某电解铝厂的无功补偿及谐波治理
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1、电解铝厂的无功补偿及谐波治理沈阳铝镁设计研究院 宋广孚 电解铝厂整流电源需要较大无功率和产生大量的高次谐波，随着整流电源容量的增大，特征谐波和非特征谐波含量也都在增加，几乎都严重超标。这些超标的谐波和较大的无功需求，如果不治理或治理的不到位，将影响供电的电能质量和安全运行，同时也影响铝厂的经济效益和用电系统的安全运行。1 电解铝厂的供电系统电解系列一旦非计划停电，将造成重大经济损失。因此电解铝厂为一级用电负荷。对于一级负荷要求有两个独立电源供电。目前，电解铝厂直供电压可以作到220kV、110kV。如果电网这个电压等级容量满足铝厂需求，就可以采用二回来自不同电源的线路，直接送到铝厂整流所的双母
2、线上，再向整流机组送电；如果电网这个电压等级的容量不满足铝厂的容量需求，则需要电网上一级电压等级的二回来自不同电源的线路。如330kV、550kV等经电解铝厂整流所的降压变压器降压至220kV或110kV，再向整流机组送电。电解铝厂供电系统要求，任一个电源均能满足全厂的用电负荷要求，这就形成：（1）不同的供电电源，系统的短路容量不同。（2）两个电源有并联供电的可能，系统的短路容量也改变。因此，在谐波计算，滤波器结构和谐波器元件参数选择应充分考虑这一点。例如，某种供电方式，公共连接点处短路容量增加。系统阻抗(ZS)下降，因此不管是从母线看出去的(Zm)，还是从谐波源看出去的等效阻抗(Z)均下降。
3、根据Vm(h)=Z(h)*l(h)，因此母线处的谐波畸变率下降，公共连接点处的谐波畸变也下降。另外，滤波装置中的电容与系统中的电感相互产生的谐振次数，等于系统短路容量与电容比值的平方根值。因此，短路容量增加，谐波次数的谐振点也向高值移动。 式中：SD：公共连接点的短路容量。QC：电容器组容量。短路容量增加，输入系统的谐波畸变率降低是好事，但谐振点向高频率方向移动，比如7次，就使事情变得复杂一些。因此，滤波器设计时，必须充分考虑这个因素，可以用一个短路容量为基础。用其他可能出现的短路容量作校验，逐步接近可行值。电力系统发展很快，滤波器设计应能适应五年左右的系统参数变化。某铝厂的滤波装置，投运初期
4、很正常，三年后发现滤波装置过载，电容器损坏增多，系统参数改变是一个原因之一。2 电解铝厂的整流电源冶炼铝用的电解槽是几百个串联在直流回路中，单槽电压4V多一点，系列电压1300V以上。系列电流可达400kA以上，目前单台整流器大多作到10kA左右。采用多台整流器并联来满足系列电流的要求。常采用N+1的原则。即用N台整流器并联满足电解系列额定电流的要求，加一个备用。正常时，N+1组同时运行。某台故障退出运行后，N台仍能满足电解系列的要求。电解整流器，大都采用2个6脉波，即二个相差30的三相桥整流电路。形成单台整流机组为12脉波的整流器。如N+1台整流机组数为6台。则移相后为等效72相。电解槽一次
5、焙烧启动24台，焙烧57天，然后再焙烧启动24台，一个电解系列，启动时间长达半年之久。电解槽启动初期，电压很低，直流侧只有20V左右，需要提供大量的无功功率。这时，需要兼有无功补偿功能的滤波装置，部分通道或全部通道投入运行，用来保护母线电压保持在适当水平。电解系列启动初期，事故较多，经济停电，排除事故再投，这就要求，滤波装置在整流机组分断后，也立即切除，以免造成无功反倾，电压过高，造成更大的事故。电解系列完全启动后，系列电压波动很小，从几十伏到一百伏左右，电压波动超过100V以上的机率很小，通常采取保证电流不变而调整电压的稳流办法。滤波器设计和元件参数计算应能满足这种需求。目前整流机组有两种形
6、式。一种是二极管整流电路，有载开关粗调压和饱和电抗器细调压的方式。第二种是晶闸管整流电路，改变其导通角调整电压。晶闸管整流电路起步较晚，但其发展，应用的也越来越多。如果整流机组是晶闸整流机组，启动初期电压是用导通角深控来实现的。因此，除了需要大量的无功外，此时在谐波发生量也是最大，因此，必须投入滤波装置，来吸收谐波和补偿无功。否则整流机组将产生噪音和振动，无法继续运行。两种整流形式的整流器在额定负载运行时，其谐波发生量是一样的。因此在进行谐波计算，滤波器的结构设计，元件参数选择时都应有针对性的，适应工程实际的需求。有的铝厂，当地电业部门按用电容量加电度量收费。为了节省电费，铝厂往往不采用N+1
7、设计原则运行，而是采取减一台，即5台运行，6台为等效72相，而5台就是非等效60相，此时的谐波将有改变，5台运行时，其中一台故障，另4台也过载跳闸，切除故障后，把备用台投入重新启动。如果备用台也在病态中，为了使电解槽铝液不冷固，被迫采取4台机组降电流保温运行。滤波装置设计应尽可能满足这种要求，至少在这种情况下，不发生谐振。3 电解铝厂的谐波3.1 电解铝厂的谐波特点前面已经提到，电解铝厂整流器，都是采用两个6脉波，即两个相差30的三相桥整流电路，形成单台整流机组为12脉波的整流器，几个12脉波整流器并联组成整流系列。如：24、36、48、60、72相整流系列。其特征谐波次数为：n=pn1，n=
8、1,2,3。而6脉波的特征谐波为：5，7，11，13，17，19。12脉波的特征谐波为：11，13，23，25，35，37。三相6脉波整流器谐波电流的典型频谱如表1。表16脉波整流器谐波电流频谱h15711131719THDLh%10020.014.39.17.75.95.328.45%表212脉波整流器谐波电流频谱h15711131719Lh%1001.81.66.65.40.330.3h232529313537THDLh%1.51.30.250.20.80.49.14%从表1，2中看出，以6脉波组成的铝厂整流器，其谐波含量符合ln1/h，由于换相的平波作用,实际值会比上述值小。由于供电系统
9、参数的不对称,或整流机组各元件参数的不对称性,实际谐波含量与上述值将有所不同。因此,铝厂整流机组的谐波含量,最好经过实际测试。如果没有实测条件,也应在设计上留有可能出现的偏差。3.2 电解铝厂滤波装置的接入点电解铝厂滤波装置的接入点,有两种。第一种是接入整流变压器的第三绕组上。这一接入点符合谐波在那产生,就在那治理的原则。其对系统产生的损耗和影响最小。另外,大容量整流变压器高、低压侧电压差很大,一般需要设置过渡绕组。如果不接滤波装置,该绕组的端线不引出整流变压器的外壳。单机组12脉波整流器的特征谐波为:5,7.11,13次,比多机组组成的12的倍数整流器的合成特征谐波次数低。其总的补偿容量较大
10、。另一种就是多机组组成12的倍数整流器的合成,直接接在公共连接点的母线上,其特征谐波次数较高,充分利用多相制的优点,总的补偿容量略低。比较而言,接在第三绕组的滤波器,电压较低,可以是35kV级，10kV级等,占地小,可以利用整流器室楼上的空间，缺点是滤波装置的安全运行直接影响整流变压器的安全运行,在整流机组第三绕组滤波装置投入运行时，可能对正在运行的滤波装置造成相互影响。这在滤波装置计算时特别注意。而接至公共连接点的滤波装置,电压等级可作到110kV,或22OkV以上。滤波器可以留有,因负载或系统发展变化而需改变或增加滤波通道的扩建空间。缺点是占地面积较大,谐波电流在被滤波装置吸收前,己经流过
11、部分电气设备,产生一定的损耗。3.3 电解铝厂滤波装置的通道设置电解铝厂滤波装置的通道设置一般由一组或数组单调谐滤波器组成,有时再加一组高通滤波器。也有仅设一组高通滤波器的实例,在具体的工程中可灵活多变。现在,电抗器的制作水平大大提高,为了便于电容器组采用中性点差流或平衡保护,一般将电容器接到中性点侧。为了降低滤波装置本身的基波损耗,在供电系统有电压和无功功率调整的需求时,可以采用C型滤波器。但C型滤波器对工频偏差及元件参数变化较敏感。随着电力电子装置制造业的快速发展，电解铝厂的无功补偿及谐波治理，也将朝着更安全，更可靠，更节能的方向发展。1.整流变压器为什么不设差动保护？无法接。 差动保护，
