CN102761131A - 矿热炉低压侧升压无功补偿滤波装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种矿热炉低压侧升压无功补偿滤波装置，包括升压变压器、高压无源滤波补偿装置、电能质量监测控制器和后台监控系统；升压变压器的一次绕组连接于矿热炉变压器的低压侧，升压变压器的二次绕组上连接所述高压无源滤波补偿装置；高压无源滤波补偿装置中设有滤波补偿支路；电能质量监测控制器用于监测矿热炉用电系统的电参量，并控制滤波补偿支路的投切；后台监控系统与电能质量监测控制器通讯连接，用于升压变压器、高压无源滤波补偿装置和矿热炉用电系统的在线监测。本发明需要选用的高压电容器数量少，占用空间小，系统维护工作量小，系统可靠性高；且消除谐波，提高系统功率因素，节能降耗。
Description
矿热炉低压侧升压无功补偿滤波装置
技术领域
[0001] 本发明涉及冶炼行业中矿热炉低压侧无功补偿及谐波治理专用装置，尤其涉及一种矿热炉低压侧升压无功补偿滤波装置。
背景技术
[0002] 随着社会科技的进步，钢铁、化工、太阳能等行业的加速发展，而铁合金、电石、硅等冶炼产品是钢铁、化工、太阳能等行业的主要原料，致使铁合金、电石、硅等冶炼产品市场需求越来越大，从而刺激高耗能冶炼产业的高速发展。
[0003] 生产铁合金、电石、硅等产品的设备大多数是矿热炉，而矿热炉是我国电能耗电大户，致使我国电カ供应越来越紧张，且中央政策把“十二五”期间单位GDP综合能耗比2010·年降低16%”作为硬指标的今天，矿热炉的节能降耗、提高供电质量、优化电能是越来越重要、越来越重视。
[0004] 矿热炉又称电阻电弧炉，是ー种高耗能的エ业冶炼电炉。其由炉壳、炉盖、炉衬、短网、水冷系统、排烟系统、除尘系统、电极売、电极压放及升降系统、上下料系统、把持器、烧穿器、液压系统、矿热炉变压器及各种电气设备等部分构成。
[0005] 矿热炉的供电系统主要是由带有载调压的矿热炉变压器、短网、高压配电柜组成，矿热炉变压器低压侧、短网及电极工作在大电流环境中，最大电流可以达到上万安培，而在生产过程中除了需要用于电弧熔炼的有功功率之外，还需要感性无功功率用于建立和消除系统短网电磁场,致短网的感抗占整个系统感抗的70%以上，因此短网的电气性能决定了矿热炉的电气性能，以致矿热炉的自然功率因数都在0. 7与0. 8之间，甚至更低，较低的功率因数不仅降低变压器的有功输出能力、消耗大量的无功功率，且由于耗电过多被电カ部门加收部分电カ罚款，因此有必要采取一定的措施，降低能耗。而提高短网侧功率因数是降低能耗，提闻冶炼效率的有效手段之一。
[0006] 电阻电弧炉，顾名思义，冶炼过程中既有电阻性负荷也有电弧性负荷，其电弧加热过程和纯电弧炉冶炼一祥，会产生谐波污染。经过多年在矿热炉现场测试的结果表明：矿热炉产生的谐波电流主要集中表现为3次和5次。因此，为了提高电能质量，減少短网损耗，清洁电能，在矿热炉低压侧必须加装相应滤波器。
[0007]目前，为了提高矿热炉功率因数，大多采用并联电容器的补偿方式，即无功补偿设备。主要补偿方式有三种，分别是：高压侧无功补偿、低压侧无功补偿、高/中压无功补偿与低压无功补偿结合。
[0008] 矿热炉高压侧高压无功补偿：在矿热炉变压器高压侧安装高压无功补偿设备，虽然解决了电カ公司高压计量时功率因数达标（即カ率达标)，降低高压电网损耗问题，但是对矿热炉变压器及短网工作状况无任何改变，不能提高变压器有功输出能力、減少变压器损害、減少短网损耗等问题。
[0009] 矿热炉低压侧低压无功补偿：在矿热炉变压器低压侧安装低压无功补偿设备，既能使计量点力率达标，又能増加变压器有功输出能力、降低变压器损耗、降低短网损耗、改善短网功率因数、提高产量。可以说矿热炉低压侧低压无功补偿在技术上、效果上都比较理想，但是低压无功补偿投入成本较高，让ー些企业在投入方面有些犹豫。低压侧低压无功补偿由成百上千组低压电容器与相应投切机构组成，所以占地面积大，且现场运行环境恶劣，会加快设备的老化，导致后续维护费用较大，再加上大量的低压电容器对谐波的放大作用，致使系统谐波增加，增加谐波污染。
[0010] 高/中压无功补偿与低压无功补偿结合方式：结合以上两种方式的优点，也有一些企业采用高/中压无功补偿与低压无功补偿结合方式，投入费用比全低压侧低压无功补偿减少50%，但是这部分低压电容器在运行吋，同样存在以上低压侧低压无功补偿的问题。且低压侧低压无功补偿对系统谐波放大，给高压侧电容器带来危害。
发明内容
[0011] 本发明充分考虑以上几种方案的优点和缺点，提出一种低压侧升压无功补偿兼滤 波方案，通过矿热炉低压侧升压无功补偿滤波装置，综合低压侧低压无功补偿与高压无功补偿的优点，同时克服低压无功补偿和高压侧高压无功补偿的缺点，为冶炼行业的矿热炉提高系统功率因数，滤除系统产生谐波，节约系统能耗，増加生产效率，延长设备使用寿命。
[0012] 为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是：提供ー种矿热炉低压侧升压无功补偿滤波装置，包括升压变压器、高压无源滤波补偿装置、电能质量监测控制器和后台监控系统；所述升压变压器的一次绕组连接于矿热炉变压器的低压侧，升压变压器的ニ次绕组上连接所述高压无源滤波补偿装置；所述高压无源滤波补偿装置中设有主要由高压滤波电容器和滤波电抗器串联构成的滤波补偿支路，所述滤波补偿支路中还串接有高压断路器；所述电能质量监测控制器用于监测矿热炉用电系统的电參量，且所述电能质量监测控制器电连接所述高压断路器以控制所述高压断路器的通断；所述后台监控系统与所述电能质量监测控制器通讯连接，用于升压变压器、高压无源滤波补偿装置和矿热炉用电系统的在线监測。
[0013] 其中，所述升压变压器的容量为矿热炉实际运行的最大感性无功功率的I. 2倍，升压变压器的二次绕组输出电压为IOkV或35kV。
[0014] 其中，所述高压无源滤波补偿装置包括并联接于所述升压变压器二次绕组上的三次谐波滤波补偿回路和五次谐波滤波补偿回路，所述三次谐波滤波补偿回路和五次谐波滤波补偿回路均具有三条所述滤波补偿支路，所述各滤波补偿回路的三条滤波补偿支路采用三角形接法连接于升压变压器二次绕组的三相上。
[0015] 其中，所述矿热炉低压侧升压无功补偿滤波装置还包括微机综合保护装置，所述三次谐波滤波补偿回路和五次谐波滤波补偿回路中还设有用于采集支路电流信号并提供给所述微机综合保护装置的电流互感器，所述微机综合保护装置电连接所述电流互感器，在电流异常时控制切断所述高压无源滤波补偿装置。
[0016] 其中，所述滤波补偿支路中还串接有喷逐式熔断器。
[0017] 其中，所述滤波补偿支路中还串接有隔离开关。
[0018] 其中，所述高压滤波电容器采用双面粗化聚丙烯膜作固体介质，苄基甲苯或ニ芳基こ烷作液体介质，以折边铝箔为极板。
[0019] 其中，所述滤波电抗器为干式空心结构，采用电エ专用玻璃纤维束预浸环氧树脂后成型。
[0020] 其中，所述电能质量监测控制器主要包括数字处理内核、16位A/D模块、高精度电流电压互感器和继电器，所述数字处理内核由DSP、FPGA、ARM构成；所述高精度电流电压互感器通过所述16位A/D模块连接所述数字处理内核，所述数字处理内核连接所述继电器。
[0021] 其中，所述电能质量监测控制器与后台监控系统之间采用有线通讯方式或无线通讯方式，所述有线通讯方式包括通过以太网、RS485或RS232连接，所述无线通讯方式包括通过GPRS、CDMA或3G进行通讯。。
[0022] 本发明的有益效果是：区别于现有的高压侧做无功补偿不能提高矿热炉变压器有功输出能力減少短网损耗；而在低压侧直接做无功补偿装置，需要大量的低压电容器组合相应的控制开关，占用很大空间安装，系统维护过程中工作量大；本发明在矿热炉变压器低压侧通过升压变压器进行升压，在升压变压器的高压侧连接滤波补偿回路，电容器选用高 压的，电容器组数大大减少，元件损坏的可能性降低，系统安全性高，而且系统安装和维护工作量大大減少，系统更加可靠。并且本发明是在低压侧做滤波补偿，可提高系统功率因数，根据实际测试，功率因数可以由补偿前的0. 7〜0. 75提高至0. 92、. 95，提高矿热炉变压器的有功输出能力，充分利用变压器的容量，产品产量可增加59TlO%，达到3%左右的节能效果，能响应国家节能降耗政策；基于目前国家规定只能大于12500kVA的矿热炉才能生产，低于12500kVA的炉子将被淘汰，按照容量为12500kVA计算，3%左右的节能效果即可节约大量的电能，取得较高的经济效益。作为滤波补偿装置，相应地，本发明可消除矿热炉产生的电流谐波和电压谐波，减少谐波源对电网的污染；提高公网PCC点的电能质量，提高供电、用电的安全性；降低高压电网的电カ顿号，减少电网线损率。本发明还具有适应环境能力強、寿命长、高可靠性、高稳定性等特点。利用电能质量监测控制器及后台监控系统还使得设备自动化程度高，控制精准，方便监控，提高效率。
附图说明
[0023] 图I是本发明矿热炉低压侧升压无功补偿滤波装置一实施例的安装示意图；
[0024] 图2是本发明矿热炉低压侧升压无功补偿滤波装置一实施例的系统结构图；
[0025] 图3是本发明矿热炉低压侧升压无功补偿滤波装置另ー实施例的电路结构示意图。
[0026] 标号说明：
[0027] 100、矿热炉变压器；200、矿热炉电极；
[0028] 10、升压变压器；20、高压无源滤波补偿装置；21、三次谐波滤波补偿回路；22、五次谐波滤波补偿回路；30、电能质量监测控制器；40、后台监控PC机；50、网络服务器；60、微机综合保护装置。
具体实施方式
[0029] 为详细说明本发明的技术内容、构造特征、所实现目的及效果，以下结合实施方式并配合附图详予说明。
[0030] 请參阅图I以及图2，本实施方式的矿热炉低压侧升压无功补偿滤波装置主要包括升压变压器10、高压无源滤波补偿装置20、电能质量监测控制器30和后台监控PC机40。[0031] 升压变压器10专用于矿热炉，其容量设计为矿热炉实际运行的最大感性无功功率的I. 2倍。升压变压器10的二次绕组输出电压可选择为IOkV或35kV，图I所示升压变压器10的输出电压即为10kV，升压变压器设计时严格按照相关变压器标准。升压变压器10的一次绕组连接于矿热炉变压器100的低压侧，升压变压器10的二次绕组上连接所述高压无源滤波补偿装置20 ;可认为高压无源滤波补偿装置20与矿热炉电极200在矿热炉变压器100的低压侧并联。
[0032] 高压无源滤波装置也称为LC滤波器，是由高压滤波电容器、滤波电抗器和电阻器适当组合而成的滤波装置，与谐波源并联安装，除起滤波作用外，还兼顾无功补偿需要。在实际应用中常用几组单调谐滤波器和一组高通滤波器组成滤波装置。单调谐滤波器是利用串联的L、C谐振原理构成的，只要将滤波器的谐振次数设定为与需要滤除的谐波次数一致，则该次谐波电流将大部分流入滤波器，从而起到滤除该次谐波的目的。高通滤波器可设置为对次数较高谐波呈现低阻抗，使得这些谐波电流大部分流入高通滤波器。
[0033] 在本实施例中，高压无源滤波补偿装置20包括三次谐波滤波补偿回路21和五次谐波滤波补偿回路22，两滤波补偿回路以并联方式接于升压变压器10 二次绕组上，分别对矿热炉中比较集中产生的3次和5次谐波电流进行滤波处理。两滤波补偿回路21、22均具有三条滤波补偿支路，三条滤波补偿支路采用三角形接法连接于升压变压器10 二次绕组的三相上，由于三相対称，图I中仅示意出了一条滤波补偿支路的电路结构。
[0034] 參阅图1，该滤波补偿支路包括依次串接的隔离开关QS、高压断路器KM(高压真空接触器)、喷逐式熔断器FU、高压滤波电容器C和滤波电抗器し另外，在隔离开关QS与高压断路器KM之间还连接有ー个接地的氧化锌避雷器BL，以应对雷击天气及系统浪涌。
[0035] 高压滤波电容器C和滤波电抗器L形成单调谐LC滤波，为了保护电容，在高压滤波电容器C的两端还连接有放电线圈FD，用于在滤波补偿支路切断使用后给高压滤波电容器C放电。在一实施例中，高压滤波电容器C采用双面粗化聚丙烯膜作固体介质，苄基甲苯(M/DBT)或ニ芳基こ烷作液体介质，以折边铝箔为极板；依据该结构，使得高压滤波电容器具有体积小、重量轻、损耗低、温升低、局部放电性能优良、寿命长的优点。此外，本实施例中滤波电抗器选用干式空心结构，采用电エ专用玻璃纤维束预浸环氧树脂后成型，具有绝缘可靠、动热稳定性能好的特点；采用旋转固化エ艺，具有噪音低、发热少的特点，适合在有谐波的环境下运行；通过调节调感线圈上动接头的位置，实现电感值的无级可调；电感的调节范围可实现额定值的±5%-10%。
[0036] 高压断路器KM由所述电能质量监测控制器控制通断，用以投切滤波补偿支路。
[0037] 隔离开关是高压开关电器中使用最多的ー种电器，在电路中起隔离作用，其无灭弧能力，只能在没有负荷电流的情况下分、合电路。在本实施例中，如需要对滤波补偿支路进行检修，当高压断路器KM断开后，将隔离开关QS分闸，即可建立可靠的绝缘间隙，将该滤波补偿支路与短网隔开，保证检修人员和设备的安全。
[0038] 喷逐式熔断器FU用于对高压滤波电容器C起过流保护作用，当异常情况下，喷逐式熔断器FU熔断切断故障电容器，以保证支路的正常运行。
[0039] 需要说明的是，对于滤波补偿而言，滤波补偿支路的最小组成单元只需高压滤波电容器C、滤波电抗器L和用于投切该支路的高压断路器KM，其他的元件中，放电线圈FD、喷逐式熔断器FU起到保护电容器的作用，隔离开关QS起到方便检修的作用，均进ー步完善滤波补偿支路的功能。
[0040] 在本实施例中，矿热炉低压侧升压无功补偿滤波装置还包括微机综合保护装置60，三次谐波滤波补偿回路21和五次谐波滤波补偿回路22中还设有用于采集支路电流信号并提供给所述微机综合保护装置60的电流互感器TA，对于三次谐波滤波补偿回路21而言，因三条支路三相对称，电流互感器TA可以仅设置在其中一条滤波补偿支路上；对五次谐波滤波补偿回路22也是如此。微机综合保护装置60电连接所述电流互感器TA，在电流异常时控制切断高压无源滤波补偿装置20，同样也是起到保护的作用。
[0041] 电能质量监测控制器30用于监测矿热炉用电系统的电參量，具体地，其可实现监测电气系统频率、功率因数、电网2-50次谐波电压和谐波电流、三相电压不平衡度、电压波动与闪变、电压偏差、电压基波有效值和真有效值、电流基波有效值和真有效值、基波有功 功率、无功功率、视在功率等电參量，当设定电能质量參量的限值，当超过此限值，电能质量监测控制器自动发出告警信号并记录。并且综合考虑功率因数、电压、无功功率、电流谐波含量来判断控制高压滤波补偿支路的投切。
[0042] 电能质量监测控制器30主要包括由DSP+FPGA+ARM构成的数字处理内核、16位A/D模块及高精度电流电压互感器，以致采集単元具有采集速度快，数据处理精确等特点。高精度电流电压互感器采集电网中的电流电压參数，经过A/D模块进行模数转换后交由数字处理内核进行处理。电能质量检测控制器30的输出控制采用欧姆龙继电器输出方式，例如通过继电器矩阵控制滤波补偿支路中高压断路器KM的通断，使得系统更加稳定、更加可靠。
[0043] 后台监控PC机40中装载监控软件实现对升压变压器、高压无源滤波补偿装置和矿热炉用电系统的在线监测，构成矿热炉低压侧升压无功补偿滤波装置的后台监控系统。后台监控PC机40与电能质量监测控制器30可以采用如RS485或RS232等有线通讯方式，也可以基于网络服务器50实现以太网通讯方式的有线通讯，同时也可以基于网络服务器50实现如GPRS、CDMA或3G等无线通讯方式。电能质量监测控制器30监测的电參量数据传送至后台监控PC机40处理显示，使得设备运行状况、系统电能质量等信息能进行自动监控。通过该后台监控系统，实现升压变压器的运行情况监测、高压无源滤波补偿装置在线运行监测、矿热炉用电系统高压侧电參量及电能质量的在线监测及系统拓扑图的在线运行，使用户对整个系统运行的每个细节做到一目了然，确保设备运行稳定性。当设备存在故障时，能很快的从监控系统找出故障点，提高效率。
[0044] 參阅图3，如前所述，在其他的实施例中，升压变压器10 二次绕组的输出电压也可选择为35kV，在这样的系统中，与图I所示实施例的区别在干，在滤波补偿支路上，采用了两个高压滤波电容器Cl、C2串联，每个电容器均并联有放电线圈FD进行保护，由于升压变压器10的输出电压较高，如果采用单个电容器可能导致击穿，通过两个高压滤波电容器串联分压，提高对高电压的耐受性。再值得ー提的是，在图I和图3所示的电路中，滤波补偿支路上只示意了一路电容，但在实际应用中，可以根据所需要的电容器容量采用多组并联的形式，并且每组电容器支路上设置起投切作用的开关和用于保护电容器的熔断器。当然，由于本发明中电容器选用高压的，即便需要采用多组电容器并联，其数量也仅需要少数几组。
[0045] 在实际设计中，先根据客户提供的一手资料，对系统各点进行计算得出最初设计參数，再通过电カ系统专业仿真软件对滤波装置进行真实的仿真，对电參数的进行校核，确定高压无功补偿滤波器的各次滤波电容及滤波电抗的配置，使滤波补偿装置达到最佳效果。
[0046] 本发明的有益效果在于：区别于现有的高压侧做无功补偿不能提高矿热炉变压器有功输出能力減少短网损耗；而在低压侧直接做无功补偿装置，需要大量的低压电容器组合相应的控制开关，占用很大空间安装，系统维护过程中工作量大；本发明在矿热炉变压器低压侧通过升压变压器进行升压，在升压变压器的高压侧连接滤波补偿回路，电容器选用高压的，电容器组数大大减少，元件损坏的可能性降低，系统安全性高，而且系统安装和维护工作量大大減少，系统更加可靠。并且本发明是在低压侧做滤波补偿，可提高系统功率因数，根据实际测试，功率因数可以由补偿前的0. 7〜0. 75提高至0. 92、. 95，提高矿热炉变压器的有功输出能力，充分利用变压器的容量，产品产量可增加59TlO%，达到3%左右的节能效果，能响应国家节能降耗政策；基于目前国家规定只能大于12500kVA的矿热炉才能生产，低于12500kVA的炉子将被淘汰，按照容量为12500kVA计算，3%左右的节能效果即可节约大量的电能，取得较高的经济效益。作为滤波补偿装置，相应地，本发明可消除矿热炉产生的电流谐波和电压谐波，减少谐波源对电网的污染；提高公网PCC点的电能质量，提高供电、用电的安全性；降低高压电网的电カ顿号，减少电网线损率。本发明还具有适应环境能力強、寿命长、高可靠性、高稳定性等特点。利用电能质量监测控制器及后台监控系统还使得设备自动化程度高，控制精准，方便监控，提高效率。
[0047] 以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。
Claims (10)
1. 一种矿热炉低压侧升压无功补偿滤波装置，其特征在于，包括升压变压器、高压无源滤波补偿装置、电能质量监测控制器和后台监控系统； 所述升压变压器的一次绕组连接于矿热炉变压器的低压侧，升压变压器的二次绕组上连接所述高压无源滤波补偿装置； 所述高压无源滤波补偿装置中设有主要由高压滤波电容器和滤波电抗器串联构成的滤波补偿支路，所述滤波补偿支路中还串接有高压断路器； 所述电能质量监测控制器用于监测矿热炉用电系统的电参量，且所述电能质量监测控制器电连接所述高压断路器以控制所述高压断路器的通断； 所述后台监控系统与所述电能质量监测控制器通讯连接，用于升压变压器、高压无源滤波补偿装置和矿热炉用电系统的在线监测。
2.根据权利要求I所述的矿热炉低压侧升压无功补偿滤波装置，其特征在于：所述升压变压器的容量为矿热炉实际运行的最大感性无功功率的I. 2倍，升压变压器的二次绕组输出电压为IOkV或35kV。
3.根据权利要求I所述的矿热炉低压侧升压无功补偿滤波装置，其特征在于：所述高压无源滤波补偿装置包括并联接于所述升压变压器二次绕组上的三次谐波滤波补偿回路和五次谐波滤波补偿回路，所述三次谐波滤波补偿回路和五次谐波滤波补偿回路均具有三条所述滤波补偿支路，所述各滤波补偿回路的三条滤波补偿支路采用三角形接法连接于升压变压器二次绕组的三相上。
4.根据权利要求3所述的矿热炉低压侧升压无功补偿滤波装置，其特征在于：所述矿热炉低压侧升压无功补偿滤波装置还包括微机综合保护装置，所述三次谐波滤波补偿回路和五次谐波滤波补偿回路中还设有用于采集支路电流信号并提供给所述微机综合保护装置的电流互感器，所述微机综合保护装置电连接所述电流互感器，在电流异常时控制切断所述高压无源滤波补偿装置。
5.根据权利要求3所述的矿热炉低压侧升压无功补偿滤波装置，其特征在于：所述滤波补偿支路中还串接有喷逐式熔断器。
6.根据权利要求3所述的矿热炉低压侧升压无功补偿滤波装置，其特征在于：所述滤波补偿支路中还串接有隔离开关。
7.根据权利要求1-6任一项所述的矿热炉低压侧升压无功补偿滤波装置，其特征在于：所述高压滤波电容器采用双面粗化聚丙烯膜作固体介质，苄基甲苯或二芳基乙烷作液体介质，以折边铝箔为极板。
8.根据权利要求1-6任一项所述的矿热炉低压侧升压无功补偿滤波装置，其特征在于：所述滤波电抗器为干式空心结构，采用电工专用玻璃纤维束预浸环氧树脂后成型。
9.根据权利要求I所述的矿热炉低压侧升压无功补偿滤波装置，其特征在于：所述电能质量监测控制器主要包括数字处理内核、16位A/D模块、高精度电流电压互感器和继电器，所述数字处理内核由DSP、FPGA, ARM构成；所述高精度电流电压互感器通过所述16位A/D模块连接所述数字处理内核，所述数字处理内核连接所述继电器。
10.根据权利要求I或9所述的矿热炉低压侧升压无功补偿滤波装置，其特征在于：所述电能质量监测控制器与后台监控系统之间采用有线通讯方式或无线通讯方式，所述有线通讯方式包括通过以太网、RS485或RS232连接，所述无线通讯方式包括通过GPRS、CDMA或3G 进行通讯。
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