欒春沂

（大連華銳重工集團(tuán)股份有限公司，遼寧 大連 116000）

礦熱爐大容量低壓無(wú)功補(bǔ)償系統(tǒng)分析

欒春沂

（大連華銳重工集團(tuán)股份有限公司，遼寧 大連 116000）

我國(guó)礦熱爐數(shù)量眾多，分布廣泛，是高能耗用電的主要產(chǎn)品，目前其主要向高功率、大型化方向發(fā)展，而短網(wǎng)的性能直接決定了礦熱爐的性能，對(duì)短網(wǎng)側(cè)進(jìn)行低壓無(wú)功補(bǔ)償對(duì)設(shè)備的功率因數(shù)提高有著重要的影響，已成為降低能耗，提高冶煉效率的有效手段。本文闡述了一種基于PLC控制的礦熱爐大容量低壓無(wú)功補(bǔ)償系統(tǒng)，對(duì)其系統(tǒng)構(gòu)成進(jìn)行了說(shuō)明，并分析了各組成部件的功能及特點(diǎn)。

礦熱爐；無(wú)功補(bǔ)償；節(jié)能增效

礦熱爐是冶金行業(yè)中重要的設(shè)備，主要用于生產(chǎn)各類鐵合金、電石等原料，作為高能耗電的大型冶煉設(shè)備，其能耗控制一直是各個(gè)企業(yè)面臨的難題，隨著電價(jià)成本的提高，用電成本所占的比重也越來(lái)越大，同時(shí)還必須滿足電力部門對(duì)高能耗設(shè)備的功率因數(shù)標(biāo)準(zhǔn)，避免不達(dá)標(biāo)造成處罰。因此，大容量無(wú)功補(bǔ)償系統(tǒng)是礦熱爐企業(yè)必須選擇的產(chǎn)品，而早期大多企業(yè)采用高壓側(cè)集中無(wú)功補(bǔ)償系統(tǒng)，雖能達(dá)到電力部門要求的不處罰標(biāo)準(zhǔn)，但缺點(diǎn)比較明顯，因高壓補(bǔ)償多采用固定容量投切，容易造成過(guò)補(bǔ)或欠補(bǔ)的情況發(fā)生，且高壓設(shè)備的投資大，維護(hù)成本高，補(bǔ)償效果不理想。如果同時(shí)在短網(wǎng)側(cè)進(jìn)行低壓無(wú)功補(bǔ)償，因低壓動(dòng)態(tài)補(bǔ)償系統(tǒng)的響應(yīng)速度快，精度高，更適合負(fù)荷變化較大的工況，這樣不僅可以提高高壓側(cè)的功率因數(shù)，還可以對(duì)變壓器與電極間的短網(wǎng)無(wú)功損耗進(jìn)行動(dòng)態(tài)的補(bǔ)償，從而更有效的提高變壓器的有功輸出，達(dá)到了節(jié)能增效的目的，給企業(yè)帶來(lái)更好的經(jīng)濟(jì)效益。

1 低壓短網(wǎng)無(wú)功補(bǔ)償系統(tǒng)

1.1 系統(tǒng)構(gòu)成

礦熱爐大容量無(wú)功補(bǔ)償系統(tǒng)采用PLC進(jìn)行投切控制，系統(tǒng)主要由控制單元、采樣通訊單元、保護(hù)監(jiān)控單元、投切單元、補(bǔ)償單元等組成（圖1）。

1.2 主要組成部件及功能

（1）控制單元。主要由西門子S7-300 PLC系統(tǒng)構(gòu)成，具有Profibus-DP及以太網(wǎng)通訊方式，其主要功能是將采集到的取樣信息、保護(hù)裝置信息、投切單元的狀態(tài)信息進(jìn)行處理后，通過(guò)通信網(wǎng)絡(luò)完成與自動(dòng)化工作站的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)交換，實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)自動(dòng)跟蹤、自動(dòng)控制。具有運(yùn)行參數(shù)記錄和故障代碼儲(chǔ)存功能，并且可以自動(dòng)生成報(bào)表，為后續(xù)運(yùn)行維護(hù)提供便利。安裝為電石爐補(bǔ)償定制開發(fā)的控制程序，其根據(jù)所設(shè)置的目標(biāo)功率因數(shù)值，依據(jù)實(shí)時(shí)電流、電壓參數(shù)，控制投切單元?jiǎng)幼鳎哂惺謩?dòng)、自動(dòng)投切轉(zhuǎn)換功能，并可通過(guò)人機(jī)界面實(shí)時(shí)顯示系統(tǒng)各個(gè)電量值及歷史數(shù)據(jù)等，可方便的設(shè)置額定參數(shù)及保護(hù)特性參數(shù)的閾值，如變比、目標(biāo)功率因數(shù)、投切模式、投切順序、超溫報(bào)警值等。

（2）采樣通訊單元?；谖鏖T子PAC4200多功能檢測(cè)裝置，將引自66kV變電站的電壓信號(hào)與電爐變壓器一次側(cè)的電流信號(hào)進(jìn)行處理，同時(shí)采集電爐變壓器二次側(cè)的功率因數(shù)值，并將信號(hào)反饋至控制單元，使其能夠精確地對(duì)電爐短網(wǎng)側(cè)進(jìn)行補(bǔ)償控制。

圖1 補(bǔ)償系統(tǒng)構(gòu)成示意

（3）保護(hù)監(jiān)控單元。采用專用投切及電容保護(hù)單元，具有自診斷故障保護(hù)、電源電壓缺相保護(hù)、停電保護(hù)、過(guò)電壓保護(hù)等功能，可存儲(chǔ)運(yùn)行事件記錄和故障事件記錄，對(duì)故障事件發(fā)出聲音報(bào)警并提示故障原因，并通過(guò)總線系統(tǒng)將故障信息反饋至控制單元。

（4）投切單元。由專用的真空復(fù)合開關(guān)組構(gòu)成，補(bǔ)償單元的切除和投入由其內(nèi)部的可控硅開關(guān)進(jìn)行操作，而接觸器負(fù)責(zé)電容器投入后的保持接通，兩者配合工作，當(dāng)接觸器投入后，可控硅開關(guān)即退出。該投切模塊動(dòng)作速度快，響應(yīng)速度小于20ms，能夠?qū)崟r(shí)跟隨控制單元的命令執(zhí)行補(bǔ)償單元的投入及退出。投切單元觸發(fā)模塊具有光電隔離，充分實(shí)現(xiàn)一、二次系統(tǒng)的電氣隔離，實(shí)現(xiàn)投切時(shí)無(wú)涌流和無(wú)操作過(guò)電壓，具有熄孤能力強(qiáng)，操作頻率較高，壽命長(zhǎng)，且可避免大功率晶閘管長(zhǎng)期運(yùn)行時(shí)的過(guò)熱問(wèn)題，顯著延長(zhǎng)了設(shè)備使用壽命，完全適用于電石爐這種高溫、高導(dǎo)電粉塵的惡劣環(huán)境。

（5）補(bǔ)償單元。由大容量濾波電抗器和補(bǔ)償電容組成。采用濾波電抗器，可有效消除5次以上諧波對(duì)系統(tǒng)的影響，同時(shí)在一定程度上抑制沖擊涌流，保護(hù)電容器組安全運(yùn)行。

電容器采用進(jìn)口金屬化膜材料的補(bǔ)償及濾波專用耐高溫電容膜，適應(yīng)電石現(xiàn)場(chǎng)惡劣環(huán)境，能夠在標(biāo)稱電壓1.2倍，電流1.3倍下長(zhǎng)期使用，并且能在+55℃的環(huán)境下長(zhǎng)期正常運(yùn)行，具有過(guò)壓保護(hù)功能。過(guò)壓產(chǎn)生時(shí)，電容器內(nèi)部局部擊穿的情況下，具備自愈恢復(fù)功能，并自動(dòng)釋放瞬間過(guò)電壓能量。 具有溫度和過(guò)電流保護(hù)功能，當(dāng)溫度或電流超出允許值時(shí)，其內(nèi)部的壓力保險(xiǎn)裝置可切斷電源，充分保證運(yùn)行的安全性。

（6）成套設(shè)備。根據(jù)礦熱爐現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境，成套設(shè)備采用了高防護(hù)等級(jí)組合式隔磁開關(guān)柜結(jié)構(gòu)，采用不銹鋼、SMC板、金屬板混合隔磁設(shè)計(jì)，可有效避免電流磁場(chǎng)引起的渦流發(fā)熱損耗。同時(shí)采用發(fā)泡密封技術(shù)和安裝大功率、高防護(hù)等級(jí)的軸流風(fēng)機(jī)裝置，確保其內(nèi)部的設(shè)備能夠處于良好的運(yùn)行工況。

1.3 系統(tǒng)特點(diǎn)

礦熱爐大容量無(wú)功補(bǔ)償系統(tǒng)采用PLC進(jìn)行投切控制，穩(wěn)定性高，擴(kuò)展性強(qiáng)。整套系統(tǒng)自動(dòng)化程度高，操作可靠簡(jiǎn)單，保護(hù)功能完善，根據(jù)負(fù)荷運(yùn)行情況，可以實(shí)時(shí)對(duì)系統(tǒng)無(wú)功量進(jìn)行補(bǔ)償，而當(dāng)外部電網(wǎng)停電或故障時(shí)，立即退出系統(tǒng)，恢復(fù)后，自動(dòng)投入系統(tǒng)。具有缺相、過(guò)流、過(guò)壓、超溫、速斷等保護(hù)，同時(shí)補(bǔ)償單元由多個(gè)小容量單路電容和電抗組成，能夠使補(bǔ)償精度更高，且補(bǔ)償過(guò)程中不會(huì)產(chǎn)生涌流和諧波（圖2）。

系統(tǒng)具有手動(dòng)和自動(dòng)兩種控制方式。自動(dòng)方式：根據(jù)設(shè)定目標(biāo)功率因數(shù)，由控制單元對(duì)投切單元進(jìn)行智能化控制。

手動(dòng)方式：可完全脫離控制單元，由操作人員通過(guò)手動(dòng)開關(guān)投入或退出不同的電容器組，也可在自動(dòng)化后臺(tái)系統(tǒng)中遠(yuǎn)方手動(dòng)投切電容器組，方便調(diào)試及在特殊工況下運(yùn)行的需要。

圖2 系統(tǒng)流程圖

2 結(jié)語(yǔ)

礦熱爐的無(wú)功補(bǔ)償最有效的方法是在對(duì)高壓側(cè)進(jìn)行適量無(wú)功補(bǔ)償?shù)耐瑫r(shí)，在低壓短網(wǎng)側(cè)進(jìn)行補(bǔ)償，能夠有效的提高短網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)，降低能耗可達(dá)5%～20%，提高產(chǎn)量5%～10%以上。而基于PLC進(jìn)行投切控制控制的大容量低壓動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償系統(tǒng)在提高功率因數(shù)的基礎(chǔ)上，還具有較強(qiáng)的擴(kuò)展性，可實(shí)時(shí)與礦熱爐主控制系統(tǒng)進(jìn)行通信，交換數(shù)據(jù)狀態(tài)，對(duì)于進(jìn)一步完善礦熱爐工藝控制環(huán)節(jié)有著積極的作用，該系統(tǒng)對(duì)未來(lái)礦熱爐控制系統(tǒng)的智能化發(fā)展，將有著重要作用。

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