礦熱爐低壓側升壓無功補償濾波裝置的制作方法

專利名稱：礦熱爐低壓側升壓無功補償濾波裝置的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及冶煉行業中礦熱爐低壓側無功補償及諧波治理專用裝置，尤其涉及一種礦熱爐低壓側升壓無功補償濾波裝置。
技術背景 隨著社會科技的進步，鋼鐵、化工、太陽能等行業的加速發展，而鐵合金、電石、硅等冶煉產品是鋼鐵、化工、太陽能等行業的主要原料，致使鐵合金、電石、硅等冶煉產品市場需求越來越大，從而刺激高耗能冶煉產業的高速發展。生產鐵合金、電石、硅等產品的設備大多數是礦熱爐，而礦熱爐是我國電能耗電大戶，致使我國電力供應越來越緊張，且中央政策把“十二五”期間單位GDP綜合能耗比2010年降低16%”作為硬指標的今天，礦熱爐的節能降耗、提高供電質量、優化電能是越來越重要、越來越重視。礦熱爐又稱電阻電弧爐，是一種高耗能的工業冶煉電爐。其由爐殼、爐蓋、爐襯、短網、水冷系統、排煙系統、除塵系統、電極殼、電極壓放及升降系統、上下料系統、把持器、燒穿器、液壓系統、礦熱爐變壓器及各種電氣設備等部分構成。礦熱爐的供電系統主要是由帶有載調壓的礦熱爐變壓器、短網、高壓配電柜組成，礦熱爐變壓器低壓側、短網及電極工作在大電流環境中，最大電流可以達到上萬安培，而在生產過程中除了需要用于電弧熔煉的有功功率之外，還需要感性無功功率用于建立和消除系統短網電磁場,致短網的感抗占整個系統感抗的70%以上，因此短網的電氣性能決定了礦熱爐的電氣性能，以致礦熱爐的自然功率因數都在O. 7與O. 8之間，甚至更低，較低的功率因數不僅降低變壓器的有功輸出能力、消耗大量的無功功率，且由于耗電過多被電力部門加收部分電力罰款，因此有必要采取一定的措施，降低能耗。而提高短網側功率因數是降低能耗，提聞冶煉效率的有效手段之一。電阻電弧爐，顧名思義，冶煉過程中既有電阻性負荷也有電弧性負荷，其電弧加熱過程和純電弧爐冶煉一樣，會產生諧波污染。經過多年在礦熱爐現場測試的結果表明礦熱爐產生的諧波電流主要集中表現為3次和5次。因此，為了提高電能質量，減少短網損耗，清潔電能，在礦熱爐低壓側必須加裝相應濾波器。目前，為了提高礦熱爐功率因數，大多采用并聯電容器的補償方式，即無功補償設備。主要補償方式有三種，分別是高壓側無功補償、低壓側無功補償、高/中壓無功補償與低壓無功補償結合。礦熱爐高壓側高壓無功補償在礦熱爐變壓器高壓側安裝高壓無功補償設備，雖然解決了電力公司高壓計量時功率因數達標(即力率達標)，降低高壓電網損耗問題，但是對礦熱爐變壓器及短網工作狀況無任何改變，不能提高變壓器有功輸出能力、減少變壓器損害、減少短網損耗等問題。礦熱爐低壓側低壓無功補償在礦熱爐變壓器低壓側安裝低壓無功補償設備，既能使計量點力率達標，又能增加變壓器有功輸出能力、降低變壓器損耗、降低短網損耗、改善短網功率因數、提高產量。可以說礦熱爐低壓側低壓無功補償在技術上、效果上都比較理想，但是低壓無功補償投入成本較高，讓一些企業在投入方面有些猶豫。低壓側低壓無功補償由成百上千組低壓電容器與相應投切機構組成，所以占地面積大，且現場運行環境惡劣，會加快設備的老化，導致后續維護費用較大，再加上大量的低壓電容器對諧波的放大作用，致使系統諧波增加，增加諧波污染。高/中壓無功補償與低壓無功補償結合方式結合以上兩種方式的優點，也有一些企業采用高/中壓無功補償與低壓無功補償結合方式，投入費用比全低壓側低壓無功補償減少50%，但是這部分低壓電容器在運行時，同樣存在以上低壓側低壓無功補償的問題。且低壓側低壓無功補償對系統諧波放大，給高壓側電容器帶來危害。

實用新型內容本實用新型充分考慮以上幾種方案的優點和缺點，提出一種低壓側升壓無功補償兼濾波方案，通過礦熱爐低壓側升壓無功補償濾波裝置，綜合低壓側低壓無功補償與高壓無功補償的優點，同時克服低壓無功補償和高壓側高壓無功補償的缺點，為冶煉行業的礦·熱爐提高系統功率因數，濾除系統產生諧波，節約系統能耗，增加生產效率，延長設備使用壽命。為解決上述技術問題，本實用新型采用的一個技術方案是提供一種礦熱爐低壓側升壓無功補償濾波裝置，包括升壓變壓器、高壓無源濾波補償裝置、電能質量監測控制器和后臺監控系統；所述升壓變壓器的一次繞組連接于礦熱爐變壓器的低壓側，升壓變壓器的二次繞組上連接所述高壓無源濾波補償裝置；所述高壓無源濾波補償裝置中設有主要由高壓濾波電容器和濾波電抗器串聯構成的濾波補償支路，所述濾波補償支路中還串接有高壓斷路器；所述電能質量監測控制器用于監測礦熱爐用電系統的電參量，且所述電能質量監測控制器電連接所述高壓斷路器以控制所述高壓斷路器的通斷；所述后臺監控系統與所述電能質量監測控制器通訊連接，用于升壓變壓器、高壓無源濾波補償裝置和礦熱爐用電系統的在線監測。其中，所述升壓變壓器的容量為礦熱爐實際運行的最大感性無功功率的I. 2倍，升壓變壓器的二次繞組輸出電壓為IOkV或35kV。其中，所述高壓無源濾波補償裝置包括并聯接于所述升壓變壓器二次繞組上的三次諧波濾波補償回路和五次諧波濾波補償回路，所述三次諧波濾波補償回路和五次諧波濾波補償回路均具有三條所述濾波補償支路，所述各濾波補償回路的三條濾波補償支路采用三角形接法連接于升壓變壓器二次繞組的三相上。其中，所述礦熱爐低壓側升壓無功補償濾波裝置還包括微機綜合保護裝置，所述三次諧波濾波補償回路和五次諧波濾波補償回路中還設有用于采集支路電流信號并提供給所述微機綜合保護裝置的電流互感器，所述微機綜合保護裝置電連接所述電流互感器，在電流異常時控制切斷所述高壓無源濾波補償裝置。其中，所述濾波補償支路中還串接有噴逐式熔斷器。其中，所述濾波補償支路中還串接有隔離開關。其中，所述高壓濾波電容器采用雙面粗化聚丙烯膜作固體介質，芐基甲苯或二芳基乙烷作液體介質，以折邊鋁箔為極板。[0019]其中，所述濾波電抗器為干式空心結構。其中，所述電能質量監測控制器主要包括數字處理內核、16位A/D模塊、高精度電流電壓互感器和繼電器，所述數字處理內核由DSP、FPGA、ARM構成；所述高精度電流電壓互感器通過所述16位A/D模塊連接所述數字處理內核，所述數字處理內核連接所述繼電器。其中，所述電能質量監測控制器與后臺監控系統之間采用有線通訊方式或無線通訊方式，所述有線通訊方式包括通過以太網、RS485或RS232連接，所述無線通訊方式包括通過GPRS、CDMA或3G進行通訊。。本實用新型的有益效果是區別于現有的高壓側做無功補償不能提高礦熱爐變壓器有功輸出能力減少短網損耗；而在低壓側直接做無功補償裝置，需要大量的低壓電容器組合相應的控制開關，占用很大空間安裝，系統維護過程中工作量大；本實用新型在礦熱爐變壓器低壓側通過升壓變壓器進行升壓，在升壓變壓器的高壓側連接濾波補償回路，電容器選用高壓的，電容器組數大大減少，元件損壞的可能性降低，系統安全性高，而且系統安 裝和維護工作量大大減少，系統更加可靠。并且本實用新型是在低壓側做濾波補償，可提高系統功率因數，根據實際測試，功率因數可以由補償前的O. 7 O. 75提高至O. 92、. 95，提高礦熱爐變壓器的有功輸出能力，充分利用變壓器的容量，產品產量可增加5°/Γ Ο%，達到3%左右的節能效果，能響應國家節能降耗政策；基于目前國家規定只能大于12500kVA的礦熱爐才能生產，低于12500kVA的爐子將被淘汰，按照容量為12500kVA計算，3%左右的節能效果即可節約大量的電能，取得較高的經濟效益。作為濾波補償裝置，相應地，本實用新型可消除礦熱爐產生的電流諧波和電壓諧波，減少諧波源對電網的污染；提高公網PCC點的電能質量，提高供電、用電的安全性；降低高壓電網的電力頓號，減少電網線損率。本實用新型還具有適應環境能力強、壽命長、高可靠性、高穩定性等特點。利用電能質量監測控制器及后臺監控系統還使得設備自動化程度高，控制精準，方便監控，提高效率。

圖I是本實用新型礦熱爐低壓側升壓無功補償濾波裝置一實施例的安裝示意圖；圖2是本實用新型礦熱爐低壓側升壓無功補償濾波裝置一實施例的系統結構圖；圖3是本實用新型礦熱爐低壓側升壓無功補償濾波裝置另一實施例的電路結構示意圖。標號說明100、礦熱爐變壓器；200、礦熱爐電極；10、升壓變壓器；20、高壓無源濾波補償裝置；21、三次諧波濾波補償回路；22、五次諧波濾波補償回路；30、電能質量監測控制器；40、后臺監控PC機；50、網絡服務器；60、微機綜合保護裝置。
具體實施方式
為詳細說明本實用新型的技術內容、構造特征、所實現目的及效果，以下結合實施方式并配合附圖詳予說明。請參閱圖I以及圖2，本實施方式的礦熱爐低壓側升壓無功補償濾波裝置主要包括升壓變壓器10、高壓無源濾波補償裝置20、電能質量監測控制器30和后臺監控PC機40。[0031]升壓變壓器10專用于礦熱爐，其容量設計為礦熱爐實際運行的最大感性無功功率的I. 2倍。升壓變壓器10的二次繞組輸出電壓可選擇為IOkV或35kV，圖I所示升壓變壓器10的輸出電壓即為10kV，升壓變壓器設計時嚴格按照相關變壓器標準。升壓變壓器10的一次繞組連接于礦熱爐變壓器100的低壓側，升壓變壓器10的二次繞組上連接所述高壓無源濾波補償裝置20 ;可認為高壓無源濾波補償裝置20與礦熱爐電極200在礦熱爐變壓器100的低壓側并聯。高壓無源濾波裝置也稱為LC濾波器，是由高壓濾波電容器、濾波電抗器和電阻器適當組合而成的濾波裝置，與諧波源并聯安裝，除起濾波作用外，還兼顧無功補償需要。在實際應用中常用幾組單調諧濾波器和一組高通濾波器組成濾波裝置。單調諧濾波器是利用串聯的L、C諧振原理構成的，只要將濾波器的諧振次數設定為與需要濾除的諧波次數一致，則該次諧波電流將大部分流入濾波器，從而起到濾除該次諧波的目的。高通濾波器可設置為對次數較高諧波呈現低阻抗，使得這些諧波電流大部分流入高通濾波器。在本實施例中，高壓無源濾波補償裝置20包括三次諧波濾波補償回路21和五次諧波濾波補償回路22，兩濾波補償回路以并聯方式接于升壓變壓器10 二次繞組上，分別對 礦熱爐中比較集中產生的3次和5次諧波電流進行濾波處理。兩濾波補償回路21、22均具有三條濾波補償支路，三條濾波補償支路采用三角形接法連接于升壓變壓器10 二次繞組的三相上，由于三相對稱，圖I中僅示意出了一條濾波補償支路的電路結構。參閱圖1，該濾波補償支路包括依次串接的隔離開關QS、高壓斷路器KM(高壓真空接觸器)、噴逐式熔斷器FU、高壓濾波電容器C和濾波電抗器L。另外，在隔離開關QS與高壓斷路器KM之間還連接有一個接地的氧化鋅避雷器BL，以應對雷擊天氣及系統浪涌。高壓濾波電容器C和濾波電抗器L形成單調諧LC濾波，為了保護電容，在高壓濾波電容器C的兩端還連接有放電線圈FD，用于在濾波補償支路切斷使用后給高壓濾波電容器C放電。在一實施例中，高壓濾波電容器C采用雙面粗化聚丙烯膜作固體介質，芐基甲苯(M/DBT)或二芳基乙烷作液體介質，以折邊鋁箔為極板；依據該結構，使得高壓濾波電容器具有體積小、重量輕、損耗低、溫升低、局部放電性能優良、壽命長的優點。此外，本實施例中濾波電抗器選用干式空心結構，采用電工專用玻璃纖維束預浸環氧樹脂后成型，具有絕緣可靠、動熱穩定性能好的特點；采用旋轉固化工藝，具有噪音低、發熱少的特點，適合在有諧波的環境下運行；通過調節調感線圈上動接頭的位置，實現電感值的無級可調；電感的調節范圍可實現額定值的±5%-10%。高壓斷路器KM由所述電能質量監測控制器控制通斷，用以投切濾波補償支路。隔離開關是高壓開關電器中使用最多的一種電器，在電路中起隔離作用，其無滅弧能力，只能在沒有負荷電流的情況下分、合電路。在本實施例中，如需要對濾波補償支路進行檢修，當高壓斷路器KM斷開后，將隔離開關QS分閘，即可建立可靠的絕緣間隙，將該濾波補償支路與短網隔開，保證檢修人員和設備的安全。噴逐式熔斷器FU用于對高壓濾波電容器C起過流保護作用，當異常情況下，噴逐式熔斷器FU熔斷切斷故障電容器，以保證支路的正常運行。需要說明的是，對于濾波補償而言，濾波補償支路的最小組成單元只需高壓濾波電容器C、濾波電抗器L和用于投切該支路的高壓斷路器KM，其他的元件中，放電線圈FD、噴逐式熔斷器FU起到保護電容器的作用，隔離開關QS起到方便檢修的作用，均進一步完善濾波補償支路的功能。在本實施例中，礦熱爐低壓側升壓無功補償濾波裝置還包括微機綜合保護裝置60，三次諧波濾波補償回路21和五次諧波濾波補償回路22中還設有用于采集支路電流信號并提供給所述微機綜合保護裝置60的電流互感器TA，對于三次諧波濾波補償回路21而言，因三條支路三相對稱，電流互感器TA可以僅設置在其中一條濾波補償支路上；對五次諧波濾波補償回路22也是如此。微機綜合保護裝置60電連接所述電流互感器TA，在電流異常時控制切斷高壓無源濾波補償裝置20，同樣也是起到保護的作用。電能質量監測控制器30用于監測礦熱爐用電系統的電參量，具體地，其可實現監測電氣系統頻率、功率因數、電網2-50次諧波電壓和諧波電流、三相電壓不平衡度、電壓波動與閃變、電壓偏差、電壓基波有效值和真有效值、電流基波有效值和真有效值、基波有功功率、無功功率、視在功率等電參量，當設定電能質量參量的限值，當超過此限值，電能質量監測控制器自動發出告警信號并記錄。并且綜合考慮功率因數、電壓、無功功率、電流諧波含量來判斷控制高壓濾波補償支路的投切。·[0042]電能質量監測控制器30主要包括由DSP+FPGA+ARM構成的數字處理內核、16位A/D模塊及高精度電流電壓互感器，以致采集單元具有采集速度快，數據處理精確等特點。高精度電流電壓互感器采集電網中的電流電壓參數，經過A/D模塊進行模數轉換后交由數字處理內核進行處理。電能質量檢測控制器30的輸出控制采用歐姆龍繼電器輸出方式，例如通過繼電器矩陣控制濾波補償支路中高壓斷路器KM的通斷，使得系統更加穩定、更加可
O后臺監控PC機40中裝載監控軟件實現對升壓變壓器、高壓無源濾波補償裝置和礦熱爐用電系統的在線監測，構成礦熱爐低壓側升壓無功補償濾波裝置的后臺監控系統。后臺監控PC機40與電能質量監測控制器30可以采用如RS485或RS232等有線通訊方式，也可以基于網絡服務器50實現以太網通訊方式的有線通訊，同時也可以基于網絡服務器50實現如GPRS、CDMA或3G等無線通訊方式。電能質量監測控制器30監測的電參量數據傳送至后臺監控PC機40處理顯示，使得設備運行狀況、系統電能質量等信息能進行自動監控。通過該后臺監控系統，實現升壓變壓器的運行情況監測、高壓無源濾波補償裝置在線運行監測、礦熱爐用電系統高壓側電參量及電能質量的在線監測及系統拓撲圖的在線運行，使用戶對整個系統運行的每個細節做到一目了然，確保設備運行穩定性。當設備存在故障時，能很快的從監控系統找出故障點，提高效率。參閱圖3，如前所述，在其他的實施例中，升壓變壓器10 二次繞組的輸出電壓也可選擇為35kV，在這樣的系統中，與圖I所示實施例的區別在于，在濾波補償支路上，采用了兩個高壓濾波電容器Cl、C2串聯，每個電容器均并聯有放電線圈FD進行保護，由于升壓變壓器10的輸出電壓較高，如果采用單個電容器可能導致擊穿，通過兩個高壓濾波電容器串聯分壓，提高對高電壓的耐受性。再值得一提的是，在圖I和圖3所示的電路中，濾波補償支路上只示意了一路電容，但在實際應用中，可以根據所需要的電容器容量采用多組并聯的形式，并且每組電容器支路上設置起投切作用的開關和用于保護電容器的熔斷器。當然，由于本實用新型中電容器選用高壓的，即便需要采用多組電容器并聯，其數量也僅需要少數幾組。在實際設計中，先根據客戶提供的一手資料，對系統各點進行計算得出最初設計參數，再通過電力系統專業仿真軟件對濾波裝置進行真實的仿真，對電參數的進行校核，確定高壓無功補償濾波器的各次濾波電容及濾波電抗的配置，使濾波補償裝置達到最佳效果O本實用新型的有益效果在于區別于現有的高壓側做無功補償不能提高礦熱爐變壓器有功輸出能力減少短網損耗；而在低壓側直接做無功補償裝置，需要大量的低壓電容器組合相應的控制開關，占用很大空間安裝，系統維護過程中工作量大；本實用新型在礦熱爐變壓器低壓側通過升壓變壓器進行升壓，在升壓變壓器的高壓側連接濾波補償回路，電容器選用高壓的，電容器組數大大減少，元件損壞的可能性降低，系統安全性高，而且系統安裝和維護工作量大大減少，系統更加可靠。并且本實用新型是在低壓側做濾波補償，可提高系統功率因數，根據實際測試，功率因數可以由補償前的O. 7 O. 75提高至O. 92、. 95，提高礦熱爐變壓器的有功輸出能力，充分利用變壓器的容量，產品產量可增加59TlO%，達到3%左右的節能效果，能響應國家節能降耗政策；基于目前國家規定只能大于12500kVA的礦熱爐才能生產，低于12500kVA的爐子將被淘汰，按照容量為12500kVA計算，3%左右的節能效果即可節約大量的電能，取得較高的經濟效益。作為濾波補償裝置，相應地，本實用新型可消除礦熱爐產生的電流諧波和電壓諧波，減少諧波源對電網的污染；提高公網PCC點的 電能質量，提高供電、用電的安全性；降低高壓電網的電力頓號，減少電網線損率。本實用新型還具有適應環境能力強、壽命長、高可靠性、高穩定性等特點。利用電能質量監測控制器及后臺監控系統還使得設備自動化程度高，控制精準，方便監控，提高效率。以上所述僅為本實用新型的實施例，并非因此限制本實用新型的專利范圍，凡是利用本實用新型說明書及附圖內容所作的等效結構或等效流程變換，或直接或間接運用在其他相關的技術領域，均同理包括在本實用新型的專利保護范圍內。
權利要求1.一種礦熱爐低壓側升壓無功補償濾波裝置，其特征在于，包括升壓變壓器、高壓無源濾波補償裝置、電能質量監測控制器和后臺監控系統； 所述升壓變壓器的一次繞組連接于礦熱爐變壓器的低壓側，升壓變壓器的二次繞組上連接所述高壓無源濾波補償裝置； 所述高壓無源濾波補償裝置中設有主要由高壓濾波電容器和濾波電抗器串聯構成的濾波補償支路，所述濾波補償支路中還串接有高壓斷路器； 所述電能質量監測控制器用于監測礦熱爐用電系統的電參量，且所述電能質量監測控制器電連接所述高壓斷路器以控制所述高壓斷路器的通斷； 所述后臺監控系統與所述電能質量監測控制器通訊連接，用于升壓變壓器、高壓無源濾波補償裝置和礦熱爐用電系統的在線監測。
2.根據權利要求I所述的礦熱爐低壓側升壓無功補償濾波裝置，其特征在于所述升·壓變壓器的容量為礦熱爐實際運行的最大感性無功功率的I. 2倍，升壓變壓器的二次繞組輸出電壓為IOkV或35kV。
3.根據權利要求I所述的礦熱爐低壓側升壓無功補償濾波裝置，其特征在于所述高壓無源濾波補償裝置包括并聯接于所述升壓變壓器二次繞組上的三次諧波濾波補償回路和五次諧波濾波補償回路，所述三次諧波濾波補償回路和五次諧波濾波補償回路均具有三條所述濾波補償支路，所述各濾波補償回路的三條濾波補償支路采用三角形接法連接于升壓變壓器二次繞組的三相上。
4.根據權利要求3所述的礦熱爐低壓側升壓無功補償濾波裝置，其特征在于所述礦熱爐低壓側升壓無功補償濾波裝置還包括微機綜合保護裝置，所述三次諧波濾波補償回路和五次諧波濾波補償回路中還設有用于采集支路電流信號并提供給所述微機綜合保護裝置的電流互感器，所述微機綜合保護裝置電連接所述電流互感器，在電流異常時控制切斷所述高壓無源濾波補償裝置。
5.根據權利要求3所述的礦熱爐低壓側升壓無功補償濾波裝置，其特征在于所述濾波補償支路中還串接有噴逐式熔斷器。
6.根據權利要求3所述的礦熱爐低壓側升壓無功補償濾波裝置，其特征在于所述濾波補償支路中還串接有隔離開關。
7.根據權利要求1-6任一項所述的礦熱爐低壓側升壓無功補償濾波裝置，其特征在于所述高壓濾波電容器采用雙面粗化聚丙烯膜作固體介質，芐基甲苯或二芳基乙烷作液體 介質，以折邊鋁箔為極板。
8.根據權利要求1-6任一項所述的礦熱爐低壓側升壓無功補償濾波裝置，其特征在于所述濾波電抗器為干式空心結構。
9.根據權利要求I所述的礦熱爐低壓側升壓無功補償濾波裝置，其特征在于所述電能質量監測控制器主要包括數字處理內核、16位A/D模塊、高精度電流電壓互感器和繼電器，所述數字處理內核由DSP、FPGA, ARM構成；所述高精度電流電壓互感器通過所述16位A/D模塊連接所述數字處理內核，所述數字處理內核連接所述繼電器。
10.根據權利要求I或9所述的礦熱爐低壓側升壓無功補償濾波裝置，其特征在于所述電能質量監測控制器與后臺監控系統之間采用有線通訊方式或無線通訊方式，所述有線通訊方式包括通過以太網、RS485或RS232連接，所述無線通訊方式包括通過GPRS、CDMA或3G進 行通訊。
專利摘要本實用新型公開了一種礦熱爐低壓側升壓無功補償濾波裝置，包括升壓變壓器、高壓無源濾波補償裝置、電能質量監測控制器和后臺監控系統；升壓變壓器的一次繞組連接于礦熱爐變壓器的低壓側，升壓變壓器的二次繞組上連接所述高壓無源濾波補償裝置；高壓無源濾波補償裝置中設有濾波補償支路；電能質量監測控制器用于監測礦熱爐用電系統的電參量，并控制濾波補償支路的投切；后臺監控系統與電能質量監測控制器通訊連接，用于升壓變壓器、高壓無源濾波補償裝置和礦熱爐用電系統的在線監測。本實用新型需要選用的高壓電容器數量少，占用空間小，系統維護工作量小，系統可靠性高；且消除諧波，提高系統功率因素，節能降耗。
文檔編號H02J3/01GK202696169SQ20122033451
公開日2013年1月23日 申請日期2012年7月11日 優先權日2012年7月11日
發明者張健夫, 朱杰夫 申請人:深圳市普順科技有限公司