电石炉无功补偿装置应用.docx

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电石炉无功补偿装置应用

浅谈短网在电石炉生产中的影响

摘要：

电石炉生产关键在于变压器的功率因数、短网损失和原料质量，本篇文章主要介绍短网在电石炉对电能质量和电能效率影响的产生原因，对短网的特殊性进行简单介绍。

。

关键词：

　电石炉短网长度损耗

一、密闭性电石工作原理

电石炉是以高电阻率的矿石为原料，在工作过程中电极的下部一般是埋在炉料里面的。

其加热原理是：

既利用电流通过炉料时，炉料电阻产生的热量，同时也利用了电极和炉料间的电弧产生的热量。

二、密闭性电石炉结构特点及工作特点

三、补偿原理

　三、结构特点

矿热炉是一种耗电量巨大的工业电炉。

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，矿热炉变压器及各种电器设备等组成。

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，矿热炉系统损耗如下图所示

由上图可见，短网的损耗占据了系统自身损耗的70%以上，而短网是一个大电流工作的系统，最大电流可以达到上万安培，因此短网的性能在很大程度上决定了矿热炉的性能，由于短网的感抗占整个系统的70%以上，不论是高烟罩开放式炉、矮烟罩半密闭式炉还是全密闭式炉的短网系统的感抗均较大，基于这个原因，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，浪费大量电能，且被电力部分加收额外的电力罚款，同时由于电极的人工控制以及堆料的工艺，导致三相间的电力不平衡加大，最高不平衡度可以达到20％以上，这导致冶炼效率的低下，电费增高，因此提高短网的功率因数，降低电网不平衡就成了降低能耗，提高冶炼效率的有效手段。

如果采取适当的手段，提高短网功率因数，改善电极不平衡度，那么将可以达到以下的效果：

A、降低生产电耗3%～6％；

B、提高产品产量5%～15％。

四、电石炉高、低压无功补偿方式选择及依据：

为了解决电石炉功率因数低的问题，目前一般采用电容补偿的方式来解决，常用补偿方式分为高压补偿和低压补偿两种。

高压补偿的特点：

（一）高压补偿优点：

设备简单，投资少，集中补偿，占地空间较小。

（二）高压补偿缺点：

　　之前，在我公司采用高压集中补偿手动投切电容器的方式控制补偿容量。

这种控制方式使高压补偿普遍出现下述问题：

（1）能够提高供电线路的功率因数，避免电力部门的力率电费罚款，但是不会改变无功电流在短网和变压器低压侧的流转和耗能，不能提高变压器的有功出力，不能改变三相不平衡的运行工况。

（2）补偿精度不高。

靠人工控制投切，在操作时，从观察功率因数的变化，到了解负荷变化，再选择各组电容器容量，最终采用投切电容器，操作人员的判断与实际情况必然存在较大时差。

出现该投未投，该切未切。

因此人工操作投切，费时费力，补偿容量都只能采用大组的方法，一般都是上千乏（kVar）一组，无法实现小组投切，如此必然使投切容量过大，同样影响补偿精度，另外，由于高压操作的危险性，同样使操作人员尽量减少投切的操作频度，客观上极难做到投切随时。

（3）传统的人工控制补偿手段由于存在上述问题，显然已无法满足电网安全，设备高效，经济效益优化的现代化企业管理要求。

尤其是各地对企业用电功率因数与电压合格率提高标准后，人工控制手段的落后更为明显。

（4）目前高压补偿采用的控制器，对于高压电网，不能实现频繁投切。

（三）低压补偿特点

（1）低压补偿优点：

方便维护，电气元件容易更换。

三相分开控制，根据各相电极的无功损失分相进行补偿。

（2）由于电石炉整个配电网中，最大的无功消耗在短网上，当低压补偿补偿了低压侧短网的无功功率后，同样能够提高供电线路的功率因数，避免电力部门电费罚款（功率因数

<0.9时，电力公司对用电单位进行处罚）。

（3）同时提高变压器的有功输出能力，提升变压器二次电压，有利于电石炉电极的下插，单项控制，分相动态补偿可使达到三相功率平衡。

使电石炉的功率中心、热力中心和炉膛中心重合。

使坩埚扩大，热量集中，提高炉面温度，使炉内反应加快，达到降耗和增产的目的，增加了电石炉的使用寿命。

综上可见：

依据无功补偿的原则，哪里需要哪里补，根据变压器自身的铁损、铜损及其容量，根据流转于短网、电极等处大量的无功功率，动态分相补偿足量的低压补偿为最佳的补偿方式。

五、选择低压无功补偿对电石炉的影响：

（一）根据我公司电石炉新增低压无功智能补偿装置，短网电压在补偿后明显提高，便于电极适度深插，特别有利于在埋弧状态下扩大熔池体积，提高熔池温度，能够在增加产能的同时减少热耗散。

（二）提高产能、产量，降低炉变自身损耗率和电炉能量损失率，降低产品单耗。

（三）低压补偿分相补偿于短网末端，充分实现就地补偿原则。

采用动态分相补偿，可平衡三相电极功率，减少热能在电极间流转的消耗。

六、电石炉低压补偿选型：

（一）补偿电容量的正确选择，是获得良好补偿效果的重要环节，具体选择时，可考虑如下几个因素：

（1）供电变压器的空载无功补偿

一般可选变压器总容量3%的并联电容器作为固定补偿，以补偿变压器的空载无功损耗。

（2）确定多路补偿的容量梯度

了解用电负荷的最大值、最小值、负荷的波动情况，根据具体情况以确定电容器的投切步长和分组路数，做到对无功变化的精确跟踪。

（3）平衡补偿、分相补偿、复合补偿的选择

确定三相负荷的不平衡程度，必要时需进行现场测量，以确定采用三相平衡补偿还是采用复合补偿方式。

当三相严重不平衡时，最好选用适当容量的分相补偿。

（4）确定补偿电容器的总容量

测量自然功率因数，确定目标功率因数，根据两者之差确定所需要的无功补偿总容量。

若已知：

有功功率P，自然功率因数

，目标功率因数

。

则所需补偿的电容器总容量为：

Q=

。

（5）例如：

新疆中泰矿冶有限公司30000KVA密闭电石炉计算所需补偿量。

1：

Q=

=

=12660Kvar

根据变压器超负荷运行时1.2倍计算，

还有根据电容器在额定的电压下可以达到额定输出量

电容器在使用过程中因为自身损耗

综合以上三点我公司对补偿量要求为变压器额定功率补偿的1.6倍计算。

Q=12660Kvar×1.6=20256Kvar，因此我公司30000KVA电石炉在补偿20256Kvar可满足需求。

（二）补偿点的选择

（1）对于高压供电系统，在变电站35千伏母线上装设集中补偿方式的并联电容器组，只能增大变压器与35千伏母线之间及上一级电压等级线路的功率因数，对变压器低压侧的功率因数

值不能改变，短网上各配电变压器所提供的无功功率仍需从这里送出，各送出线路上的线损不能降低。

所以对于高压供电系统的无功补偿，最好选择随线路上配电变压器装设低压无功补偿装置，进行分散补偿方式。

这种方式易于根据无功负荷需要选择补偿容量，具有“哪里缺在哪里补，缺多少补多少”，同时还能把一级电压等级的线路线损降低一部分的特点。

七、投用后的验证

3#、4#电石炉低压补偿安装前后数据（表1）

改造前

改造后

效果对比

设备名称

功率因数

电耗（t/kw.h）

功率因数

电耗（t/kw.h）

提升功率因数

电耗降低

3#电石炉

0.83

3362.57

0.915

3173.52

0.085

189.05

4#电石炉

0.84

3254.59

0.91

3220.57

0.07

34.02

改造前

改造后

效果对比

设备名称

功率因数

电耗（t/kw.h）

功率因数

电耗（t/kw.h）

提升功率因数

电耗降低

3#电石炉

0.84

3242.06

0.91

3148.74

0.07

93.32

4#电石炉

0.84

3266.89

0.92

3077.25

0.08

189.64

改造前

改造后

效果对比

设备名称

功率因数

电耗（t/kw.h）

功率因数

电耗（t/kw.h）

提升功率因数

电耗降低

3#电石炉

0.83

3329.95

0.91

3293.45

0.07

36.5

4#电石炉

0.84

3258.54

0.91

3225.65

0.06

32.89

图表1：

节能电耗图表

表格2功率因数图表

依据表1计算：

已知单位吨电耗3300kw.h/t，每月平均吨电石电耗H，每月吨电石节能电耗N，节电率S%。

每千瓦.时0.41元，低压无功装置总投资648万。

S%={（N1+N2+N3+N4+N5+N6）÷（H1+H2+H3+H4+H5+H6）}×100%

=（575.42÷19714.6）×100%≈3%

C=3300×3%×100000=99×0.41×100000=4059000元

按节电3%计算，我公司新增低压无功补偿装置19个月即可收回投资成本。

八:

结论

经过对我公司两台电石炉在正常运行状态下的测试数据，表1和柱形图得出两台电石炉在投入低压补偿后产量明显增加，吨电石生产电耗有所下降。

由此得出低压补偿装置可以提高变压器输出功率，降低无功损耗。

电石炉的生产过程低压无功补偿装置运行正常，安全可靠，取得显著的经济效益最终达到节能目的。

随着经济的日益发展,电力需求不断提高,伴随而来的突出问题是能源无效的巨大消耗,资源利用率低下，能源的合理配置是极需解决的问题功率因数是决定电石炉系统经济效益的一个极为重要的因素。

一、矿热炉简介

   矿热炉又称电弧电炉或电阻电炉，亦称还原电炉或矿热电炉，电极一端埋入料层，在料层内形成电弧并利用料层自身的电阻发热加热物料；常用于冶炼铁合金（见铁合金电炉），熔炼冰镍、冰铜（见镍、铜），以及生产电石（碳化钙）等。

它主要用于还原冶炼矿石，碳质还原剂及溶剂等原料。

主要生产硅铁，锰铁，铬铁、钨铁、硅锰合金等铁合金，是冶金工业中重要工业原料及电石等化工原料。

其工作特点是采用碳质或镁质耐火材料作炉衬，使用自培石墨电极。

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的因炉料的电阻而产生能量来熔炼金属，陆续续加料，间歇式出铁渣，连续作业的一种工业电炉。

同时电石炉、黄磷炉等由于使用状况和工作状态相同，也可以归结在矿热炉内，但是由于黄磷炉的。

纯阻性负载情况，因此也有将黄磷炉归结到电阻炉的说法。

二、矿热炉主要类别、用途

注：

电耗值随原料成分、制成品成分、电炉容量、操作工艺等的不同而有很大差异。

这里是一个大概值。

三、结构特点

   矿热炉是一种耗电量巨大的工业电炉。

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，矿热炉变压器及各种电器设备等组成。

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，矿热炉系统损耗如下图所示

   由上图可见，短网的损耗占据了系统自身损耗的70%以上，而短网是一个大电流工作的系统，最大电流可以达到上万安培，因此短网的性能在很大程度上决定了矿热炉的性能，由于短网的感抗占整个系统的70%以上，不论是高烟罩开放式炉、矮烟罩半密闭式炉还是全密闭式炉的短网系统的感抗均较大，基于这个原因，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，浪费大量电能，且被电力部分加收额外的电力罚款，同时由于电极的人工控制以及堆料的工艺，导致三相间的电力不平衡加大，最高不平衡度可以达到20％以上，这导致冶炼效率的低下，电费增高，因此提高短网的功率因数，降低电网不平衡就成了降低能耗，提高冶炼效率的有效手段。

如果采取适当的手段，提高短网功率因数，改善电极不平衡度，那么将可以达到以下的效果：

A、降低生产电耗3%～6％；

B、提高产品产量5%～15％。

   从而给企业带来良好的经济效益，而投入的改造费用可以在创造的综合效益中短期内收回。

一般情况下为了解决矿热炉自然功率因数低下的问题，我国目前多采用在高压端进行无功补偿的方法来解决，高压补偿仅仅是提高了高压侧的功率因数，但是由于低压端短网系统的巨大的感抗所产生的无功功率依然在短网系统中流动，同时三相不平衡是由于短网的强相（短网较短故感抗较小、所以损耗较小，输出较大故名强相）和弱相造成的，因此高压补偿不能解决三相平衡的问题，也没有达到抵消短网系统无功、提高低压端功率因数的作用，由于短网的感抗占整个系统感抗的70％以上，所以不能降低低压端的损耗，也不能增加变压器的出力，但可以避免罚款，仅仅是对供电部门有意义。

   相对高压补偿而言，低压补偿的优势除提高功率因数外,主要体现在以下几个方面：

   1）、提高变压器、大电流线路利用率，增加冶炼有效输入功率。

   针对电弧冶炼而言，无功的产生主要是由电弧电流引起的，将补偿点前移至短网，就地补偿短网的大量无功消耗，提高电源输入电压、提高变压器的出力、增加冶炼有效输入功率。

料的熔化功率是与电极电压和料比电阻成函数关系的，可以简单表示为P=U2/Z料。

由于提高了变压器的载荷能力，变压器向炉膛输入的功率增大,实现增产降耗。

   2）、不平衡补偿，改善三相的强、弱相状况。

   由于三相短网布置和炉体、炉料等总是不平衡的，三相不同的电压降、不同的功率，就导致了强、弱相现象的形成。

采取单相并联的方式进行无功补偿，综合调节各相补偿容量，提高炉心功率密度和坩锅均匀度，使三相电极的有效工作电压一致、平衡电极电压、均衡三相吃料，改善三相的强、弱相状况，达到增产、降耗的目的。

同时，改善三相不平衡现象，改善了炉膛工作环境，延长了炉子使用寿命。

   3）、降低高次谐波，减少谐波对整个供电设备的危害，减小变压器及网络附加损耗。

   4）、提高了电能质量，改善了系统电气参数，提高了产品质量。

   下图反应了高压补偿和低压补偿时的无功功率的流动方向。

从图中可以清晰的看出高压补偿不能降低损耗和增加变压器出力的原因：

   因此目前也有部分单位采取了低压端进行无功补偿的措施，来解决以上的问题，在短网端进行补偿能够大幅提高短网端的功率因数，降低电耗，针对炉变低压侧短网的大量无功消耗和不平衡性，兼顾有效提高功率因数而实施无功就地补偿技术改造，从技术上来讲是可靠、成熟的，从经济上来讲，投入和产出是成正比的。

在矿热炉低压侧针对短网无功消耗和其布置长度不一致导致的三相不平衡现象而实施的无功就地补偿，无论在提高功率因数、吸收谐波，还是在增产、降耗上，都有着高压补偿无法比拟的优势。

但是由于传统的补偿投切技术（如采用交流接触器投切）投切开关数量多，成本较高，同时由于工作环境恶劣，因此寿命受到极大的影响，根据调查统计，目前已有的采用传统方式投切的低压补偿使用寿命很难超过一年，因此给企业带来很大的维护量，投资回收周期加长，由于后续维护费用高，综合效益不佳。

   BWKN-3500型无功补偿控制器（矿热炉短网专用型），为适应矿热炉的工作特性专门开发和设计的用于矿热炉系统的无功补偿控制器（矿热炉短网专用型），该控制器具有改善电能质量的理想功能，主要具有提高矿热炉功率因数、节约能源、提供电压支撑、减少闪变等功能。

   该控制器具有以下显著特点：

▲三相分别补偿，降低三相不平衡度，有效增产降耗。

▲极大改善电压跌落和闪变。

▲任何时刻实现自由投切。

▲具有高度的可靠性，可实现免维护以及无人值守。

▲多重保护设计，最大限度避免了电容器以及电子开关的损坏。

（根据不同客户制订）

▲显著提高供电系统利用率。

▲主要技术参数：

控制器主要依据：

设计规范：

DL/T597-1996；

额定电压：

220V；

基波频率：

50Hz；

控制物理量：

无功功率Q；功率因数COSΦ；

无功补偿容量单路设定值：

0---9999KVAR

工作制：

连续工作；

环境温度：

-5℃～+70℃；

相对湿度：

日平均不大于95%，月平均不大于90%（户内），不凝露；

补偿方式：

分相分级补偿。

（可根据客户需求订制）

▲性能特点

可分相、分级、循环、电子开关投切；

可分相分级补偿。

配置完善的保护功能；

自动控制投切，装置运行无须人工干预，安全高效。

四、矿热炉低压补偿技术特点

补偿方式

   由于目前大多数的矿热炉变压器采用了开口三角多路输出方式，短网系统只有在电极上才连接成三角形，对于炉变来说，每相输出均为单相输出，电压低，电流大。

对于短网来说，均采用单相交叉排列的方式输出，如下图所示（不论是三相变压器还是单相的方式相同）：

补偿连接方式

   下图显示了目前补偿装置与矿热炉短网系统的连接方式（下图分别标示的是三相变压器和单相变压器的接法，可以看出接法是相同的）

红色方块位置为补偿装置的连接点（硬短网与软电缆连接处）

备注：

如果炉体短网部分的软电缆部分采用水冷电缆，且上部空间较大，补偿装置安装在集电环处将可以取得更好的效果（一般不建议安装在集电环处因为安装工艺复杂，需要处理较多的绝缘等部位，因此需要客户根据实际情况自行确定。

）

均衡投切模式

   BWKN-3500型动态无功补偿控制器（矿热炉短网专用型）具有独特的均衡投切特性，配合电子开关可以有效降低电容器过电流并降低电容器温升，延长了电容器的使用寿命，可以在同时完成投入一组电容和切除另外一组电容，使得所有电容器按顺序投入运行，同时保证总补偿容量不变，从而降低了每一组电容器的平均电流，平均电流也更加均匀了。

快速精确的测量系统

   BWKN-3500型动态无功补偿控制器（矿热炉短网专用型）采用瞬时无功算法，每个周期进行16次计算，分析各相参数，功率信息，系统状态，分别检测三相相关电学参数，分相投切，能够有效提高功率因数，降低三相不平衡度。

理想的功率因数控制

   利用高级自动的控制算法和快速的电子开关，在毫秒级的时间内完成全部操作，完全补偿无功电流分量，而无需分阶段完成补偿操作。

通过先进的开闭环的控制和测量系统可以实现精确的功率因数控制。

本控制器采集了包含各次谐波在内的3相系统的全部信息，按照实时功率因数进行无功功率控制，做到任何时刻的功率因数最优控制。

同时能够有效降低电网电压跌落以及闪变。

多重的保护技术（本功能需要订制）

   以往的低压无功补偿系统，对于系统的保护一般比较完善，但对于各个支路的保护则非常简单，而BWKN-3500动态无功补偿控制器（矿热炉短网专用型）可以为每一个支路提供包括可控硅短路、超温、水压缺失等多重预防性保护，最大限度的避免各个支路发生破坏性故障，可大大提高设备的安全保护水平，延长设备使用寿命。

五、BWKN-3500型动态无功补偿控制器（矿热炉短网专用型）常见电能质量问题解决方案

常见问题

   电能质量是指发生在电压、电流和频率上的所有异常状况。

这些异常状况会导致电力设备故障，供电中断，供电系统失效等问题。

这些异常通过谐波、功率因数、电压下跌/升高、电压闪变、瞬时电流等其他形式表现出来。

BWKN-3500型动态无功补偿控制器（矿热炉短网专用型）安装在短网末端，为矿热炉无功补偿装置提供强大的技术支撑，下面对BWKN-3500型动态无功补偿控制器（矿热炉短网专用型）在解决矿热炉各种电能质量问题上的应用做一个介绍。

▲电压下降（电压跌落及电压偏低）

   电压下降，无论是电压跌落还是电压偏低，通常是由负载侧剧烈的负载变化造成的，这种情况通常也伴随着低功率因数和较大的无功能量需求。

BWKN-3500型动态无功补偿控制器（矿热炉短网专用型）的超快技术正是为这种适用特殊工况而设计的。

它可以在毫秒级的时间内投入全部所需电容器，用以补偿无功需求。

从而使得电压下跌降至最小化，甚至完全消除电压下跌。

▲功率因数

   在很多场合，功率因数低带来的功率因数罚款以及有功消耗的增加，会导致用户用电费用的增加。

同时功率因数低还会使得系统损耗增加，产生过热，增加维护成本与时间、降低设备利用率。

BWKN-3500型动态无功补偿控制器（矿热炉短网专用型）的无功量计算投入是低功率因数最重要的解决方式，它可以有效防止用电量的增加，节约能源，降低维护成本并增加设备利用率。

▲瞬时冲击

   瞬时冲击会对设备产生严重损坏，产生不可测的供电系统崩溃，甚至损毁电容器。

BWKN-3500型动态无功补偿控制器（矿热炉短网专用型）的高速计算响应速度支撑了矿热炉低压动态补偿装置使用无冲击自由投切技术完全消除电容投切过程中产生的涌流，延长电容器使用寿命，降低维护成本，提高供电系统可靠性。

▲供电设备利用率

   BWKN-3500型动态无功补偿控制器（矿热炉短网专用型）可以控制矿热炉低压动态补偿装置减小平均电流，平滑电流波形，从而最大限度的提高现有供电设备的利用率。

通过安装矿热炉低压动态补偿装置，可以使现有供电设备的利用率提高到80%甚至更高。

六、小结

   BWKN-3500型动态无功补偿控制器（矿热炉短网专用型）以高性能工业应用芯片为基础，内含LCD显示，模拟和数字线路，精确触发算法和准确的谐波检测，可选的通信功能。

采用同步采集技术，高保真的保持了各模拟量之间的相位信息，使用瞬时无功算法，计算所需补偿容量仅需1ms，可以在一个周期内得到所有通道的各种信息。

BWKN-3500型动态无功补偿控制器（矿热炉短网专用型）内置傅里叶变换算法，在含谐波的场合也可准确地计算出无功、有功等物理量，从而实现精确补偿。

   矿热炉低压动态补偿装置是矿热炉电能质量问题的理想解决方案。

BWKN-3500型动态无功补偿控制器（矿热炉短网专用型）能够实现近乎完美的无功+功率因数控制，能够增强供电网稳定性、较大幅度的提高产量和理想的节能效果。

在很多场合，安装慢速响应的或准实时的无功补偿装置会降低电能质量甚至造成能源的浪费，安装像矿热炉低压动态补偿装置这样的真正的低压动态功率因数补偿装置设备是最科学的解决方案。