大型矿热电炉厂的供电设计

李学文

(昆明有色冶金设计研究院股份公司，云南昆明650051)

大型矿热电炉厂的供电设计

李学文

(昆明有色冶金设计研究院股份公司，云南昆明650051)

随着矿热电炉大型化的发展，电炉变压器容量的不断提升，矿热电炉的供电设计出现了一些新问题。通过在大型矿热电炉设计中的经验，阐述大型矿热电炉供电设计中所出现的新问题及处理方案。

大型矿热电炉;一次绕组连接;高低压联合补偿;防火;排油;余热发电并网

0 引言

根据国家产业政策要求，矿热电炉朝着大型化的方向发展，小型矿热电炉将逐渐被淘汰。随着矿热电炉容量的不断提升，其供电系统越来越大，电压越来越高，矿热电炉的供电设计出现了不少新问题。该文针对在大型矿热电炉供电设计中遇到的新问题展开讨论，并提出了解决方案。

1 配电装置设置和控制

现在新建的矿热电炉一般都是大型电炉，电炉变压器容量一般都在25 MVA及以上，变压器一次电压都为110 kV。

对于110 kV电压等级的配电装置，由于其配电装置自身的体积和安全要求，不宜配置在电炉车间内，需要独立配置，一般配置在距电炉车间有一定距离的总降压站内。

总降压站应尽量设置在靠近电炉车间的地方，尽可能靠近负荷中心，减小配电距离。但由于工艺的要求和地形、进出线、通道等各种条件的限制，通常总降压站到电炉车间之间总有一段距离，最好能控制在500 m以下，以尽量减少配电费用。

110 kV配电设备应该选用GIS组合电气，可有效缩小总降压站的占地面积，利于靠近电炉车间。不宜采用分离元件露天布置，因为大型矿热电炉厂的总降压站都拥有多台电炉，加上动力变压器，110 kV回路很多，需要采用双母线接线。这种接线采用露天布置占地面积很大，总图上很难处理，而且，电炉车间附近粉尘较大，给配电设备的运行和维护造成了一定的困难。

电炉的配电设备不设置在电炉车间内，但控制不能离开电炉车间的控制室。所以，电炉110kV开关的控制应采用远方控制模式，控制权应该在电炉控制室，总降压站没有开关的操作权。总降压站在开关设备正常时，应给电炉控制室发出开关正常信号，把操控权完全交给电炉控制室。

电炉配电室与总降压站的信号传递可以采用通讯的方式，但是为了安全可靠，跳闸信号建议采用专用控制电缆传输。最好是两种方式同时采用，保证控制的可靠性。

2 大型矿热电炉变压器的高压电源接入方式

最早的考虑是采用架空引入，因为这样做最直接，最省投资。但实际实施非常困难，很多工程几乎不可能，主要原因如下:

(1)没有线路通道。现在的矿热电炉厂，一般都有多台电炉，在电炉车间多台一字排开布置。为了工艺的需要，电炉车间上方需布置进料系统，收尘系统等，这些建筑都很高大，跨越有困难，不可能作为架空进线的通道;电炉车间下方一般布置铸造车间及后处理车间，厂房不是很高，从理论上说，可以采用跨越房顶架空引入，但多回110 kV架空线路跨越厂房，存在很多安全隐患，不是一个好的选择。另外，为了配合架空引入，总降压站也需采用架空引出方式，配电设备距离也需拉开，使总降压站的占地面积大幅增加，浪费土地资源。

(2)由于大型矿热电炉通常采用单相变压器，每台炉子的3台单相变压器围绕电炉对称布置，3台变压器在3个方向，即使电源架空引到电炉车间，要连接到3台位于3个方向的电炉变压器上，还需在厂房内配线，同样也是一个不好处理的问题。另外车间内还要进行电炉变压器一次线圈的连接，厂房内的配电设计会非常困难。

(3)变压器室为满足防火要求，应采用封闭式。架空进入需采用穿墙套管，其费用和电缆头相当，这部分费用是无法节省的。而如果采用半敞开式布置，对于大型带油设备，安全是一个不容忽视的问题。

所以，对于大型矿热电炉变压器的高压电源，建议采用高压电缆接入方式。这种方式虽然投资高一些，但敷设通道要求不高，配置灵活。特别是对于有多台电炉的工厂，电缆接入方式更体现出它的优越性。

田间试验于2016年5月—2016年11月在江苏省句容市白兔镇稻麦轮作田（31°58'N，119°18'E）进行。试验地属于北亚热带季风气候区，年平均气温为15.1 ℃，年平均降雨量为1018 mm，水稻-小麦轮作是该地区的主要作物种植制度。供试土壤为发育于下蜀黄土的爽水性水稻土，其基本理化性质为：砂粒（2~0.02 mm）占比为14%，粉粒（0.02~0.002 mm）占比为69%，粘粒（<0.002 mm）占比为17%，全 C11.5 g·kg-1，全 N1.3 g·kg-1，pH6.9。污泥堆肥的理化性质见表1。

笔者曾到多家矿热电炉厂考察，仅看到2个厂家的3台电炉是采用裸线架空进线方式，而且电炉变压器都是三相变压器，变压器室为半敞开布置，朝厂房外的一面是敞开的。

3 单相电炉变压器一次绕组的连接

大型矿热电炉一般采用单相变压器，3台单相变压器围绕电炉配置在3个方向，这样就带来了3台单相变压器一次绕组连接的问题。

不同的电炉变压器，有不同的连接要求，有要求星型连接的，有要求三角形连接的，也有要求星三角转换的。不管采用哪种连接方式，3台单相变压器之间都存在着高压的连接。

一次绕组的连接，可以采用裸线架空连接和电缆连接2种方式，相比较而言，电缆连接方式要合理一些。理由如下:

(1)投资方面，电缆连接方案略高，但出入不大。电缆方案虽然增加了电缆头，却省去了穿墙套管，投资基本相抵消。投资出入主要在裸线与电缆的价格上，虽然电缆比裸线贵得多，但由于用量很小，一般几十米，所以投资差额不大。

(2)管理方面，如果采用裸线架空连接，则架空线经过的地方都需划分为高压危险区域，禁止非专业人员进入。如果采用电缆连接，就不存在这个问题，方便管理。

(3)安全方面，电缆连接方案在变压器室外没有高电压导体裸露，安全性更高。

对于采用电缆连接，由于电缆敷设方式的不同，也有2种敷设方案:①是电缆头在支架上立式安装，电缆穿过变压器室楼板从下一层平面连接;②是电缆头在变压器上空水平悬吊安装，电缆在变压器室平面上方水平敷设。推荐采用第2种方案。该方案的特点是电缆用量省，要求必须采用干式电缆头。虽然干式电缆头稍贵，但可节省一些电缆，投资基本持平。

对于星三角转换问题，35 kV以下的电炉变压器，一般在变压器室设置隔离开关进行转换，但对于110 kV单相变压器，隔离开关尺寸较大，设置安装困难，所以建议不设转换开关，在需要转换时，采用更改变压器出线端头接线的方法实现。由于这样的转换只有在开炉时需要，操作次数很少，转换也不复杂，对生产几乎没有影响，只是操作稍微麻烦一些。

4 矿热电炉电容补偿问题

电炉容量越大，功率因数越低，需要补偿的容量越大。

矿热电炉的补偿有多种方法，各有特点。主要有以下几种。

4.1 低压补偿

是指在每台电炉变压器二次侧补偿，从理论上来说，是一种理想的补偿方式，无功不通过变压器，直接补偿于电炉，提高了电炉变压器的有功传输容量，减少了损耗。但是由于电炉变压器二次侧电流大，电压低，电压波动大。电容器选择时，额定电压需按最高电压选取，通常又运行在较低电压状态，需要安装容量较高，容量浪费较大，投资很高。

4.2 高压补偿

是指在总降压站母线上设置高压电容器补偿，由于高压侧电压稳定，安装容量能充分利用，而且同容量的高压电容器价格相对较低，并且可以多台电炉补偿统一考虑，电容器利用率最高，投资最省;同时高压补偿回路还可以设计成滤波器，可以滤出电炉产生的谐波。但是这种补偿方式只是解决了电网对功率因数的要求问题，对提高电炉变压器有功传输能力和降低损耗没有作用。另外，由于这种方式母线电压很高，需要多只电容器串联使用才能满足高电压的要求，电容器的保护较复杂。

4.3 第三线圈中压并联补偿

这种补偿方式是在变压器设置第三线圈，在第三线圈上并联电容器进行补偿。这种补偿方式的效果与高压补偿一致，只是采用了较低的补偿电压，不需采用多电容器串联，电容器保护要简单一些。这种方法变压器需特殊处理，增加第三线圈，投资比高压补偿高，但低于低压补偿。这种方式的电容器容量不能在各台电炉间调剂使用。

4.4 高低压联合补偿

这是利用功率因数与补偿容量非线性的特点，综合高压补偿和低压补偿优点的一种补偿方式。众所周知，功率因数的提高与补偿容量的关系是非线性的，在功率因数较低时提高0.1的功率因数比在功率因数较高时提高同样多的功率因数需要的电容容量要低得多，根据这个特性设计了高低压联合补偿方式。在利用低功率因数情况下，提高功率因数需要容量较少的有利条件，采用成本较高的低压补偿方式，以较少的电容器容量将功率因数提高到一个适当的高度，可以充分提高变压器有功功率的传输能力，降低变压器损耗。然后再利用价格较为便宜的高压补偿方式，进一步提高功率因数，满足供电部门对功率因数的要求。这种方式对于有多台电炉的系统，效果更好，是一种优势互补的补偿方式，值得推荐。

5 电炉变压器室设防火和排油

大型矿热电炉的变压器，由于一次电压高，采用的都是油浸变压器，而且由于容量很大，变压器的油量也很大，每台电炉有3台单相变压器，油量可以高达20～30 t。矿热电炉低电压、大电流的特点又要求电炉变压器靠近电炉安装，为了减少短网损耗，变压器几乎是紧贴电炉安装，电炉与变压器之间往往仅是一墙之隔。1个电炉厂房，布置着2～3台电炉，有的甚至布置了4台电炉，车间内存在着上百吨的变压器油。高温的电炉、巨大的油量，使电炉车间成为一个非常危险的火灾场所。

为了防止火灾危险，在设计上应采取有效预防措施:

(1)变压器室设置为封闭式，在发生火灾时防止火灾的蔓延。

(2)设置有效的排油设施。由于电炉变压器一般都设置在楼上，只需让变压器室楼面有一定的坡度，设置排油口，用管道把油排到安全的地方，即可有效控制火势。

(3)设置火灾探测器，尽早发现火灾，及时控制，减小损失。

(4)配置消防设备，做好应急预案，保证生产安全。

6 一级负荷保障

矿热电炉厂的一级负荷主要有电炉冷却循环系统、电机提升系统、浇注起重机和余热放电给水泵。

对于大型矿热电炉厂，由于用电量巨大，进厂电源都是110kV及以上，而且多为双电源，所以电源的可靠性比较高，不需设置柴油发电机。对于110kV只有单电源的工厂，应寻找与110kV电源非同一系统的独立的10kV保安电源，非不得已不宜设置柴油发动机。

厂内最大的一级负荷是电炉循环水泵站，采用的都是低压电机，建议采用双变压器设置，任意一台变压器都应可以承担全部水泵负荷。水泵的控制建议采用PLC控制或进入全厂计算机控制系统。

其他一级负荷，由于容量较小，没有必要设置双变压器，但宜设置专用配电箱，从不同车间获取电源，在末端采用双电源切换。

7 余热发电的并网

矿热电炉烟气的余热较多，为节约能源，应设余热发电。但余热发电如何接入系统，在什么地方并网，是一个值得注意的问题。

通常情况下，余热发动机的发电电压是10 kV，在10 kV系统并网是最方便的。但是，矿热电炉厂的负荷有一个特点:高电压的电炉负荷巨大，而低电压的动力负荷较小，所有动力变压器的容量都不大。而余热发电的容量都比较大，通常其容量比动力负荷大。在这样的情况下，如果发电机在10 kV系统并网，发动机对10 kV系统的冲击较大，电压波动会较剧烈，对10 kV系统的稳定运行不利。

建议余热发电机通过升压变压器，在110 kV系统并网，这样做的优点是消除了发动机对10 kV系统的影响，保证10 kV系统稳定运行、保护简单。缺点是投资较高，需增加升压变压器及110 kV开关间隔。

对于有多台发动机的大型矿热炉厂，可以设置与动力10 kV系统分开专用的10 kV系统，在10 kV并网，通过升压变压器接入110 kV系统。

8 结语

对于大型矿热电炉的配电设计，笔者认为，110 kV配电装置应与电炉车间分离设置，配电装置的控制权应在电炉车间;配电设备到电炉变压器之间应采用电缆连接;变压器一次绕组的连接应采用电缆在变压器上方水平敷设连接，星三角转换不采用隔离开关;功率因数补偿宜采用高低压联合补偿方式;应设计防火排油设施;一级负荷电源采取电网保障，不建议设置柴油发电机;余热发电宜在110 kV系统并网。

Electric Supply Design of Large－Scale Ore－Smelting Electric Furnace Factory

LI Xue－wen
(Kunming Engineering ＆ Research Institute of Nonferrous Metallurgy Co.Ltd，Kunming 650051，China)

With the development of the large ore－smelting electric furnace and continuous growth of transformer capacity of electric furnace，there are some new problems on the electric supply design of large ore－smelting electric furnace.According to the practical design experiences on large ore－smelting electric furnace，new problems arisen during the design of large ore－smelting electric furnace and the solutions were expounded.

Large ore－smelting electric furnace;primary winding connection;high and low－voltage joint compensation;fire protection;discharge of oil;connecting grid power by waste heat

TM924.02

A

1004－2660(2011)04－0019－04

2011－06－06.

李学文(1962－)，男，四川人，高级工程师、注册电气工程师、注册咨询工程师.主要研究方向:电气设计.