台达电能质量产品在铜冶炼中的应用

1  项目背景及现状

某冶炼厂为国际知名铜冶炼企业，位于广东省某市的分厂以再生铜冶炼为主，由于主要工艺过程为除杂、电解及精炼，需要用到中压整流变压器，且各生产车间有大量的变频器和风机、水泵的使用，造成I段10kV母线谐波含量超标、功率因数严重偏低，经测试，得到测试数据，分析如下：

首先，功率因数为0.7的严重偏低值，每个月的罚款金额极大，据悉5月份投入部分负载时的罚款额为18.9万，随着负荷增加，用电量骤升，但功率因数依然为0.7左右，罚款额将激增；

图1 功率因数随生产工况变化趋势图

其次，由于脱钢整流变、生产整流变、种板整流变三个中压整流变的存在，系统1段10kV母线谐波畸变严重；

图2 总电流畸变率随生产工况变化趋势图

第三，阳极铜生产过程中由于采用多组同时生产，而每组铜生产的周期相互错开，不断有某组下铜或提铜过程，造成负载波动巨大；

图3 阳极铜生产过程有功功率波动趋势图

图4 阳极铜生产过程无功功率波动趋势图

最后，频繁变化的生产工况造成了系统电压波动明显，最高电压波动范围为5881V-6113V，波动幅值232V，折算至低压380V侧为8.8V，电压波动巨大，给系统中其它负荷的稳定运行带来隐患。

图5 阳极铜生产过程电压波动分布图

图6 阳极铜生产过程电压波动趋势图

2  系统存在的风险

根据以上测试数据可以了解到高压整流变压器、净液车间和阳极精炼车间使用的低压变频调速装置，产生了大量的谐波电流，同时由于大量的风机水泵装置运行于电网中造成系统功率因数严重偏低，而且多组阳极铜生产过程不断有下铜和提铜的过程，负载变化较大。因此，分析系统存在很大风险，具体表现为：

功率因数严重偏低，每月罚款额巨大，造成生产运营成本大量增加；

连续变化的生产工况，造成电压波动明显，波动幅值232V，给系统的用电设备的正常运行带来隐患；

高压侧谐波电流超标，大量谐波电流存在于电网中，对高压系统的继电保护装置造成干扰，造成保护停机影响生产的正常进行；

大量的谐波存在于电网中，对网内的电机负荷产生严重威胁，电机绕组容易因谐波引起的过电压造成击穿，影响生产的正常进行；

谐波产生的集肤效应会造成变压器线圈、母排、断路器、电缆等电气元件严重发热，元器件发热会导致火灾、短路等问题，给系统安全造成极大风险；

谐波极易造成保护误动作，冲击断路器的保护限值，造成断路器莫名跳闸甚至烧毁，一旦发生，给生产线造成极大损失；

以上情况最终会造成某铜冶炼生产车间不能连续安全运营；投资不能得到有效回报；产品成本增加及运营成本升高；生产效率降低或产能降低；能耗巨大。所以，铜冶炼生产车间的电能质量问题急需治理。

3  方案配置

3.1  无功功率分析

系统电压10kV，目前功率因数0.7，电流300A左右，考虑补偿后功率因数为0.95，使用计算后无功需求约为3000kvar，且该生产车间近期总负荷率将上升约13%左右，所以系统的无功补偿也需要考虑扩容的情况并留有部分余量，最终无功补偿容量需求为3500kvar。

3.2  谐波电流分析

系统电压10kV，电流300A左右，谐波畸变率最高时为7%，则需要的谐波补偿电流为300A×7%=21A，折算至低压380V侧为552A，考虑到负载增加情况，所以配置两台350A有源滤波器并联升压对10kV进行高效谐波消除。

4  治理方案

4.1  高压无功补偿方案

Ⅰ段母线额定电压10000V，配置有源无功补偿器容量为3500KVAR，采用一台链式高压SVG接入电网，接入点为系统预留的有源无功补偿馈线柜。

4.2   高压谐波治理方案

Ⅰ段母线额定电压10000V，配置两台350A有源电力滤波器进行谐波补偿，两台滤波器并联后采用一台升压变压器接入系统预留的滤波馈线柜。配置方案如下：

表1 方案配置表

4.3   高压有源无功补偿器和有源电力滤波器治理接入系统图

图7 补偿设备接入系统图

5  项目治理效果

5.1功率因数补偿

功率因数始终保持在0.95左右，每月保证力率奖励。

图8 补偿后的阳极铜生产过程功率因数趋势图

5.2谐波畸变补偿

10kV电流畸变率有效改善，从谐波补偿之前的7%的畸变率下降为3%。

图9补偿前（左）和补偿后（右）的阳极铜生产过程谐波畸变率

5.3设备现场照片

图10 设备现场照片

作者简介：

梁录平，出生于1984年6月，毕业于西安工业大学，自动化专业，现任中达电通股份有限公司机电事业部节能应用产品处高级应用工程师，主要从事工业现场的电能质量问题探索和电能质量产品在各种工业现场的应用工作。