刘义
摘 要：本文结合弹扁生产线的用电负荷特点，概述了三轧厂改造工程6kV供电系统无功补偿与谐波治理的设计方案，并进行了分析计算。同时对投运后的谐波治理效果进行了实测和分析。
关键词：无功补偿 谐波治理 轧钢厂供电系统
1．工程概况
第三轧钢厂是原650开坯车间改造而成的3/4连轧窄带钢-弹扁复合生产线，设计年生产能力只有38万吨。为适应公司发展要求，提高产品质量，尽快实现弹扁质量升级换代，同时扩大产品规格范围，提高产量，南钢公司决定对这条生产线进行优化改造。
改造完成后，该生产线形成由19架轧机组成的全连轧生产线，其中粗、中轧机组之间采用脱头轧制。全车间用电设备的总装机容量约为21915kW，其中直流调速电气设备的安装总容量为16530kW，高压配电室6kV侧总的计算负荷为：
有功功率 14318kW
无功功率 12781kvar 视在功率 19193kVA 自然功率因数 0.75
由此可见6kV供电系统自然功率因数低于供电部门0.92以上的基本要求，同时由于系统内的直流整流装置将产生大量谐波，故在6kV供电系统内需增设谐波吸收及无功功率补偿装置（FC）。
2．6kV供电系统无功补偿与谐波治理技术方案
2.1原有情况介绍：
用户原有生产线安装一套6kV滤波补偿装置，原滤波装置供货方出具的基本数据如下表：
表1 原有滤波补偿装置技术参数 组别 元基本参数 件 H5 H7 H11 H3 安装容量（kvar） 900 3000 1500 1800 电 基波容量（kvar） 450 2083 1029 1255 容 额定电压（kV） 5.0 4.2 4.2 4.4 器 额定电流（A） 81 238 119 137 额定电感（mH） 10.61 1.146 0.928 11.41 电 额定电流（A） 81 238 119 137 抗 基波品质因数 39 29 16 43 器 谐波品质因数 134 114 69 109 根据以上数据及实际运行情况分析，原有滤波器存在以下问题： 1）容量设计过大：当时设计基波补偿容量为3813.76kvar，滤波器实际总基波补偿容量4817 kvar。导致部分滤波器无法投入，造成投资浪费。
2）滤波器参数不合理：滤波支路设计时没有经过安全校核，与同一份资料提
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供的谐波数据矛盾，导致5次滤波器过载无法运行。同时滤波支路设置不合理，滤波效果差。用户实际使用时频繁发生设备跳闸和损坏情况。
3）原有数据错误：表中下划线倾斜字体为明显计算错误部分。
4）运行方式不可行：用户2段母线分段运行，两段母线负荷性质和谐波特征类似，5、7次滤波器和11、3次滤波器分别通过开关柜与一段母线相连。这必然会使11、3滤波器投入后对该段母线的5、7次谐波放大，导致设备损坏。
2.2此次改造方案：
在本次改造工程中，将原有两段母线合并为6kV母线I段，新增了6kV母线II段和6kV母线III段。同时对新6kV I段母线负荷进行调整，需要补偿的基波无功功率为3100 kvar，优先考虑对原有滤波器进行改造以适用于新的6kV I段母线，尽可能降低投资。经过对原有滤波器参数和新供电系统的详细分析计算，经过改造的6kV I段母线滤波补偿装置方案如下：
表2 新6kV I段母线滤波补偿装置技术参数 组别 元基本参数 件 H5（原H3） H7（原H11） H11（原H7改） 安装容量（kvar） 1800 1500 1500 电 基波容量（kvar） 1162 1042 1029 容 额定电压（kV） 4.4 4.2 4.2 器 额定电流（A） 136 119 119 额定电感（mH） 4.22（新） 2.31（新） 0.928（原H11） 136 119 119 电 额定电流（A） 抗 调整范围 ±5% ±5% ±5% 器 基波品质因数 > 60 > 40 16 外径（mm） 800 800 待查 具体方案描述：
1）将原H3改造为H5，更换3台新滤波电抗器； 2）将原H11改造为H7,更换3台新滤波电抗器；
3）将原H7改造为H11，滤波电容器减少一半（1500kvar），将原H11换下的电抗器替换原H7电抗器。
4）保留原H5回路，作为提高功率因数的备用手段，必须与新H5同时使用。 5）更换开关柜二次回路继电器，重新设置保护定值。
6）运行时先投入H5、H7,再投入H11，如果需要进一步提高功率因数，可将H11和原有H5同时投入，同时滤波效果可以完全满足国家标准要求。
7）H5、H7、H11投入后发出基波无功功率3233 kvar 〉3100 kvar，功率因数达到设计要求。
8）下划线倾斜字体部分为新增设备。
2.3新增6kV母线II段滤波补偿方案
新6kV II段母线整流设备较多，谐波含量大，需要补偿基波无功功率3800kvar，经过分析计算，滤波补偿装置方案如下表：
表3 新6kV II段母线滤波补偿装置技术参数
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元基本参数 件 安装容量（kvar） 电 基波容量（kvar） 容 额定电压（kV） 器 额定电流（A） 额定电感（mH） 电 额定电流（A） 抗 调整范围 器 基波品质因数 外径（mm） 组别 H5 2400 1550 4.4 182 3.15 182 ±5% > 60 〈 800 H7 1800 1139 4.4 136 2.12 136 ±5% > 40 〈 800 H11 1800 1125 4.4 136 0.85 136 ±5% > 20 〈 800
具体方案描述：
1）由于母线仅设置一台开关柜用于滤波补偿，同时考虑控制的灵活性、可靠性，本方案选择DZFC自动滤波补偿装置。采用TCK3000高压自动投切控制器，检测负载的变化情况进行综合控制，投切元件为电容器专用高压真空接触器。每个滤波支路设置微机综合保护器。
2）每个滤波单元设置控制柜、电容柜、电抗器间隔，结构紧凑、占地面积小，现场安装简便快速，全部占地面积15米*2.5米，房屋净高4米。
3）控制回路延时不超过5分钟，在保证安全的前提下尽可能提高跟踪补偿精度，日平均功率因数 〉0.92以上。
4）设备工作期间完全不需要人员干预，每个支路都具备过压、欠压、过流、速断、开口三角电压等保护，同时电容器内置熔断器、放电电阻，柜内还设置过电压保护装置等保护措施，可以确保装置的安全可靠运行。
5）经过仿真计算，滤波效果显著，可以完全满足国家标准要求，同时可发出3814kvar基波无功，满足补偿基波无功功率3800kvar的基本要求。
2.4 新增6kV母线III段滤波补偿方案
新6kV III段母线主要负载是普通动力设备，包含少量辊道、变频器等谐波负载，谐波畸变较小，同时部分低压母线配置了补偿设备，6kV母线需要补偿基波无功功率为1100kvar，经过分析计算，滤波补偿装置方案如下表：
表4 新6kV III段母线滤波补偿装置技术参数 元件 基本参数 H5 安装容量（kvar） 1800 基波容量（kvar） 1162 电容器 额定电压（kV） 4.4 额定电流（A） 136 额定电感（mH） 4.22 额定电流（A） 136 电抗器 调整范围 ±10% 基波品质因数 > 60 外径（mm） 〈 800
具体方案描述：
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1）由于本母线负荷以动力负荷为主，负荷波动较小，本补偿方案选择DFC固定滤波补偿装置。
2）装置由隔离柜、电容柜、电抗器间隔组成，结构紧凑、占地面积小，现场安装简便快速，占地面积4米*2.5米，房屋净高4米。
3）装置可发出1162kvar基波无功功率，满足补偿基波无功功率1100kvar的基本要求。
3．6kV供电系统无功补偿与谐波治理装置投运后测试分析
3.1. 标准限值 谐波电压标准
执行标准：国家标准GB/T14549 《电能质量－公用电网谐波》 电网标称电压 kV 0.38 6 10 35 66 电压总谐波畸变率 % 5.0 4.0 3.0 各次谐波电压含有率% 奇次 4.0 3.2 2.4 偶次 2.0 1.6 1.2 标 准 电 压 kV 6 6 110 2.0 1.6 0.8 谐波电流标准
执行标准：国家标准GB/T14549 《电能质量－公用电网谐波》。 谐波次数及谐波电流允许值A 基准 短路 容量 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 MVA 8.7.6.6.5.4.100 43 34 21 34 14 24 11 11 5 16 1 13 1 8 3 10 7 70553455233918181326112110118.167.164 .5 .8 .4 .8 .0 .4 .0 .0 .9 .2 .6 .3 .0 .2 7 .4 7 功率因数
根据《国家电网公司电力系统电压质量和无功电压管理规定》第二十四条 电力用户的无功补偿：电力用户应根据其负荷的无功需求，设计和安装无功补偿装置，并应具备防止向电网反送无功电力的措施。
1)35 kV及以上供电的电力用户，可参照第二十条规定执行。
2)100 kVA及以上10 kV供电的电力用户，其功率因数宜达到0.95以上。 3)其他电力用户，其功率因数宜达到0.90以上。
3.2．FC装置投运前后电能质量数据对比分析
此次电能质量数据测试旨在分析FC装置对轧机系统无功功率补偿的效果，以
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9.4.0 3 147..8 1 及对系统产生的谐波电流进行治理的效果和对系统功率因数改善的效果。正常情况下，应将所有FC装置全部投入，以对整套装置效果进行综合分析及验证，但由于轧机系统为新建项目，刚刚建设完成投入使用，部分负荷还处在试运行阶段，其中某些负荷工作特性还不稳定，未能全部投入使用。若将FC装置全部投入，势必造成无功功率的过补偿，对系统倒送无功，降低系统功率因数，所以根据现场实际生产情况，只投入5次滤波装置，刚好能满足现有负荷情况，因此以下各测试数据分析均是在只投入5次滤波装置的情况下进行的。 6kVⅠ段母线：
1）6kVⅠ段母线无功功率对比分析 FC装置5次滤波器投入前：
FC装置5次滤波器投入后：
上图为FC装置5次支路投入前后无功功率的测量曲线图，由图中可见，从3月11日开始测试，在未投入FC装置前的时间段内，系统无功功率大约为1Mvar，从3月12日11：08分开始投入FC后，系统无功功率降至0.6Mvar左右，在后续投入过程中一直比较稳定，起到了无功补偿的作用。
2）6kVⅠ段母线功率因数对比分析 FC装置5次滤波器投入前：
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FC装置5次滤波器投入后：
上图为FC装置5次支路投入前后功率因数的测量曲线图，由图中可见，从3月11日开始测试，在未投入FC装置前的时间段内，系统功率因数大约在0.7左右，从3月12日11：08分开始投入FC后，系统功率因数升至0.9左右，在后续投入过程中一直比较稳定，起到了改善功率因数的作用。 3）6kVⅠ段母线谐波对比分析 FC装置5次滤波器投入前：
3次谐波电压测试曲线
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5次谐波电压测试曲线
7次谐波电压测试曲线
11次谐波电压测试曲线
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3次谐波电流测试曲线
5次谐波电流测试曲线
7次谐波电流测试曲线
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11次谐波电流测试曲线
FC装置5次滤波器投入后：
3次谐波电压测试曲线
5次谐波电压测试曲线
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7次谐波电压测试曲线
11次谐波电压测试曲线
3次谐波电流测试曲线
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5次谐波电流测试曲线
7次谐波电流测试曲线
11次谐波电流测试曲线
上图为FC装置5次支路投入前后2，3，5，7，11，13次谐波电压和谐波电流的测量曲线图，由图中可见，从3月11日开始测试，在未投入FC装置前的时间段内，系统5次谐波电压大约在20V左右，5次谐波电流大约在30A左右，从3月12日11：08分开始投入FC后，系统5次谐波电压基本消除，5次谐波电流则降至15A左右，滤波效果显著，在后续投入过程中一直比较稳定，起到了滤除谐波
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的作用。而其他未设计或未投入的谐波次数的电压和电流等指标基本未发生变化，从而进一步证明了5次滤波支路参数设计的准确性和加装7，11次滤波支路的必要性。
6kVⅡ段及III段母线测试数据与I段母线基本相同。
4．结论
FC装置在投入以后，很大程度上提高了电能质量，具体体现在以下几个方面： 1）系统无功功率得到补偿，效果明显； 2）系统功率因数得以改善，分别由补偿前的0.7和0.6提高到补偿后的0.9左右； 3）系统谐波得到治理，滤除效果明显，为产品生产的质量和可靠性提供了保障。 4)以上测试是均在只投入一组滤波补偿装置的情况下进行的，若所有补偿装置全部投入，谐波治理的效果将更加明显和有效.
参考文献：
[1] 鲍德芝.曹邦和 钢铁企业电力设计手册.冶金工业出版社, 1996.
[2] 刘国庆, 杨庆东. ANSYS工程应用教程（机械篇）. 北京: 中国铁道出版社, 2003.
[3] 天津电气传动设计研究所. 电气传动自动化技术手册.机械工业出版社, 2005.
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