锌冶炼厂整流变压器的补偿和消谐分析

马 亭

(中国恩菲工程技术有限公司， 北京 100038)

锌冶炼厂整流变压器的补偿和消谐分析

马 亭

(中国恩菲工程技术有限公司， 北京 100038)

本文针对锌冶炼厂大量应用整流变压器的背景，分析了无功功率与高次谐波的产生原理和对策，分析和探讨了整流变压器动态电容补偿和消除谐波的三种方法，给出了相应方案，并对三种方案进行了比较，得出了有实用价值的结论。

整流变压器； 无功功率； 电容补偿

1 无功功率与谐波的产生和对策

无功补偿中的无功功率，是电网内电场与磁场能量的交换，它不对外做功， 凡是有电磁线圈的电气设备，要建立磁场，就要消耗无功功率，而电容器则产生无功功率，无功功率和电网的电压关系很大，要保证有功功率的传导，必须先满足电网的无功功率平衡。

无功功率不消耗电能，只是电场能和磁场能之间相互转换，这种能作为电气设备能够工作的必备条件，并且，在电网中是进行周期性转换。如电磁元件建立磁场占用的电能，电容器建立电场所占的电能，在电感元件中电流滞后于电压90°(见图1)，而在电容元件中电流超前电压90°(见图2)，这样将电容器并联到一般负荷上，感性负荷所需要的无功功率可由电容器输出的无功功率补偿。

感性无功功率：

(1)

图1 感性无功功率波形图

容性无功功率：

(2)

图2 容性无功功率波形图

电网中的电力负荷如电动机，变压器等，大部分属于感性负荷， 在运行的过程中需要向这些设备提供相应的无功功率，在电网中安装并联电容器等容性设备后， 可以供给感性负荷消耗的部分无功功率，使电网电源少向感性负荷提供无功功率，即减少无功功率在电网中的流动。因此，可以降低输电线路因输送无功功率造成的电能损耗，改善电网的运行条件。

在电力系统内，发电机发出的功率与用电设备及送电设备消耗的功率不平衡，将引起电力系统频率变化。当系统负荷超过或低于发电厂的出力时，系统频率就要降低或升高，系统电压也会降低或升高。而提高电力系统电压的有效办法是，增加发电机的出力和投入电网中安装的并联电容器。

电弧炉设备，电气机车及气体电光源会在工作中，产生大量非线性的谐波，并且非线性特性十分严重，属于动态谐波源。可以产生各种高次谐波和间谐波，是重要的冲击源和谐波源。

整流变压器，整流设备属于稳态谐波源，稳态谐波源的特点是当系统网络中的感性和容性负荷不变时，注入网络中的谐波电流也不变。是对电能质量的污染源。但是，与动态谐波源相比，稳态谐波源对电力系统和其它用户设备的危害要轻的多。

对于年产10万t锌的冶炼厂，设有多台AC110 kV，20 MVA，整流变压器，每台整流变压器有一个AC10 kV的电容补偿和消除高次谐波装置，每套电容补偿装置的电容补偿量为5 000 kVAR。整流变压器将AC110 kV电压降低后经整流柜整流后，以直流电的形式，送入电解车间的电解槽。在整流和电解的过程中，会产生大量的高次谐波，有5次谐波，7次谐波，11次谐波，13次谐波等等，由于在整流和电解的过程中，三相电流是对称的，所以没有3次谐波。对于这些谐波，必须消除，进入国家电网的谐波值，一定要满足国家规程的允许值。

对整流变压器的动态电容补偿和消除谐波，一般有三种方法。

(1)智能型自动投切接触器电容器组TSC+滤波。

(2)智能型晶闸管自动控制电抗器静止无功补偿器SVC+滤波。

(3)智能型静止同步无功发生器SVG。

本文将对以上这三种方式进行分析和探讨。

2 采用静止同步无功发生器SVG进行电容补偿和消谐

高压大功率静止无功发生器SVG(见图3)是当今无功补偿领域最新技术的代表，SVG并联于电网中，相当于一个可变的无功电流源，其无功电流可以快速地跟随负荷无功电流的变化而变化，自动补偿系统所需无功功率。SVG不再采用大容量的电容电感器件，而是通过大功率电力电子器件的高频开关实现无功能量的变换，可以动态抑制电网电流谐波，使谐波含量极低，补偿无功功率功能多样化，节约电能，保持接近于1的功率因数，抑制电压波动和闪变的能力更强，平衡电网电压， 加强系统电压稳定性，可消除动态谐波源造成的三相不平衡。

图3 静止无功发生器SVG示意图

适用于采用SVG的领域包括远距离电力传输电网线路，城市二级变电站，区域电网，风电场，轧机，电弧炉，电力机车供电系统，提升机等其它重工业负载。以上应用领域的电气设备都是动态谐波源，而整流变压器所带的电解系统属于稳态谐波源，如果使用SVG为其进行电容补偿和消除谐波，也是可以的，如果甲方有充足的资金，采用SVG的效果将是更好的。但是，如果甲方想节省资金，就没有必要采用这样高档的SVG了。

3 采用晶闸管控制静止无功补偿器SVC+滤波进行电容补偿和消谐

电网电压质量通常以稳定性，对称性及正弦性等指标来衡量，随着现代电力电子设备等非线性负荷大量接入电网，使电网供电质量受到严重影响。

世界各国目前普遍采用SVC(见图4)，用以补偿无功功率，保持接近于1的功率因数，消除无功冲击，滤除高次谐波，对于不对称负荷，利用STEINMETZ理论实现分相调节，消除负序电流，平衡三相电网。

图4 静止无功补偿器SVC示意图

适用于采用SVC的领域包括远距离输电电网线路，变电站，抑制次同步谐振，融冰，轧机，电弧炉，电气化铁路/地铁，风力发电，提升机等其它重工业负载。以上应用领域的电气设备都是动态谐波源。

电气化铁路使用的交直型电动机车，交直型电气化铁路牵引负荷是典型的单相非线性冲击负荷，它对电网的安全稳定和经济运行产生严重的不良影响，具体表现在：(1)采用单相供电，产生很大的负序电流，造成供电电网严重的三相不平衡。(2)产生大量高次谐波，以3，5，7次为主，使电网波形发生畸变。(3)功率因数低。(4)对电网冲击大，影响电能质量。目前世界各国解决这一问题的途径就是在铁路沿线各供电牵引站安装SVC系统，通过分相快速补偿功能来平衡三相电网，保持供电网络电压平稳，无谐波干扰，并提高功率因数。

而整流变压器所带的电解系统属于稳态谐波源，如果使用SVC为其进行电容补偿和消除谐波，效果是更好的。但是，整流变压器及其电解系统是三相对称负载，不需要用SVC平衡三相电网。如果采用SVC的投资，也是较大的。

如果采用SVC进行电容补偿和消除谐波，5 000 kVAR电容器，需分成三组，每组由滤波电容器，空芯电抗器，熔断器和无感电阻器组成，第一组1 500 kVAR，同时消除5次谐波。第二组1 500 kVAR，同时消除7次谐波。第三组2 000 kVAR，同时消除11次谐波。这样使SVC的电容器起到电容补偿和消除谐波的作用。

4 采用自动投切电容器组TSC+滤波进行电容补偿和消谐

在工矿企业中由于大量使用整流器，变频器，电解槽和冶金用电弧炉等非线性负荷，在生产过程中产生大量高次谐波注入电网，使电网波形畸变。这种电力公害严重威胁其它电气设备的安全运行，TSC+滤波以治理谐波为主，兼作无功补偿，不仅能吸收高次谐波，满足国家标准要求，还能提高功率因数，节约电能(见图5)。

图5 自动投切电容器组TSC简图

TSC+滤波由滤波电容器，空芯电抗器，高压防摆式熔断器，无感电阻器，高压真空断路器，高压真空接触器，10 kV放电线圈，带电显示器，高压氧化锌避雷器，电流互感器，隔离开关，高压控制器，高压保护器等组成。

图6 自动投切电容器组TSC示意图

TSC+滤波装置，主要适用于稳态谐波源。对于动态谐波源的效果将会差一些。TSC+滤波装置的价格比SVC+滤波要低很多，比SCG的价格要低的更多了。所以，采用TSC+滤波的这种装置是比较经济的。但是，TSC装置补偿后的功率因数一般只能达到0.92，比SVG和SVC要差很多，为了提高TSC的功率因数，可以增加5 000 kVAR电容器的分组，将5 000 Kvar电容器分为5组：

(1)第1组，1 000 kVAR，同时消除5次谐波。

(2)第2组，1 000 kVAR，同时消除7次谐波。

(3)第3组，1 500 kVAR，同时消除11次谐波。

(4)第4组，1 000 kVAR，同时消除11次谐波。

(5)第5组，500 kVAR，同时消除11次谐波。

共组成6个高压开关柜。

由于TSC装置，还要兼顾滤波的功能，为了满足这种要求，必须按顺序投入和按顺序切除，即投入时，先投入消除5次谐波电容器，再投入消除7次谐波电容器，然后再投入消除11次谐波电容器。切除时，先切除消除11次谐波电容器，再切除消除7次谐波电容器，然后再切除消除5次谐波电容器。

由高压控制器(DSP数字信号处理技术的控制器)控制消除11次谐波的三组电容器的投入，1 500 kVAR，1 000 kVAR，500 kVAR。因此可以形成以下7种组合：

(1)组合1——2 000 kVAR

(2)组合2——2 500 kVAR

(3)组合3——3 000 kVAR

(4)组合4——3 500 kVAR

(5)组合5——4 000 kVAR

(6)组合6——4 500 kVAR

(7)组合7——5 000 kVAR

采用这7种组合的投入和切除，可将整流变压器的功率因数补偿到0.98左右，这样就可以解决TSC+滤波装置，补偿的功率因数低的问题。

DSP数字信号处理技术为用于实时完成数字信号处理的微处理器，即高性能，高速度的单片微处理器。它用数学方法对数字信号进行处理，处理包括变化或提取相应的信息。经典的数字信息处理，如频谱分析，信号滤波。这样的运算，由通用微机处理机来完成。

DSP数字信号处理控制器通过采集整流变压器上的电压，电流信号，并进行傅里叶分析，分析出瞬时的电压，电流波形和有功功率，无功功率，频率，功率因数，有功电度，无功电度，谐波含量柱型图等参数，根据电网系统内所缺少的无功功率，自动控制各高压电容器柜的真空接触器接通或断开，从而自动控制电容器的投入或切除。这种根据负载的无功功率量进行补偿的方式，一般可能将功率因数补偿到0.98左右，且不会使功率因数过补偿。

TSC+滤波装置由进线高压开关柜和5个高压电容器柜组成，进线高压开关柜中安装一个真空断路器，起到对整个装置的保护作用：

(1)1#高压电容器柜安装一个真空接触器，控制1 000 kVAR电容器的投切和消除5次谐波；

(2)2#高压电容器柜安装一个真空接触器，控制1 000 kVAR电容器的投切和消除7次谐波；

(3)3#高压电容器柜安装一个真空接触器，控制1 500 kVAR电容器的投切和消除11次谐波；

(4)4#高压电容器柜安装一个真空接触器，控制1 000 kVAR电容器的投切和消除11次谐波；

(5)5#高压电容器柜安装一个真空接触器，控制500 kVAR电容器的投切和消除11次谐波。

TSC+滤波装置由DSP数字信号处理控制器，控制各高压电容器柜上的真空接触器的投切，当整流变压器的功率因数降低时，增加电容器的投入，提高功率因数，且不会过补偿。当整流变压器的功率因数升高时，切除部分电容器，降低功率因数，使不会过补偿。

5 结论

以上进行了对锌冶炼厂整流变压器的动态电容补偿和消除谐波的三种方法分析，总结三种方法的特点，形成对比表见表1。

表1 锌冶炼厂整流变压器的动态电容补偿和消除谐波方法

如果为了节省资金的投入，采用自动投切接触器电容器组TSC+滤波的这种装置为锌冶炼厂的整流变压器进行电容补偿和消除高次谐波是比较合适的。

Compensation and Harmonic Elimination Analysis of Rectifier Transformer in Zinc Smelter

MA Ting

According to the situation of rectifier transformer widely used in zinc smelter, the paper analyses the generation principle and countermeasures of reactive power and harmonic, discusses the three methods of rectifier transformers dynamic capacitance compensation and harmonic elimination, gives the corresponding program, three options are compared, and gets the practical value of the conclusions.

rectifier transformer； reactive power； capacitance compensation

2015-05-09

马 亭(1962-)，河南唐河人，大学本科，工程师，主要从事电气设计工作。

TM422

B

1003-8884(2015)05-0022-04