钢铁行业无功补偿方案
1、 前言
钢铁产业是一种高能耗的企业，各种负荷情况比较复杂，具有种类多、快速 多变的特点。一般我们将其按用电设备的负载图模式（主要是工作周期和负荷 率）、功率因数和能量转换效率的差异分组。电动机的负载主要取决于生产工艺 和工作机械。钢铁内部各种企业可以概括的分为连续工作、反复短时工作和短时 工作类型，即电动机有上述三种的工作制。
为了减少电网的损耗，提高供电质量，根据《全国供用电规则》第四章第 26 条之规定，供电局要求：“高压供电的工业用户和高压供电装有带负荷调整电 压装置的电力用户，功率因数为 0．90 以上”。否则要对用电企业处以高额利率 罚款。同时，功率因数偏低，也会降低轧钢厂的进线电压，影响轧钢厂其它设备 的正常工作。故目前国内外钢铁企业都要加装无功补偿装置，以提高钢铁企业的 功率因数。
从电网侧考虑，供电容量相对较小的网架，供电电压受无功负荷影响较大。 因此国家电网对大负荷用户的无功波动情况有着非常明确要求：当电网重载 运行时，不允许向系统吸收无功功率，当电网轻载运行时，不允许向系统倒送无 功功率。这个要求考核的是瞬时无功功率，与累积功率因数的关系不大。
但是，由于钢铁企业的工艺特殊性，采用常规补偿技术很难收到良好效果。 另外，由于钢铁系统中存在大量的整流器、变频器等非线性负载，必然会造
成电网谐波畸变。随着电力电子器件近些年来在工业领域突飞猛进的应用，钢铁 供电系统中的谐波源所占比重越来越多。谐波对电网及电网所带的设备存在以下 危害：
（1）交流电网的电压畸变会引起常规变流器控制角的触发脉冲间隔不等， 并通过正反馈而放大系统的电压畸变，使整流器工作不稳定；而对逆变器则可能 发生连续的换相失败而无法正常工作，甚至损坏换相设备；
（2）谐波电流在电动机（电动机、泵群等）中产生的集肤效应、磁势涡流 等，随着频率增高而使电动机铁芯和绕组中的附加损耗增大，在电动机启动时易 发生脉动，干扰力矩使电动机产生较大的噪音，缩短电机寿命；
（3）谐波可使电容器介质损耗增加、发热、寿命缩短，吸收谐波后会导致 电容器过电流，使熔丝熔断，电容器与电网电感形成串联谐振时，将谐波放大， 烧毁电容器；
（4）造成保护装置或断路器（开关）误动作，导致区域性停电事故；
（5）导致中性线电流过大引起故障，造成中性线发热甚至火灾；
（6）损坏敏感设备，尤其计算机、服务器等对电源敏感的关键设备；
（7）使电力系统各种测量仪表产生误差；
（8）对通讯、电子设备产生干扰。 东展科博（北京）电气有限是一家专业从事无功补偿和谐波治理的高科技。研发力量雄厚，且有丰富的工程经验，结合钢铁行业多年来 无功补偿和谐波治理的经验，将钢铁行业中各类设备的无功补偿和谐波治理方案 总结如下，欢迎咨询。
2.钢铁企业常用设备及其无功补偿和谐波治理方案
2.1、变频器
变频技术节约的电能达到 30%以上，效益十分可观。随着变频器日益广泛的 普及和应用，其占电网总负荷的比例越来越大。其中大部分额定电压为三相 380V 的交直交型变频器（以下简称变频器）。然而，随之带来的网侧谐波问题也越来 越受到用户和供电部门的关注。
谐波会使无功补偿装置不能正常运行，并且导致一些现代化的精密控制机床 发生故障，甚至自身也因为谐波干扰出现故障，因此对使用变频器的系统必须采 取有效治理措施。考虑到变频器负荷稳定，谐波也稳定，对无功补偿与谐波治理 的要求并不高，通常无论是高压变频器还是低压变频器，都可以在高压侧进行补 偿，或者高低压侧同时进行补偿和治理，这样的做法相对于全部低压补偿，可节 约治理成本几倍以上。
对变频器谐波的治理根据用户的需求有不同的系列产品：
1、低压滤波（FC）装置。用于有其他谐波源的母线侧谐波治理；
2、高压滤波（FC）装置。用于高、低压都有谐波源的高压母线谐波治理。
3、电力有源滤波器（APF）装置。该产品采用最新的 IGBT 元件和瞬时补偿 技术，可以滤除掉电网中 97%的谐波电流，同时还可以补偿无功，抑制电压闪变 具有一机多能的特点。
4、高压 FC+MCR 型 SVC，即 MSVC。该项目适用于负荷较大且对实时无功考核 严格的钢厂，通常用于 10KV 或 35KV 侧，可保证该母线进线处的电压稳定和功率 因数。
2.2、电焊机
使用大量电焊机的车间，由于负载不稳定，具有极快的无功功率变化，三相 负荷不平衡，燃弧、直流装置会发生谐波。钢结构等制造企业的点焊机、缝焊机、 焊接机的功率变化非常快，无功功率波动以致电压产生波动，致使焊接质量变差， 生产效率降低。使用常规接触器投切电容器组的补偿器，响应速度赶不上负载的 变化，系统功率因素总是处于欠补偿或处于过补偿状态，达不到补偿无功功率的 目的。
由于常规无功补偿装置不能发挥作用，系统的功率因数很低，每月要多交不 少的无功罚款，增加了电费，供电变压器容量的实际使用率只有 50%以下。
在这种场合，我们首先向您推荐 APF 设备，即低压有源滤波器，该设备可在 400V 侧同时提供动态无功补偿和谐波治理双重功能，采用最新的 IGBT 元件和瞬 时补偿技术，可以滤除掉电网中 97%的谐波电流，同时还可以补偿无功，抑制电 压闪变，是低压无功补偿领域响应速度最快的设备，也是在无功补偿领域 的主推产品。
APF 的缺点是容量较小，且成本较高。在大负荷场合，需要相当数目的 APF 并联运行，在低成本的场合，我们可以考虑：
A、使用无源滤波并联 APF，大约可以降低一半成本，且仍然保留了 APF 的快速 响应与动态滤除谐波的能力。
B、 推荐动态无功补偿（TSC）装置。TSC 以动态形式向系统各相提供无功功率， 使系统的功率因数基本处于一个恒定范围。TSC 还可以稳定电压，减少三相 不平衡的影响，提高功率因数能提高焊接质量、消除闪烁，并能充分利用现 有供电设备容量、减少基本电费开支，减少能耗。TSC 装置采用晶闸管替代开关，快速跟随每一相负荷的无功变化，选择不同容量组合分相投切，实现 动态补偿。如果在 TSC 系统中串联合适的电感器（TSF），能有效防止谐波放 大，达到滤波目的。 由于 TSC 是固定电抗率，所以无法动态响应谐波变化， 可能产生谐波放大甚至谐振。
2.3、电弧炉
冶炼金属应用的电弧炉一般是直接加热式，电弧发生在专用电极棒和被熔炼 的炉料之间，炉料直接受到电弧热。主要用于炼钢、精炼钢液等。
电弧炉冶炼时分熔化期和精炼期两个阶段，在熔化初期以及熔化的不稳定阶段，电流波形不规律，故谐波含量大，主要是第 2、3、4、5、6、7 次谐波电流.
据西北电研院实测，第 2、3、5 次谐波电流含有率常达 5%~6%及以上，严重时可 达 20%以上。但当某一次谐波电流达到很大值时，其他次谐波电流一般会是较小 值。
电弧炉电极间电压的典型值在 100~600V 范围，其中电极压降约为 40 伏，电弧压降约为 12V/cm、电弧越长压降越大。在熔化期电弧炉的电压变化大，最高和最低电压可相差 2~5 倍。由于电弧炉负荷的随机性变化和非线性特征，尤其在熔化期产生随机变化的谐波电流，除了离散频谱外、还含有连续频谱分量。含偶次谐波，表明电弧电流的正、负半周期不对称；含连续频谱和间谐波，表明电弧电流的变化带有非周期的随机性。在熔化期三相不平衡电流含有较大的负序分量。当一相熄弧另两相短路时，电流的基波负序分量与谐波的等值负序电流可达正序的 50%~70%。这将引起公共供电点的电压不平衡，对电机的安全运行影响较大，尤其对大电机的影响更为严重。实际上电弧炉最重要的影响还不是谐波问题，而是电压波动和闪变。大型电弧炉会引起对电网的剧烈扰动，有的大型炉的有功负荷波动，能够激起邻近的大型汽轮发电机的扭转振荡和电力系统间联络线上的低频振荡。此类冲击性负荷会引起电网电压波动。频率在 6~12HZ 范围内的电压波动，即使只有 1%，其引起的白炽灯照明的闪光，已足以使人感到不舒服，甚至有的人会感到难以忍受。尤其 是电弧炉在接入短路容量相对较小的电网时，它所引起的电压波动（有时还包括 频率波动）和三相电压不平衡，会危害连接在其公共供电点的其他用户的正常用 电。
电弧炉的基波负序电流也较大，熔化期平均负序电流为基波正序电流的 20%左右。******负序电流都发生在两极短路时，但这时谐波电流含量不大。必须指出， 电弧炉的电压波形变化是随机性的，所以当数台电弧炉同时运转时，它们引起的 各种扰动不会和电弧炉的台数成正比，而是要小一定数值，一台 30t 的电弧炉的 电能扰动影响比 6 台 5t 电弧炉的影响要大得多。从闪变影响来讲，6 台 5t 的电弧炉尚不及一台 10t 炉的影响大。电弧炉的谐波影响也是主要取决于******一台炉的容量，而较少信赖多台炉的总容量。国内外经验表明，超高功率电弧炉有时成 为当地最重要谐波源和多种扰动源。但对于短路容量很小的电网，小电弧炉也能成为重要的谐波源。
以下是某 260V、5500KW 的电弧炉所测数据
从上图可以看出，弧开始熔化炼钢时的电压中含有大量的瞬态电压浪涌，最大尖峰值达到 448V，平均每小时的发生频率达到 633600 次。
上图标明即使在熔清状态，电压中仍然含有大量的闪变，达到 168400 次， 尖峰值达到 352V。
从上面两图可以看出，电弧炉引起的谐波、负序和闪变是极其严重的，也是 极难治理的，电弧炉的无功补偿与节能治理，是世界范围内钢铁领域内的难题。
因此，电弧炉的电能治理设备，必须兼顾以下几点：
A 能够进行无功补偿，并快速响应。
B 具有滤波功能，能滤除掉电弧炉设备产生的谐波。 C 响应速度快，能抑制电压闪变。
D 能快速治理负序电流。
能够满足以上条件的设备，目前业内可提供的设备有两种：
A 静止型动态无功功率补偿（TSVC或MSVC）装置。不但能滤除谐波，也稳 定电压，并且能够改善三相电压不平衡。SVC装置的动态部分有TCR和MCR两种, 但SVC的最快响应速度目前都难以超过20毫秒，这个响应速度决定了SVC对电弧炉 的治理通常不超过30%。
B 静止动态无功发生器（SVG）。是高压无功补偿领域内的最新代表，也是电力系统与电力电子学科的新结合，采用大规模的IGBT组合，具有响应速度快的 特点，可达到10ms以内，可以抑制电压闪变，对电弧炉的治理效果可以达到 50%~80%。
针对电弧炉推荐使用两种方案，其一是与清华大学柔性交流输 变电研究中心合作开发的高压SVG，各种指标都优于其他厂家；其二是武汉大学陈柏超为提供的针对电弧炉的新发明技术，称为磁阀式闪变抑制器，详见第4部分。该技术目前为独家所有，响应速度零延迟，可以使电弧炉中电 极电弧稳定，可望缩短冶炼时间，节约电能20%左右。
轧机线对电能质量的要求不高，所面对的问题是：轧机的动力几乎都是感性 负载，要消耗大量的无功，因此系统自然功率因素很低，并且伴有剧烈的电压波 动。如果电力系统中含有中频炉、整流机组、变频器等产生谐波的设备，将无法对系统进行无功补偿。由于功率因数低，用电量又很大，每月往往会发生几万甚 至十多万元的电费罚款。
冷轧生产线为保证冷轧工艺的高精度、高速度、高效率，现在多使用大型高 压直流电机可逆调速系统。目前的大容量冷轧机多采用这种方式。
随着可控硅换流技术的发展，特别是交流换流技术的发展，交交变频技术在 工业上得到了广泛的应用，一向认为难于调速的交流电机也迅即受到人们的青 睐。由交交变频装置供电的交流电机调速系统与直流电机可控硅调速系统相比， 交流传动的效率高、维修工作量少、可靠性高，同时由于交流电机的特殊结构， 电机的转动惯量小，既改善了系统的调速性能又不必象直流电机那样用多台电机 串联使用。因此现在小冷轧机的动力多使用变频电机，而且一般车间有多台冷轧 机。
由于轧机线通常既有大功率直流高压电机，也有低压交直流电机，分别进行 补偿要增加大量投资，所以，宜采用集中补偿这种最经济的方式，有三种治理方 案：
一、低压侧补偿。采用 TSC+LC（或 APF）滤波装置的补偿方案。其中 TSC 用于动态无功补偿，LC（或 APF）滤波装置用于滤除电网中的各次谐波，也可采 用 APF+LC 模式，但全部采用低压侧补偿成本相当高。
二、高压侧无功补偿+低压侧谐波治理。采用高压 MSVC(或 TSVC)+低压 LC(APF)的补偿方式。此方案在响应速度和抑制电压闪变方面要优于第一种方案。
三、使用静止无功发生器 SVG。此方案响应速度快，并可以滤除一定谐波， 抑制电压闪变。
我们已经为用户提供了数十套此类装置，效果显著，运行平稳可靠。
2.5、中频炉
中频炉专用系列中频感应炉的电源系统是电力系统中数量******的谐波源，常 见的为中频炉和高频感应炉电源等。一般 6 脉冲中频炉，主要产生 5、7 次特征 谐波；对于 12 脉冲换流装置，主要为 5、11、13 次特征谐波。一般情况下，小 型换流装置采用 6 脉冲，较为大型采用 12 脉冲，如炉变压器双副边成Ｙ／△型接线，达成 30 度的移相；或者两台炉变压器高压侧采外延三角或曲折型接线等移相措施加次级双副边星角接线形成 24 脉动中频电源，以降低谐波对电网的影 响程度。
中频炉在使用时产生大量的谐波，导致电网中的谐波污染非常严重。谐波使 电能传输和利用的效率降低，使电气设备过热，产生振动和噪声，并使其绝缘老 化，使用寿命降低，甚至发生故障或烧毁；谐波会引起电力系统局部并联谐振或串联谐振，使谐波含量放大，造成电容补偿设备等设备烧毁。在无功补偿不能使 用的情况下，会发生无功罚款，导致电费增加。谐波还会引起继电器保护和自动 装置误动作，使电能计量出现混乱。对于电力系统外部，谐波会对通信设备和电 子设备产生严重干扰，因而，改善中频炉电力品质成为应对的主要着力点。
为您提供的谐波治理装置能够有效解决上述问题，可彻底解决谐波污 染并提高功率因素，经济效益明显，一般可在 10~15 个月左右收回投资成本。
的中频炉滤波装置，采用组合滤波方式进行谐波治理：
1、根据不同中频炉和不同电压等级，我们向用户提供低压谐波滤波装置
400V-1000V ，高压谐波滤波装置 1KV-3KV、6KV、10KV、22KV、 35KV 谐波治理 兼无功补偿成套装置；
2、根据用户中频炉接线方式、数量和负荷分布情况的不同，我们会根据性 价比最好的原则，采取针对单个中频炉治理，还是进行多台系统进行集中治理， 能够满足用户的各种需求。
对于中频炉，有以下产品系列供用户选择：
A 高压滤波（FC）装置。该装置用于对谐波集中治理，适合 12 脉动以上或 多台 6 脉动中频炉用户，滤波效果好，无功补偿一般到位。价格不高，性价比好。
B 低压滤波（FC）装置。该装置用于单台中频炉谐波治理，滤波、无功补偿 效果好，适合 6 脉动或单台 12 脉动中频炉用户，对多台中频炉用户会增加投入。
C 高压磁控动态无功补偿（MSVC）装置。如果电网对电压波动和谐波的指标 要求较高，而负荷为多台大功率中频炉和少量电弧炉的情况下，采用 MSVC 效果 会非常好，不但谐波治理效果好，且对电压波动的治理也很有效，价格相对比 SVC 要低，性价比较好。
D 高压抗谐波补偿（LC）装置。 电网对谐波指标要求不高，但系统功率因数较低，发生较多无功罚款时，采用抗谐波补偿比采用滤波装置要便宜。
E APF 装置,即有源电力滤波器。该装置采用最新的 IGBT 元件和瞬时补偿技 术，可以滤除掉电网中 97%的谐波电流，同时还可以补偿无功，抑制电压闪变， 适用于低压中频率场所。
2.6、中高频淬火线
感应加热式热处理等设备利用电磁感应在钢铁体产生涡流电发热现象，对工 件表面或整体加热，具有生产效率高，能耗低、无污染、安全、容易实现自动化 生产等优点。按设备产生交变电磁感应的频率，可分为高频、中频和工频三类（高 频频率为 30~500KHz；中频频率为 1~10 KHz；工频频率为 50Hz 的工业交流电）。
但感应加热式或采用可控硅控制的电阻加热式设备都会发生谐波污染电网。 如果不进行谐波治理，电网中的谐波污染会非常严重。谐波使电能传输和利用的效率降低，使电气设备过热，产生振动和噪声，并使其绝缘老化，使用寿命 降低，甚至发生故障或烧毁；谐波会引起电力系统局部并联谐振或串联谐振，使 谐波含量放大，造成电容补偿设备等设备烧毁。在无功补偿不能使用的情况下， 会发生无功罚款，导致电费增加。谐波还会引起继电器保护和自动装置误动作， 使电能计量出现混乱。对于电力系统外部，谐波会对通信设备和电子设备产生严 重干扰。
对于该类设备的谐波治理或无功补偿，新源瑞能有以下产品系列供您选择：
一、高压滤波（FC）装置。该装置用于对谐波集中治理，适合多台生产线用户，滤波效果好，无功补偿一般到位。价格不高，性价比好。
二、低压滤波（FC）装置。该装置用于少量生产线谐波治理，滤波、无功补 偿效果好，对多条生产线用户会增加投入。
三、高压抗谐波补偿（LC）装置。电网对谐波指标要求不高，但系统功率因 数较低，发生较多无功罚款时，采用抗谐波补偿比采用滤波装置要便宜。
四、电力有源 APF 装置。该装置采用最新的 IGBT 元件和瞬时补偿技术，可 以滤除掉电网中 97%的谐波电流，同时还可以补偿无功，抑制电压闪变，具有一 机多能的特点。
2.7、 电动机频繁启动场所
工厂注塑机、冲压机、大功率空压机的大功率负载运行周期都比较短暂，由 于是感性负载，无功变化剧烈，电压波动非常大。常规无功补偿设备无法跟随功 率的快速变化投切，常处于欠补偿或过补偿状态，难以满足功率因数指标，既增 加了电费，还要多交无功罚款，是造成电能浪费的主要原因。
根据此类装置功率变化快的特点，有以下系列共用户选择：
1、低压动态抗谐波无功补偿（TSF）。针对有谐波污染的低压母线侧动态负荷，治理电压波动、谐波、功率因数低等问题。
2、低压动态无功补偿（TSC）。补偿无功、治理低压系统电压波动。
3、高压磁控动态无功补偿（MSVC）。针对有谐波污染的高、低压动态负荷， 治理电压波动、谐波、功率因数低等问题。
4、以上方案综合设计，高低压同时处理，可以做到效果和成本双优。