动，不会对系统造成冲击。
5.3.3、经济性
（1）MCR励磁装置上的可控硅不需要承受高电压、大电流，安全可靠，发热量小，自然冷却即可，无需辅助冷却设备。
（2）MCR结构简单，户外布置即可，占地面积小，基础投资大大压缩。
（3）MCR自身有功损耗低。
（4）MCR本体按免维护设计、使用年限长，可靠性高，运行维护成本低。
（5）MCR对温度、粉尘等环境因素没有特殊要求，日常运行可以免维护。
正是由于MCR具有在可靠性、电压等级、运行维护简便等关键性能上，较其它可控并联电抗器具有无可争议的优越性，将是我国电能质量治理行业，动态无功补偿设计与改造的最理想选择。
综述，MCR装置目前已在各个领域得到了大量的应用及用户的认可，运行维护简便且费用低。
7、投运效果
该套装置由杭州银湖电气设备有限公司生产，并已于2015年5月投入运行（见图4、图5），补偿效果良好，功率因数达到0.93，满足设计要求，同时装置运行稳定可靠，基本实现免维护，取得了良好的经济效益。
图4 磁控电抗器部分
图5 电容器组部分
8 参考文献
【1】李兴波，李建国，浅谈矿热炉无功补偿及实践，《铁合金》2011，第2期
【2】菅志强 ，安鸽 ， 张文军，矿热炉无功补偿系统分析，《电力电容器及无功补偿》2013 , 34 (1) :13-19
【3】陈柏超，田翠华，等．谐波双级饱和磁控电抗器研究[J]．电工技术学报2006：19—23．
【4】KARYMOV RR， EBADIAN M. Comparison of MCR and TCR from harmonics point of view[J]. Electrical Power andEnergy Systems， 2007（29）：191-198.
【5】牛荣健，张晓琴，电力系统中的谐波问题，重庆科技学院学报（自然科学版），2006.9
【6】徐政译，电力系统谐波—基本原理、分析方法和滤波器设计，北京：机械工业出版社，2003.5
【7】Zhang Jian-wen, Cai Xu. Research on Fast Magnetic Valve Controllable Reactor[C]. Power Electronics and Motion Control Conference, 2006. CES/IEEE 5th International, Aug. 2006.
9 作者简介
杨圣利（1979.10.24—），男，大学本科，电气工程及其自动化，研究方向：无功补偿及谐波治理，助理工程师，现就职于杭州银湖电气设备有限公司；
郭慧（1986.12.08—），大学本科，电气工程及其自动化，研究方向：无功补偿及谐波治理，现就职于杭州银湖电气设备有限公司。