晶闸管用于矿热炉低压无功补偿说明

晶闸管投切电容器组（SVC-TSC）在矿热炉低压无功补偿上的应用

青海电力节能服务有限责任公司

2013-09-12

1、矿热炉低压补偿装置的现状

我国专业从事无功补偿的企业很多，低压补偿由于技术水平要求不高，集中了一大批小型企业，而针对矿热炉的低压补偿而言，能真正做好的企业甚少，因为矿热炉有着其特殊的电化工艺要求，懂无功补偿的技术专家很多，懂矿热炉电化工艺及操作的专家很少，将两者集合起来，就寥寥无几，凤毛麟角。如果仅仅是满足显示数据上的功率因数，那就太简单了，能把生产指标做好才是最最重要的。从生产管理及企业运营的角度分析，生产指标高于一切，也是本项目的核心。

矿热炉的低压无功补偿不是什么高深技术，主要是系统集成及系统工程经验，如何将无功补偿技术与实际生产相结合？如何通过工艺、操作调整，将生产指标做好？

我国目前针对矿热炉的低压无功补偿主要采用以下三种技术：

1、接触器投切电容，属于机械式投切方式，主要问题就是投切时间慢，一般都在3-20s，具体的时间与电容充放电时间，以及控制器的反应时间有关联。由于矿热炉短时间内负载变化大，电压波幅大，需要响应的时间快，才能跟踪到。所以机械式投切容易造成该投的时不投，该退时不退。加剧三相之间的不平衡度，影响生产。

2、真空断路器投切电容，也属于机械式投切方式，投切时间1-5S。选择真空接触器的优点就是单相补偿电流可以达到2000A，而普通交流接触器是不可能达到的。对于矿热炉这么一个庞大的无功需求而言，支路补偿电流太小是没有意义的。但真空断路器仍然存在于接触器一样的缺点，发热量大，故障率高。

3、大功率晶闸管投切电容，它具有最快10ms的响应速度，是目前技术较为成熟的最快的无功补偿方式，由于SVC以可控硅作为调节执行单元，它还具有可连续无级调节（通过改变可控硅导通角），调节时无涌流、拉弧，无机械开关使用寿命的限制等优点。

4、矿热炉低压则进行无功补偿时，主要是需要解决以下问题：

比较项目高压补偿中压第三绕组补偿低压直接补偿

◆补偿系统自身发热问题；

◆矿热炉实际运行过程中，谐波分量的大小与治理；

◆解决矿热炉冶炼过程中，尤其出炉时，粉尘很大很大，需要减少粉尘对设备运行过程中的影响；

◆单根铜管投入运行后，电流将达到10000A以上，在固定铜管时不能形成磁回路，以免产生电磁场。

1.1、矿热炉高、中、低无功补偿装置技术经济对比

接线原理图

功率因数有提高有提高有提高

降低单产能耗无无节能3%

增加产量无无增产5-15%

改善电炉工况无改善无改善有改善

三相不平衡度无改善无改善有改善

提高产品质量无提高无提高有提高

产品造价较高低高

运行维护高较高低

矿热炉无功补偿发展也是一个时间的延续，从最初的高压无功补偿，到中压无功补偿的出线，再到低压动态无功补偿的完善与认可，是随着我国大功率矿热炉的发展来演变的，我国矿热炉的发展史很短，从最初容量3000kVA到现在50000kVA，其发展不

超过10年，速度之快让其配套设施难以跟上。

矿热炉的低压无功补偿一直得不到生产企业的认可，主要由几个方面的问题：

1）在大功率晶闸管没有出现前，都是采用的普通接触器C19投切电容器，技术门槛低，运行稳定性极差，维护量大，给冶炼企业电气部门造成了极其恶劣的印象。

2）通过我们多年对矿热炉低压无功补偿的跟踪、调研，低压补偿设备能够稳定运行的不多。设备最多运行6-8个月后，就不是当初的设计了，基本上都变成了固定补偿。

3）矿热炉生产冶炼企业的技术水平有限，且分工明确，低压补偿严格上说是电气部门的事，但它的应用必须有生产技术部门来，这两者之间存在不小的问题。尤其是矿热炉的操作人员与管理人员不能正确的认识到低压无功补偿的作用与价值。

4）矿热炉低压无功补偿与其他无功补偿的性质不同，都可以理解为就地补偿，但矿热炉是一个庞大的感性负荷，且波动大，不确定的因数也多，尤其是电能质量方面，每个厂家的理解与认识不同，导致低压补偿设计五花八门，冶炼企业不太容易去甄别。

5）矿热炉的低压补偿主要目的不是为了减少电业部门的力调电费问题，其核心是作为矿热炉冶炼操作的一个手段或方式，为生产直接提供有效的依据，这改变了原先冶炼企业的思维模式，冶炼企业不太能理解，都是依赖于低压补偿生产厂家的建议，对于低压补偿的生产厂家而言就更加是外行了，所以导致能将低压补偿无法与生产工艺调节相结合，得不到应用的效果。

2、HSVC矿热炉低压动态无功补偿装置介绍

HSVC矿热炉低压动态无功补偿装置是在普通动态无功补偿系统的基础上，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动态补偿系统，该系统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、消除涌流、谐波治理等功能。

2.1、显著特点

▲分相补偿，降低三相不平衡度。

▲极大改善电压跌落和闪变。

▲投切可靠性高，投切开关无故障投切次数可以达到几百万次。是普通开关寿命的几十倍。由于采用大功率电子元器件投切，抗冲击性好，可以达到数十倍的过电流冲击而无损坏。

▲投入无涌流，切除无过电压。

▲具有高度的可靠性，可实现免维护以及无人值守。

2.2、主要技术参数

额定电压：150V┄280V；基波频率：50Hz；

控制物理量：功率因数COSΦ；无功功率Q；

补偿容量：2000kVar～26000kVar；

环境温度：户内型-15℃～+50℃；

相对湿度：日平均不大于95%，月平均不大于90%（户内），不凝露；

投切方式：分相、分级、循环、电子开关投切；

补偿方式：分相分级补偿。

2.3、HSVC保护功能

1）短网连接铜管的水流量或压力保护；

2）快速熔断器的过温保护；

3）晶闸管的过温保护；

4）晶闸管阀组循环冷却水温度、流量或压力保护；

5）循环冷却水装置自身的各种保护措施；

2.4、主要元器件选型与介绍

根据30000kVA电石炉的低压补偿需求进行设计，通过设计计算出每个回路的电流，从而对主要元器件进行选型，

单个回路补偿电流值计算

当电容器端电压220V时：I=300kVar/250V*220V/250V=1056A

当电容器端电压230V时：I=300kVar/250V*230V/250V=1104A

根据上述计算值，对补偿设备主要的元气件进行选型，具体如下：

1）晶闸管触发板

触发板的CPU采用独立晶振，计时频率准确性。同步信号取自短网电压，系统采集同步信号，当信号准确无误，无晶闸管温度过高信号和水压过低信号时，功率因素控制器发出控制信号，则系统触发对应晶闸管阀组。可根据回路数的需要进行有效的组合，每路晶闸管均有温度保护信号。同时该控制器设有水压保护，系统水压过低时禁止触发晶闸管，防止晶闸管温度过高而烧坏晶闸管。

2）大功率晶闸管

大功率晶闸管选用的是西安电力电子技术研究所生产的，型号为：KP2000A/1600V，额定电流2000A，耐压等级1600V，采取水冷散热方式减少晶闸管的发热，以及压降的产生，降低晶闸管自身损耗。该晶闸管生产线是我国引进ABB的第一条。

设备采用双相晶闸管控制，上半周波电流过零时投入，下半周波电压过零时退出，无冲击，无浪涌。影响晶闸管的寿命主要是过电压冲击，耐压1600V实际运行电压只

有250V接近五分之一。晶闸管温度采用双重保护，一是采用晶闸管专用快速熔断器；二是采用晶闸管自身的温度保护系统。使用能寿命达到15万小时。

3）晶闸管水冷散热器

采用杭州详博散热设备有限公司的SS14型散热器，散热器的压制采用动平衡压制技术，确保晶闸管与散热器的结合，能有效的将晶闸管的温度进行传递；

4）快速熔断器

快速熔断器对整个设备而言，至关重要，该熔断器专门为保护晶闸管而设计，由西安华悦电气有限公司共同生产，型号为：KSP42F/32-1800-500，可通过软件显示快速熔断器的触点状态，从而判断快速熔断器的运行状态。

5）矿热炉专用抗谐波电力电容器选型

电容器委托佛山容邦电力电容器有限公司制造，根据电容器端子的设计规范要求，不应大于100A，超过100A对电容器的端子有着极高的要求，且对电容器的连接方式也提出了很高的要求，很容易会导致端子部分发热量过大，影响整只电容器的安全稳定运行。我公司选用的电容器具有以下特点：

（1）型号：BYAK-P30-250-0.25-1，额定容量25kVar，额定电压250V，额定电流100A，单相接线；

（2）电容器具有30%的抗谐波能力；

（3）电容允许偏差：±1%；

（4）介质损耗正切角值：≤2‰；

（5）稳态过电压电流：电容器可以在标称电压1.1倍、电流1.3倍的情况下长期运行。并能在环境温度50℃情况下长期运行。

（6）电容器的连接采用软连接，导线选用BVVR-35/mm2软线，便于维护，也符合干式电容器的连接要求。

（7）采用进口金属薄膜，为干式防爆自愈式电容器，无消防隐患。

备注：电容器的运行外壳温度不超过40度，质保期为2年，使用寿命不低于5年。

6）平波电抗器（谐波问题）

对于电抗器在矿热炉的应用，根据我公司多年的经验，以及对炉变进线高压侧的测试得知，电石炉的不规则高次谐波分量均符合国家国家电网的相关要求，考虑到是高压端测量，低压产生的不规则高次谐波通过变压器线圈后，由于变压器是可理解为一个感性阻抗，对谐波有一定的抑制作用，低压侧的谐波分量还是不能被忽略的。

由于矿热炉低压无功补偿低电压、大电流的特点，选择普通铁芯电抗器串联抑制谐波，不仅仅起不到应有的作用，还会因为铁芯电抗器的发热量大，导致设备不能稳定运行。若有铁芯电抗器的存在，整个设备元气件的参数都要进行调整，一旦电抗器不能使用，退出电抗器，整个系统就不能适应系统需求。

经过我公司长期的摸索与研究，对矿热炉的低压补偿装置谐波问题，我公司主要采用以下两种措施：

（1）选择特殊定制的矿热炉专用抗谐波电力电容器，在谐波分量大于30%/40%/50%不同量的工况下，能安全、稳定、高效的运行。

（2）选用特殊材料（纳米晶非晶合金）定制成平波电抗器，电抗器的电抗量达到100mH，对由于大电流或谐波引起的冲击能起到一定的抑制平衡效果，经过测试证明，确实能起到一定的作用。

7）隔离开关

采用浙江正泰电器的NH4-1600A/4P-440V型隔离开关，额定电流1600A，额定电压440V，该型号隔离开关是为取代HXL系列而设计生产，带有灭弧罩，通过I/O的显示判断隔离开关的状态。

8）循环水装置：

采用内外循环双系统冷却方式，整套设备分两个部分，外循环水箱和内循环水箱，

安装位置视现场而定；内循环为满足晶闸管冷却特殊性，盘管材料均为紫铜材料，内循环水选用软水（一般选用纯净水），设备运行过程中需定期补水，北方冰冻环境要视情况添加一定量的防冻液并定期检查备用循环泵。外循环水取自电炉设备循环水，只做补水用，无大水流，用于冷却补偿装置的导电铜管和水冷电缆。

3.5、监控软件

本监控系统是为矿热炉二次低压补偿装置而研制开发，主要是对矿热炉的SVC无功补偿控制系统进行数据监视和动作监视，可以让操作人员在操作室就能对现场的SVC 无功补偿系统的数据、动作一目了然。

本系统具有可靠性高，反应速度快，抗干扰强等特点。采用高可靠性的工业计算机作为监视主机，所有器件均选用工业级器件，安全可靠，能很好的适应现场恶劣的工作环境；本系统采用国际标准的工业通讯总线MODBUS,该通讯协议专为工业设备使用，具有实时性高，抗干扰强等特点；本系统采用微软公司出品的VB来编写软件，界面清晰，显示数据丰富，大量采用图片的显示方式，简单明了。

本监控系统分为4个画面，分别为：A、B、C三相概述、A相详情、B相详情、C 相详情、曲线图、系统参数表，主要显示的数据有二次电压、补偿总电流、水压力信号、电网参数、柜内各个晶闸管的导通情况、快速熔断器运行状态。

由于SVC动态无功补偿控制系统属于闭环控制概论，外部系统不需要对其进行控制，只需要对其设备运行状态、运行数据、主要元气件的工作状态等进行必要的监测与显示。

1）总界面

2）分相界面

分相界面分为A、B、C三相

根据客户的需要，可选择查看时间的各种参数的曲线情况，为生产提供服务。

所有记录的数据都可以以报表的形式，excel格式保存。

3.6、HSVC系列与同类产品的比较

性能

HSVC动态补偿装置

（纯晶闸管投切）真空接触器低压

补偿装置

其他晶闸管投切

补偿装置

分相投切是否是

非平衡投切是否是

响应速度20ms 1-3分钟2-10s 计算机集成控制是否否

数据库管理有无无

远程通讯有无无

报表分析与输出有无无驱动模块集成，自主知识产权无通用电路电容器集成电容器模块普通电容器普通电容器

炉况分析与预测有无无超需量自动控制有无无冷却系统水冷无风冷多重保护共计六种以外保护无无无冲击电流是巨大是无冲击电压是巨大是集成驱动保护柜是无无节能效果良好差一般装置寿命长短一般

3.7、低压无功补偿装置的连接图

备注：如图所示补偿装置的接入点在把持器上，靠近电极，采用水冷电缆进行连接。水冷电缆连接示意图

备注：对于自动供料的全密闭炉，是否适合水冷电缆连接，主要取决于下料管于短网的靠近程度，通过实际现场考察，若不适合水冷电缆连接，就只能采用短网汇流排硬链接。

3.8、强化HSVC稳定运行措施

矿热炉低压补偿装置长期稳定运行的关键，在于对补偿装置的发热防尘的控制，只有对发热源及其原因的详细分析，才能得以一一解决与控制，使得设备长期处于高效、稳定运行状态。具体措施如下：

1、首先在设备成套生产及安装实施中，避免磁回路或涡流的形成，对于关键的支架或固定件采用防磁性材料，以不锈钢302为主，如：短网进入柜体的横担，晶闸管横担、隔离开关横担等。

2、大功率晶闸管采用内部水循环冷却，晶闸管外部无温升现象，不发生热扩散；

3、电容器采用干式电容器，金属膜采用进口品牌，并针对谐波处理问题特殊定制而成，在实际运行中，电容器外壳温度不超过35度，即便是外部环境达到30度以上，电容器的外壳温度都不会上升，在我公司使用过的多家电容器中，质量最好、运行最稳定的，同时故障率低，降损值远低于国标值，这也是我公司设备成功的因数之一。

4、铜排与紧固件的使用，若铜排的质量不好、截面积不够，以及紧固件质量的问题，会导致各个接点的温度偏高，这也是极为重要的环节。我公司的铜排一律按照2.5A/mm2来选配，电容器的导线为35/mm2的BVVR。紧固件基本上都是采用不锈钢件，防止发热或抖动引起的松动，造成不必要的事故。

就防尘来说，也是比较重要的措施，但是防尘与散热之间存在不可避免的矛盾。矿热炉低压无功补偿装置需要在相对干净、通风流畅的环境下工作，而矿热炉的生产现场不仅粉尘大，而且温度高，这就形成了防尘与散热之间的矛盾，所以必须要控制好的装置自身的发热，才是关键。

若设备自身发热大，不仅仅浪费电能，对稳定运行也极为不利，这也成为矿热炉低压动态无功补偿装置生产厂家的心头大患。利用晶闸管作为投切开关，对现场的环境要