HR-8000矿热炉无功补偿与谐波治理技术

矿热炉工作原理

矿热炉是一种耗电量巨大的工业电炉，又称电弧电炉或电阻电炉。主要由炉壳，炉盖、炉衬、短网，水冷系统，排烟系统，除尘系统，电极壳，电极压放及升降系统，上下料系统，把持器，烧穿器，液压系统，矿热炉变压器及各仲电气设备等组成。它主要用于还原冶炼矿石，碳质还原剂及溶剂等原料。主要生产电石、黄磷、硅、锰铁、铬铁、鸥铁合金等产品，是冶金业中重要工业原料。矿热炉是一种陆续加料，间歇式出渣，连续作业的工业电炉。其工作特点是采用碳质或镁质耐火材料做炉衬，使用自培电极，电极插入炉料进行埋弧操作，利用电弧的能量及电流通过炉料而产生能量来加热炉料，炉料在高温作用下产生化学反应生产各种化合物如硅铁、电石、单晶硅等等工业原料。

矿热炉的工作特性

根据矿热炉的结构特点以及工作特点，矿热炉的系统电抗的70%是由短网系统产生的，而短网是一个大电流工作的系统，电流可以达到上万安培，因此短网的性能决定了矿热炉的性能，正是由于这个原因，因此矿热炉的自然功率因数很难达到0.85以上，绝大多数的炉子的自然功率因数都在0.7～0.8之间，较低的功率因数不仅使变压器的效率下降，消耗大量的无用功，不仅如此，某些矿热炉（如工业硅炉）工作时，由于电弧延时发弧，电弧电阻的非线性和电弧游动等因素，使得电弧电流变化很不规则。使得电弧炉电流不仅数值发生畸变和大幅脉动，而且还产生大量谐波，尤其以3、5、7、次含量较大，如不对此加以限制和吸收，无论对冶炼设备还是补偿装置，都会产生不利的影响。电力部门对功率因数低和谐波超标都要加收额外的电力罚款。因此提高短网的功率因数，治理谐波污染，提高电能质量，降低电网损耗是企业节能降耗，提高冶炼效率的最有效手段。

矿热炉对其他设备的影响：
由于矿热炉工作时功率因数低并且具有较大的谐波含量，对电气设备的影响主要有以下三点：

◎低功率因数运行损耗大：

低功率因数负载从系统吸收大量无功功率，大大增加了系统的线损和变压器的损耗。由于矿热炉长期处于过负荷状态，使电网长时间高负荷（输送无功成份含量大）运行，降低了电网的电压水平，造成了系统电压的不稳定，不利于电网运行的经济性；由于短网感抗较大，使得流经矿热炉的电流大部分属无功成份，大大降低了变压器的有功出力，同时也增大了变压器的损耗，单位耗电量加大，产能下降，产品合格率也受到很大程度上的影响；上万安培的大电流流经短网，损耗更是高不可估，导体温升有较大幅度升高，更容易使导体受到腐蚀，使企业成本抬高。

◎谐波对供电变压器的影响
谐波电流不但引起变压器绕组附加损耗，也引起外壳、外层硅钢片和某些紧固件发热，并且有可能引起局部的严重过热。谐波使变压器噪声增大，谐波源造成的流经变压器的谐波电流在谐振条件下可能损害变压器。

◎谐波对并联补偿电容器的影响
谐波会引起电容器局部放电，加速电容器介质老化，缩短使用寿命。茌一定条件下谐波极易与无功补偿电容器组引起谐振或谐波放大，从而导致电容器因过负荷或过电压而损坏。
针对矿热炉而言，无功的产生主要是由电弧电流引起，如在炉变高压侧实施无功补偿，补偿对改善高压侧的供电状况，提高运行功率因数的效果是明显的，但对于降低低压侧短网的无功损耗、提高变压器出力、提高产品合格率、抑制谐波却无能为力；如在低压侧进行补偿，那么大量的无功电流将直接经低压电容器和电弧形成的回路流过，而不再经过补偿点前的短网、变压器及供电网路，在提高功率因数的同时，可提高变压器的有功输出率，降低变压器、短网的无功消耗，这一点在图1、图2中表现得很清楚。此时，就地补偿了短网的无功消耗，无功电流不流经变压器等，在提高功率因数的同时，减少了变压器、短网的损耗；另外也提高了变压器的有功出力，变压器向炉膛输入的功率将会增大，从而提高产品产量、质量，降低单位电耗、原料消耗。

可见电容器组并接于短网终端的补偿方式效果远胜高压补偿，经济性很明显，在技术上也没有多少困难。但至今却一直没有在矿热炉上得到推广。主要有下面几个原因：
◎造价高：由于矿热炉变二次电压通常在100V左右，补偿容量大，因此电容器、电抗器、投切开关等的数量很多，加之以前的油浸式电容器体积很大，价格太高，而自愈式电容器又不太成熟，因而难以推广。
◎控制方式落后：传统的接触器投切电容器，因合闸涌流大，操作过电压高，接触器、电容器极容易损坏，使用寿命短，维护工作量大，安全系数低。
◎设计经验缺乏：以前由矿热炉不相关的企业或开关柜厂家生产，他们对补偿装置的特殊性认识不足，设备未配置滤波电抗器，不能有效抑制谐波，且保护不完善，导致设备损坏率太高。
◎低压补偿装置安装后：改变了矿热炉变实际运行参数，给用户生产操作人员带来操作不便，容易误导操作人员。

矿热炉短网补偿经济效益分析案例：
对于一台容量为12500KVA的矿热炉，自然功率因数约0.74，年耗电费约3300万元人民币，年产电石28800吨，耗电9500万kwh，吨耗电3300kwh电，目前每吨电石约3100-3500，成本约2000元，每吨纯利润约1 000元左右。如果每年目标功率因数约0.96，补偿容量6000kvar,则年节电约6%左右，有功出力增加20%左右，约每年节电200万元，增加产量年增产5760吨，增加利润收入576万。每年的总收益约776万元。如果目标功率因数为0.9，则补偿容量为4000kvar，则年节电约3%左右，有功功率增加10%左右，约每年节电100万元，增加产量年增产2880吨，增加利润收入288万。每年的总收益约388万元。提高短网侧的功率因数后，炉内炉料反应需要的温度得到进一步保证，产品合格率得到了很大程度的提高，因此从多个角度讲，增加短网侧补偿装置能带来巨大的经济效益，约一年即可收回全部投资。