轮胎橡胶行业电能质量特点

目前，在轮胎行业炼胶工序的供电系统中，无功补偿主要是通过并联电容器来实现的， 接入的方式是使用自动补偿控制器，通过控制接触器的分合来实现电容器的自动投入或切除。风神轮胎股份有限公司目前在用的四个炼胶中心，配有 12 台供电变压器，这些供电系统的无功补偿皆采用这种方式。

1 问题的提出

在生产过程中，我们发现四个炼胶中心使用的各无功补偿控制系统频繁出现故障：熔断器熔断、接触器触头熔焊、电容器毁坏，维修工作量大，维修成本高，无功补偿满足不了电网对无功的要求，经常造成无功补偿不足或过补。特别是 3＃炼胶中心 3＃变低压系统，只要电容器投入运行，厂房内电梯的相序保护器就经常发生误动作，使电梯自动停车，无法安全使用，最后只好将电容器停止运行。

2 分析问题

2.1 炼胶工序的负荷特点

对炼胶工艺过程进行跟踪，我们发现，炼胶工序的负荷波动很大，而且变化非常快。尤其密炼机和开炼机的炼胶过程不是连续的，而是冲击性负载，在一个炼胶周期中功率消耗由空载到重载变化非常大，图 1 是密炼机炼胶过程中的功率曲线，当密炼机投入胶料和压铊下压后，产生强烈的捏炼作用，出现高峰负荷。此后随着温度的升高，胶料的塑性增大，配合剂逐渐分散到生胶中去，功率逐渐下降。密炼机的生产过程就由无数个这样的炼胶周期组成。

当负荷由大到小、由小到大不断变化时，无功需求必然随着有功的变化而变化，图2是 3#炼胶中心 2＃GK255 密炼机低压变 1250KVA 变压器有功、无功变化波形，从图中可以看出，无功变化速率很快，这就要求无功补偿跟上这种要求，实时进行补偿。而我们原来的无功补偿系统中通过接触器的吸、合实现无功实时补偿，一方面会造成接触器非常频繁的动作，导致接触器的触头经常熔焊，粘爪子，另一方面，接触器的机械触头来不及动作，造成系统无功补偿不足或过补偿。

2.2 电容器组的合闸涌流

我们知道，电容器组合闸时，会产生很大的合闸涌流。随着炼胶工序无功的不断变化， 电容器会不断投运和切除。单独一组电容器在第一次合闸投运的瞬间，即未充电状态，流入电容器组的电流，只受其回路阻抗的限制。由于回路阻抗很小，与短路状态相似，将产生很大的冲击合闸涌流， 流入电容器组。电容器组切除运行后，如果未经放电，在再次合闸前的瞬间仍处于带电状态。如果这时把电容器组合闸投运，又处于系统电压与充电电压大小相等方向相反时，则合闸产生的涌流为未充电状态合闸涌流的2倍。

在炼胶工序的无功补偿系统中，由于采用实时补偿，当已经有一组或多组电容器运行时，再投入一组电容器的合闸瞬间，将产生追加合闸涌流。追加电容器组与运行电容器组之间的距离很近，它们之间的电感很小，几乎等于零。追加的电容器与短路状态相似，所以运行的电容器组将向它大量充电，全部冲击合闸涌流，都将流入追加电容器组，这时的合闸涌流达到很危险的程度。特别是在系统电压处于最大值的瞬间合闸时，追加涌流将达到最大值。由于电容器组之间连线电感很小，所以振荡频率也较单独一组电容器合闸时的涌流频率高得多。

合闸涌流虽然衰减很快，但合闸电流急剧上升，严重时初速电流相当大，加之很高的振荡频率，将使开关内部产生很大的机械应力和机械震动，使开关损坏。

2.3 整流设备引起的浪涌冲击和谐波问题

在炼胶工序中，密炼机、压片机和螺杆等设备均使用的是大功率的直流电机，供电系统中有容量较大的可控硅整流装置，整流触发电路会引发浪涌冲击和谐波谐振问题。

电路中开关分合引发瞬间浪涌干扰。整流器和逆变器是一系列复杂的固态开关电路，它们首先从交流电源电路的一相中吸取电流，然后又转到下一相，不断循环，依次给同一输出导线供电（直流输出）。当电流由一相导线转换到另一相时，两相导线基本处于短路状态， 虽然短路状态仅持续零点几毫秒，却造成尖峰和缺口脉冲浪涌干扰。浪涌冲击（尖峰脉冲） 比谐波更易造成熔断器烧断。安装在每组电容器上的熔断器，采用的是快速限流型，它可以迅速地将短路的电容器组切断。由于这类熔断器太灵敏，其 I²t 容量相对较小，遇到浪涌尖峰就会烧掉。

炼胶工序的直流负载，其工作电流是非正弦波形，在供电系统中产生可观的高次谐波。它们产生的谐波电流，将引起系统运行电压波形的畸变，污染电网，是电气设备的一种公害。谐波电压施加于电容器组上，其危害性更大。

通过电容器的电流，不仅与电源电压有关，而且与频率有关。当电源电压波形发生畸变， 高次谐波电压施加于电容器组之后，由于谐波频率高，使电容器的容抗减小，通过电容器组的电流增大，即在基波电流的基础上，又增加了谐波分量，使电流波形发生严重畸变。这些电流通过电网的阻抗产生谐波电压，迭加到原来的电压上，将使电压变扩大。

另外，电容器对谐波电流起到吸收作用，对谐波电压起到放大作用。因为通过电容器的电流，还与电容量有关，当电容量增大，容抗减小，通过的电流增大。当电容器组投入运行的电容量很大时，通过电容器组的谐波电流更加增大，电压的畸变也更加扩大。

当高次谐波的频率等于或接近电容器回路的自然频率时，则发生谐波共振现象，使电容器严重过负荷、过热、振动和发出异音，造成电容器损坏，并可使过流继电器误动作和熔断器熔断，造成电容器组合不上闸。

3 解决问题

          3.1无功补偿、提高功率因数

考虑到炼胶工序负荷变化的特点，要求补偿能快速跟上无功功率的变化。建议采用我司生产LMSVG型动态无功补偿装置，与传统的无功补偿装置相比,基于大功率电力电子技术的SVG拥有相当的优势，SVG能够跟踪快速变化的负载进行时刻动态补偿，并具有无级调节等优势。

LMSVG选型：考虑橡胶行业负荷冲击较大，功率因数较低，SVG的补偿容量一般按照变压器容量的40%来选择。

           3.2 抑制谐波，消除谐振

由于负荷谐波较大，且不同的供电系统，系统谐波特性也不太一样，因此单独设计滤波支路的无源滤波装置设计使用非常不方便。因此治理谐波的最佳解决方案是采用有源滤波技术。

有源滤波器(受控电流源)与一个产生谐波的负荷并联连接，该受控电流源产生与负荷的谐波电流大小相同相位相反的补偿电流,以此来消除负荷产生的谐波对配电网的影响。

LMAPF选型：

有源滤波器的设计容量=运行电流*电流畸变率

注：为了使补偿效果更佳，一般留有裕量，因此一般在计算容量乘以1.2作为最后的配置容量。