一、前言

礦熱爐是一種高能耗的電冶煉爐，具有電阻電弧爐的特性。其功率因數(shù)是由爐內(nèi)電弧及電阻R和電源回路中（包括變壓器、短網(wǎng)、集電環(huán)、導(dǎo)電顎板及電極）的電阻R和電抗X值的大小來(lái)決定。

COSΦ＝（R＋R）／

電阻R電抗X值在礦熱爐運(yùn)行時(shí)，一般不變動(dòng)，它們?nèi)Q于短網(wǎng)和電極布置的設(shè)計(jì)和安裝。電阻R與運(yùn)行時(shí)短網(wǎng)上各載流部件的電流密度有關(guān)，變化較小，但電阻R卻是礦熱爐運(yùn)行時(shí)決定礦熱爐功率因數(shù)的主要因數(shù)。

由于礦熱爐比其它電冶煉爐的電阻弱，故其功率因數(shù)相應(yīng)地也降低些。除了一般小型礦熱爐的自然功率因數(shù)能達(dá)到0.9以上，而容量在10000KVA以上的中、大型礦熱爐的自然功率因數(shù)都在0.9以下，礦熱爐容量越大，功率因數(shù)越低。這是由于大容量礦熱爐的變壓器感性負(fù)載越大，短網(wǎng)越長(zhǎng)，電極插入爐料較深增加了短網(wǎng)的電抗，因而降低了礦熱爐的功率因數(shù)。

為了減少電網(wǎng)的損耗，提高供電質(zhì)量，供電局要求用電企業(yè)的功率因數(shù)要在0.9以上，否則要對(duì)用電企業(yè)處以高額罰款。同時(shí)功率因數(shù)偏低，也會(huì)降低礦熱爐的進(jìn)線電壓，影響電石的冶煉。故目前國(guó)內(nèi)外大容量礦熱爐都要加裝無(wú)功補(bǔ)償裝置，以提高礦熱爐的功率因數(shù)。

現(xiàn)在投運(yùn)的無(wú)功補(bǔ)償裝置通常以補(bǔ)償裝置的接入點(diǎn)分為下列兩種方式：

1、補(bǔ)償裝置接入礦熱爐變壓器高壓側(cè)，稱高壓補(bǔ)償；

2、補(bǔ)償裝置接入礦熱爐變壓器低壓側(cè)，稱低壓補(bǔ)償；

上述兩種補(bǔ)償方式的原理都是依據(jù)：

有功功率P＝S×COSΦ無(wú)功功率Q＝S×SINΦ

視在功率S＝

一次側(cè)相電流I＝S／（U1）二次側(cè)相電流I＝S／（U2）

補(bǔ)償容量QC＝P×（TGΦ1－TGΦ2）

U1－－－－－－－－－一次側(cè)相電壓；

U2－－－－－－－－－－二次側(cè)相電壓；

TGΦ1－－－－－－－－補(bǔ)償前功率因數(shù)角正切值；

TGΦ2－－－－－－－－補(bǔ)償后功率因數(shù)角正切值；

二、無(wú)功補(bǔ)償裝置

1、高壓補(bǔ)償

礦熱爐變壓器高壓側(cè)電壓一般為10KV、35KV、或110KV。高壓補(bǔ)償又分兩種：一種是直接將補(bǔ)償裝置接于高壓側(cè)；另一種是通過(guò)補(bǔ)償變壓器接于高壓側(cè)。用相應(yīng)電壓等級(jí)的補(bǔ)償裝置（包括電力電容器、開(kāi)關(guān)、電抗器、避雷器、保護(hù)等成套設(shè)備，下同），直接接入礦熱爐變壓器高壓側(cè)（補(bǔ)償裝置接在礦熱爐變壓器進(jìn)線端），也可以直接在變電站中，單獨(dú)或集中補(bǔ)償。其特點(diǎn)是：

1）設(shè)備簡(jiǎn)單，投資少；

2）補(bǔ)償裝置出現(xiàn)故障時(shí)電流不通過(guò)礦熱爐變壓器；

3）補(bǔ)償裝置不受礦熱爐變壓器接線變換及礦熱爐其它方面變化的影響。

2、低壓補(bǔ)償

1）原理

低壓補(bǔ)償是利用現(xiàn)代控制技術(shù)和短網(wǎng)技術(shù)將大容量、大電流的超低壓電力電容接入礦熱爐的二次側(cè)的無(wú)功補(bǔ)償裝置。該裝置不僅是無(wú)功功率補(bǔ)償原理的*好體現(xiàn)，還可以使礦熱爐的功率因數(shù)在較高值運(yùn)行，降低短網(wǎng)和一次側(cè)的無(wú)功消耗，消除3次、5次、7次諧波。調(diào)平三相功率，提高變壓器的輸出能力。控制的重點(diǎn)使三相功率不平衡度下降，達(dá)到三相功率相等。使坩鍋擴(kuò)大、熱量集中，提高爐面溫度，使反應(yīng)加快，達(dá)到提高產(chǎn)品質(zhì)量、降耗和增產(chǎn)的目的。

此技術(shù)屬于將原來(lái)成熟的就地補(bǔ)償技術(shù)應(yīng)用到礦熱爐的二次低壓側(cè)，由電容器產(chǎn)生的無(wú)功功率，通過(guò)短線路，一部分通過(guò)礦熱爐變壓器由系統(tǒng)吸收，另一部分補(bǔ)償?shù)V熱爐變壓器，短網(wǎng)和電極的無(wú)功損失，增加了輸入礦熱爐的有功功率。同時(shí)采用了分相補(bǔ)償，使礦熱爐內(nèi)三相電極上的有功功率相等，達(dá)到提高功率因數(shù)，減小三相功率不平衡和改善生產(chǎn)指標(biāo)的效果。

2）低壓補(bǔ)償?shù)膽?yīng)用

近幾年了，由于低壓補(bǔ)償技術(shù)逐漸成熟，設(shè)計(jì)日趨完善，體積大為減少，礦熱爐生產(chǎn)廠家，也認(rèn)識(shí)到了其在提高礦熱爐經(jīng)濟(jì)效益方面顯現(xiàn)的突出性，低壓補(bǔ)償裝置已在礦熱爐變壓器上大量應(yīng)用。

上海坤友電氣有限公司現(xiàn)以在鐵合金廠安裝一套礦熱爐低壓補(bǔ)償裝置，安裝補(bǔ)償裝置運(yùn)行情況前后的比較見(jiàn)下表：

序號(hào)參數(shù)名稱安裝前安裝投運(yùn)后

1礦熱爐額定容量（KVA）1650016500

2一次側(cè)額定電壓（KV）3535

3一次側(cè)額定電流（A）272272

4礦熱爐實(shí)際運(yùn)行容量（KVA）2115020732

5一次側(cè)運(yùn)行電壓（KV）3738

6一次側(cè)運(yùn)行電流（A）330315

7二次側(cè)運(yùn)行電壓（V）165176

8電極電壓（V）150170

9二次側(cè)運(yùn)行電流（A）7400068011

10電爐變前功率因數(shù)0.710.92

11平均有功功率（KW）1501719073

12平均無(wú)功功率（KVAR）148948125

13平均日產(chǎn)量（T）110125

14平均工藝電耗（KWH／T）34003260

15補(bǔ)償系統(tǒng)補(bǔ)償容量（KVAR）6730

16補(bǔ)償系統(tǒng)額定電壓（V）180

17補(bǔ)償系統(tǒng)短網(wǎng)電流（A）28868

從上表數(shù)據(jù)比較可以看出，安裝了低壓無(wú)功補(bǔ)償效果是明顯的。不但實(shí)現(xiàn)了高壓補(bǔ)償提高進(jìn)線電壓的、電網(wǎng)功率因數(shù)的目標(biāo)，而且增加了輸入礦熱爐內(nèi)的有功功率，達(dá)到了礦熱爐節(jié)能降耗增加產(chǎn)量的、降低生產(chǎn)成本目的，對(duì)提高礦熱爐經(jīng)濟(jì)效益起到實(shí)質(zhì)性作用。根據(jù)分析多臺(tái)安裝低壓無(wú)功補(bǔ)償裝置，礦熱爐的生產(chǎn)指標(biāo)得出：在低壓無(wú)功補(bǔ)償裝置投用后，電爐變前的功率因數(shù)能達(dá)到0.90以上，有些甚至達(dá)到0.94，礦熱爐的功率因數(shù)也能有很大的提高。在使一次電流電流降低15A左右的同時(shí)，有功功率可提高3000KW左右，節(jié)能降耗3％以上，增產(chǎn)10％以上，使礦熱爐的運(yùn)行參數(shù)和消耗指標(biāo)得到很大的改善。

礦熱爐低壓側(cè)補(bǔ)償方案

貴公司主要的設(shè)備是礦熱爐，礦熱爐是電弧爐的一種，它是以高電阻率的礦石為原料，在工作過(guò)程中電極的下部一般是埋在爐料里面的，其加熱原理是利用電流通過(guò)爐料時(shí)，爐料電阻產(chǎn)生的熱量，同時(shí)也利用電極和爐料間的電弧產(chǎn)生的熱量來(lái)達(dá)到冶煉的目的。

礦熱爐其工作期間由于負(fù)載的阻值的不規(guī)則性，造成電流的非線性流動(dòng)產(chǎn)生的3、5、7等諧波并存，并且5次含量較大，對(duì)系統(tǒng)電能質(zhì)量影響較大。

通常治理電爐的無(wú)功和諧波問(wèn)題都在變壓器的前側(cè)，但往往高壓側(cè)只起到提高功率因數(shù)一個(gè)目的，而忽略對(duì)電爐變壓器的考慮，因而效果不理想。這也是貴公司高壓側(cè)補(bǔ)償不理想的原因。上海坤友電氣有限公司曾對(duì)礦熱爐在低壓側(cè)進(jìn)行補(bǔ)償，效果很好，運(yùn)行穩(wěn)定，不但提高了功率因數(shù)，更減輕了電爐變壓器的負(fù)擔(dān)，減少了線路損耗。使礦熱爐的運(yùn)行參數(shù)和消耗指標(biāo)得到很大的改善。

上海坤友電氣有限公司多年來(lái)在各種復(fù)雜的用電環(huán)境中，解決了各種較難解決的諧波和功率因數(shù)問(wèn)題，并且從中總結(jié)了寶貴的工作經(jīng)驗(yàn)。開(kāi)發(fā)出來(lái)具有公司獨(dú)特的諧波治理和補(bǔ)償?shù)?span lang="EN-US">ZRL系列裝置，該裝置具有濾除諧波同時(shí)兼顧無(wú)功補(bǔ)償兩種作用，并且在諧波特別嚴(yán)重的用電環(huán)境中能**、經(jīng)濟(jì)、有效的運(yùn)行。

根據(jù)貴公司所傳的數(shù)據(jù)，和我公司多年來(lái)在此行業(yè)總結(jié)的經(jīng)驗(yàn)，所確定的補(bǔ)償方案如下：

貴公司有3臺(tái)10000KVA的單相電爐變壓器，根據(jù)礦熱爐的工作特性和貴公司提供的測(cè)量數(shù)據(jù)，功率因數(shù)按0.78計(jì)算，預(yù)計(jì)安裝后功率因數(shù)達(dá)到0.98計(jì)算，10000KVA的電爐變壓器補(bǔ)償容量為6000KVAR；諧波電壓總畸變率（％）及5次諧波含有率（％）均超過(guò)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)礦熱爐電流變化較快，建議安裝上海坤友電氣有限公司生產(chǎn)的無(wú)觸點(diǎn)式低壓動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置，能夠快速跟蹤投切，達(dá)到理想的補(bǔ)償效果。

*終確定安裝目前市場(chǎng)上先進(jìn)的我公司生產(chǎn)的ZRL－0.22－6000KVAR動(dòng)態(tài)濾波及無(wú)功補(bǔ)償裝置3套；即可解決貴公司電爐系統(tǒng)的諧波污染嚴(yán)重及功率因數(shù)低的問(wèn)題。

ZRL動(dòng)態(tài)濾波及無(wú)功補(bǔ)償裝置功效

通過(guò)抑制和吸收諧波、杜絕諧振的發(fā)生、減少損耗、清潔電網(wǎng)、改善系統(tǒng)用電環(huán)境。

1、不會(huì)出現(xiàn)諧振爆炸現(xiàn)象；。

2、降低配電網(wǎng)的功率損耗、增加電網(wǎng)輸電能力、提高設(shè)備利用率；

3、降低用電設(shè)備（電機(jī)）的能耗，改善運(yùn)行條件；

4、保護(hù)設(shè)備、延長(zhǎng)設(shè)備壽命、減少維修費(fèi)用；

5、節(jié)約電能，提高功率因數(shù)，功率因數(shù)達(dá)到0.92以上；

6、改善電壓質(zhì)量，保證設(shè)備正常運(yùn)行；。

7、諧波控制在國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)以內(nèi)。

效益分析

電爐變壓器低壓側(cè)通過(guò)上我公司的動(dòng)態(tài)濾波及補(bǔ)償裝置，功率因數(shù)由原來(lái)的0.78左右提高到0.98，這樣會(huì)使電爐原來(lái)的負(fù)荷電流大幅度的下降，會(huì)減少大量的線路損耗，為企業(yè)創(chuàng)造大量的經(jīng)濟(jì)效益，以下從幾個(gè)方面說(shuō)明產(chǎn)生的效益。

一、降低變壓器的占有率：

通過(guò)動(dòng)態(tài)濾波及無(wú)功補(bǔ)償裝置可降低變壓器的占有率，擴(kuò)充變壓器容量，充分發(fā)揮投資效率，減輕變壓器長(zhǎng)期長(zhǎng)期超負(fù)荷的負(fù)擔(dān)，為企業(yè)創(chuàng)造了較大的效益。

（1）、電爐變壓器的容量為30000KVA，實(shí)際運(yùn)行容量為：30000×115％＝34500，低壓側(cè)安裝動(dòng)態(tài)濾波及無(wú)功補(bǔ)償裝置前功率因數(shù)為0.78左右，安裝后功率因數(shù)達(dá)到0.98以上。

安裝補(bǔ)償濾波裝置后變壓器的電流下降，從而爐變壓器容量的占有率也下降，減輕了變壓器的負(fù)擔(dān)，延長(zhǎng)了變壓器的使用壽命，減少了日常維護(hù)費(fèi)用。

二、電爐變壓器通過(guò)上我公司的動(dòng)態(tài)濾波及無(wú)功補(bǔ)償裝置后線路中的無(wú)功電流大大減少，從而大大減少了有功損失，降低了變壓器有功損失（銅損）及降低線路損失

變壓器的損耗中的銅損和實(shí)際運(yùn)行電流的平方成正比，所以電流的降低，變壓器的有功損耗一定隨之下降

變壓器銅損及線損降低率

變壓器銅損降低率

線損降低率與變壓器銅損降低率是32％，大大節(jié)省了線路損失，減少了系統(tǒng)中的有功損失，節(jié)省了電能。

三、治理諧波所產(chǎn)生的效益

濾除諧波，改善用電環(huán)境，提高產(chǎn)品質(zhì)量，確保了設(shè)備正常運(yùn)行

當(dāng)系統(tǒng)存在諧波時(shí)：會(huì)增大有功損耗。諧波使設(shè)備絕緣強(qiáng)度降低，減少設(shè)備的使用壽命。諧波是變壓器產(chǎn)生噪音的重要來(lái)源。諧波會(huì)增大變壓器，電動(dòng)機(jī)的渦流損失。

由于集膚效應(yīng)，諧波會(huì)增大線路、變壓器的阻值，變成√H倍，這樣大大增加了線路損耗，給企業(yè)造成了浪費(fèi)。通過(guò)諧波治理，給企業(yè)創(chuàng)造了經(jīng)濟(jì)效益。

四、改善電壓質(zhì)量

在線路中電壓損失△U的計(jì)算如下：

由上式可見(jiàn)，當(dāng)線路中的無(wú)功功率Q減少以后，電壓損失△U也就減少了。從而穩(wěn)定了線路電壓，提高電壓質(zhì)量。

五、消除力率電費(fèi)

電爐變壓器未投用濾波及補(bǔ)償裝置前功率因數(shù)平均為0.78左右，功率因數(shù)沒(méi)有達(dá)到國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。功率因數(shù)0.78時(shí)罰款比例為6％，通過(guò)安裝上海坤友電氣有限公司公司的動(dòng)態(tài)濾波及補(bǔ)償裝置可消除力率電費(fèi)。功率因數(shù)超過(guò)0.9，還會(huì)產(chǎn)生獎(jiǎng)勵(lì)電費(fèi)。

力率電費(fèi)＝（電度電費(fèi)＋基本電費(fèi)）×6％

通過(guò)以上分析，電爐變壓器安裝上海坤友電氣有限公司的動(dòng)態(tài)濾波及無(wú)功補(bǔ)償裝置所產(chǎn)生的直接節(jié)電率為6％左右，還沒(méi)有計(jì)算由于改善了電壓質(zhì)量而延長(zhǎng)了設(shè)備的使用壽命，減少了設(shè)備日常維修費(fèi)用，提高產(chǎn)品質(zhì)量，減少投資等間接效益。