煤化公司3万3硅铁电炉无功补偿方案设计分享
某煤化有限责任公司拟建设2*33000kVA硅铁电炉，每台电炉均由三台11000kVA的单相电炉变压器供电，电炉变压器一次电压为110kV。由于每台电炉自然功率因数较低约为0.70左右，为提高电炉功率因数需在电炉侧设置无功补偿装置。硅铁电炉负荷一般不会产生冲击负荷，故引起的电压波动是很小的;根据目前已生产的硅铁电炉的实际运行情况，单台电炉生产时其正常电压不平衡度一般在2%以下，短时可能达到4%左右，但多台电炉同时生产的正常电压不平衡度一般可控制在1%以下;
硅铁电炉生产时会产生少量的高次谐波，主要以二、三次谐波为主，但由于其随机性比较大，目前无法计算，且无相关测量数据。根据以往经验及国内类似工程均无超标现象。为了更好的治理谐波污染，考虑在电炉主车间侧设置并联电容补偿滤波装置，用于提高功率因数并尽可能滤除特征谐波。
由于电炉负荷的功率因数较低，为了提高功率因数，需在电炉变压器侧连接相应的无功补偿设备，通常采用如下几种补偿方式解决。
*高压并联电容补偿装置
该装置将高压并联电容并接于电炉变压器的高压端，优点是如参数选择合理其在补偿感性无功功率的同时还具有消除谐波的功能，能够解决因功率因数低而被加收电费利率调整费的问题，且对电炉本身运行参数没影响。但因本项目电炉变一次电压采用的是110kV，目前阶段110kV电容器造价较高，运行维护较复杂，且现有设备无法实现动态可调补偿，故不可取。
*中压并联电容补偿装置
该装置将补偿电容并接于电炉变压器三次侧抽头的中压侧，通常采用10kV电压等级，同高压补偿装置一样，优点是参数选择合理的话在补偿感性无功功率的同时还具有消除谐波的功能，能够解决因功率因数低而被加收电费利率调整费的问题。在入炉功率相同的情况下，并联电容补偿装置投运后，电炉变压器高、中压线圈电流减少，低压电流不变，可降低变压器的负载损耗，但入炉功率变化不大，产量不会增加。
这种补偿装置通常就地安装在电炉变压器附近，采用高压断路器控制投切，运行可靠、故障率低、维护简单，可采用动态可调补偿，但对变压器而言必须增加一个专用的10kV补偿绕组略微增加了变压器的造价，不过整体造价较低。
*低压并联电容补偿装置
该装置将补偿电容器并接于矿热炉低压短网上，就地安装在电炉变压器附近。电容器的投切采用接触器或可控硅实现。低压侧无功电流经并联电容器无功交换后，大部分不在流经变压器，变压器的运行功率因数提高，在电炉相同的产量下流经电炉变压器的一次电流、二次电流显著降低，变压器温度下降明显。在变压器运行容量不变的情况下，入炉功率大大增加，入炉电压也同步上升明显，功率因数明显上升，大大增加了变压器的使用效率，电炉变压器的出力显著改善，电炉增产所用明显。同时解决了功率因数低而被加收电费利率调整费的问题，投入回报相对较高。
另一方面，低压并联电容补偿装置具有相当的技术、工程复杂性。电炉在各种负荷条件下补偿电容的投切控制需一整套动态无功自动控制系统来实现。因而这种补偿装置一般较复杂，投切控制组件多，易损件较多，维护工作量较大且造价较高。
综上说述，根据目前电炉补偿装置的应用情况看，采用110kV直降的炉变基本上采用炉变中压抽头的补偿方式，中压补偿设备运行可靠，综合造价较低，能稳定地提高功率因数，若配置滤波支路又能滤除部分特征谐波，综合补偿效果较好。
1)补偿参数
由于未收到电炉变压器设计资料，不能确认点炉变中压侧抽头的电压等级，根据经验值该容量的电炉变压器其中压侧抽头的设计电压通常为10.5kV，补偿后电炉功率因数应在任何工况下应达到0.92以上。根据电炉工况要求及电炉变压器10kV抽头无功输入能力，每台电炉10kV补偿装置总容量初步估算为18000kvar，安装于电炉车间各层平台上。
2)设备选型
根据电炉运行的实际工况需要，补偿装置建议采用动态无功补偿设备。可满足电炉车间内的各层平台占地及荷载要求，适用于硅铁电炉的10kV中压动态补偿装置通常有如下四类，自动分组投切型补偿装置、固定补偿电容器组+调压型动态无功补偿装置、滤波支路+MCR型电抗器补偿装置、SVG动态无功补偿装置。
上述四种补偿设备，均可实现自动跟踪补偿功能，可使功率因数稳定在设定的范围内;第三、四种补偿设备除可稳定功率因数外，还可滤除部分高次特征谐波。根据目前国内动态无功补偿发展的趋势，本次方案确定每台硅铁电炉配置18000kvar的10kVSVG动态无功补偿装置。
本文针对某煤化有限责任公司2*33000kVA硅铁电炉的无功补偿问题，简要的比对了当前各种无功补偿装置的优劣性，确定每台硅铁电炉配置18000kvar的10kVSVG动态无功补偿装置，为今后类似问题提供了设计方案。
参考资料：
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