电解铝整流系统的谐波电流与无功功率问题分析.pdf

2023年6月上 世界有色金属13冶金冶炼Metallurgical smelting电解铝整流系统的谐波电流与无功功率问题分析邹珊珊（广西华磊新材料有限公司，广西 百色 5 3 1 4 0 0）摘 要：为了能够研究电解铝整流系统对于供电系统的电能质量的影响，本文主要对于流系统的谐波电流和无功补偿装置容量之间存在着的联系进行了探讨。电解铝在运行的过程当中，在某些特定的条件下甚至会造成非特征谐波，如果不对于超标的谐波进行抑制以及优化，那些比较大的无功功率就会直接影响整个供电系统的电能质量，包括电解铝整流系统能否安全稳定的运行。关键词：电解铝；谐波电流；无功补偿中图分类号：T M7 1 1 文献标识码：A 文章编号：1 0 0 2-5 0 6 5（2 0 2 3）1 1-0 0 1 3-3Analysis of harmonic current and reactive power in electrolytic aluminum rectifier systemZOUShan-shan(G u a n g x i Hu a l e i Ne w Ma t e r i a l C o.,L T D.,B a i s e 5 3 1 4 0 0,C h i n a)Abstract:I n o r d e r t o s t u d y t h e i n f l u e n c e o f t h e e l e c t r o l y t i c a l u mi n u m r e c t i f i e r s y s t e m o n t h e p o w e r q u a l i t y o f t h e p o w e r s u p p l y s y s t e m,t h i s p a p e r ma i n l y d i s c u s s e s t h e c o n n e c t i o n b e t w e e n t h e h a r mo n i c c u r r e n t o f t h e f l o w s y s t e m a n d t h e c a p a c i t y o f t h e r e a c t i v e p o w e r c o mp e n s a t i o n d e v i c e.I n t h e p r o c e s s o f o p e r a t i o n,e l e c t r o l y t i c a l u mi n u m w i l l e v e n c a u s e n o n-c h a r a c t e r i s t i c h a r mo n i c s u n d e r c e r t a i n s p e c i f i c c o n d i t i o n s.I f t h e e x c e s s i v e h a r mo n i c s a r e n o t s u p p r e s s e d a n d o p t i mi z e d,t h e r e l a t i v e l y l a r g e r e a c t i v e p o w e r w i l l d i r e c t l y a f f e c t t h e p o w e r q u a l i t y o f t h e w h o l e p o w e r s u p p l y s y s t e m,i n c l u d i n g w h e t h e r t h e e l e c t r o l y t i c a l u mi n u m r e c t i f i c a t i o n s y s t e m c a n o p e r a t e s a f e l y a n d s t a b l y.Keywords:E l e c t r o l y t i c a l u mi n u m;Ha r mo n i c c u r r e n t;Re a c t i v e p o w e r c o mp e n s a t i o n收稿日期：2 0 2 3-0 3作者简介：邹珊珊，女，生于1 9 8 3 年，汉族，广西玉林人，本科，机电工程师，研究方向：电气安装与维护。经研究，大功率元件的整流系统在运行的过程当中为了能够使其运行的更加平稳，一般会选择用电容进行无功补偿，但是整流装置在运行时必然会出现一定的谐波电流，所以在对其进行补偿装置设置的时候，我们目前所掌握的参数很明显并不具备着相应的科学性，这也会导致最终的谐振，包括谐波电流出现不断放大的现象。经过相关研究发现，该现象是会直接受到装置的设计参数包括供电系统在进行运行过程当中所采取的方式而产生的直接影响的，所以设计工作者必须要根据系统运行的具体情况来对于谐波电流进行科学的控制，不断的探讨如何进行无功补偿的最优配置1。1 相关理论概述1.1 电解铝电解铝通俗来讲指的就通过电解所获得的铝，在现代工业当中，基本上进行电解铝工业生产的时候，所利用的都是冰晶石-氧化铝融盐电解法，熔融冰晶石是溶剂，而氧化铝则是溶质。阳极指的就是炭素体，而阴极指的就是铝液，在通入直流电之后各种物质就能够在电解槽当中完成电化学反应，这时电解槽的环境温度一般会控制在950 970左右，也就是我们所说的电解。1.1.1 电解铝现代工艺的生产情况铝电解生产一般来说可以分为三个大类型，分别是侧插阳极棒自焙槽、上插阳极棒自焙槽以及预焙阳极槽等。自焙槽来生产电解铝的技术本身的装备是非常的简单的，而且周期性也比较短，相对来说投资的比较少，这种生产方式的缺点就在于烟气没有办法处理，会容易导致对于周边环境造成严重的污染。而且机械化非常的困难，整体的劳动强度比较大，不容易进行大型化的生产，单槽产量也比较低，这些不容易克服的困难，也导致这种生产方法目前基本上已经被淘汰了2。纵观世界各国，目前在进行生产的过程当中，大部分国家以及企业都使用的是大型预焙槽的生产，槽的整体电流强度非常的大，不仅能够完成高度的自动化，同时整体的能耗也比较低，单槽的产量非常的高，而且能够满足于现当代的环保法规的具体要求。目前我国已经完成了1200Nm3/h（标方每小时)的碱性电解槽产品，这意味着我国在电解水制氢装备包括氢燃料电池关键技术上的道路又迈出了非常关键的一步，为大规模绿氢制取以及燃料电池分布式发电提供了非常坚实的保障3。1.1.2 工艺流程一般来说，在现代工业当中，铝工业在进行生产的时候，所利用的都是冰晶石-氧化铝融盐电解法，其化学反应如下所示。2Al2O3+3C=4Al+3CO2在这个过程当中，阳极产物主要是二氧化碳以及一氧化碳的气体，其中也包含着一些有害的气体，包括固体粉尘等，例如氟化氢。为了能够保护周边的环境不受到影响，同时也为了维护人类的身体健康，必须要对于阳极所出现的气体进行净化，在将那些有害的气体包括粉尘处理完毕之后再排入到大气里面，而阴极的产物则是铝液，铝液能够通过真空抬包的方式从槽当中取出来，然后将其送到铸造车间，在保温炉内经过了净化之后，可以将其浇筑成铝锭或者是直接加工成线坯、型材等。1.1.3 电解铝生产过程当中容易存在的问题（1）氧化铝制备方面的问题。在电解铝生产的过程当中，氧化铝是其非常重要的原材料之一，然而在进行氧化铝制备时可能会导致出现火灾或者是爆炸等一系列的危险事故。因为氧化铝粉末本身具备着比较高的亲合力以及活性，遇到相世界有色金属2023年6月上14冶金冶炼Metallurgical smelting应的温度，包括火焰或者是摩擦都有可能出现自燃的问题，所以在操作氧化铝制备时一定要严格的遵循操作的规程，防止因为人为失误而导致出现不良事故。（2）电解池操作问题。对于电解铝来说，电解池属于核心性的设备，但是在实际操作时经常存在着一些隐患，首先电解池容易出现气体爆炸事故，因为在电解的过程当中会出现氧气释放包括氢气气泡剧烈所产生的一系列现象，如果排气系统不良，就会导致气泡积聚，很有可能会引发气体爆炸。另外电解池在进行操作时容易出现电解质溅出的问题，而这些溅出物对于设备包括工作人员都会带来一定的伤害。（3）环保问题。在电解铝进行生产时还存在着环保方面的问题，主要包含着废水的处理以及废气的处理，包括对于各种固体废弃物的治理等一系列方面。废水处理本身是一个非常复杂的过程，因为铝生产过程中所产生的废水往往包含着非常多的氯化物或者是氟化物，对于大自然所造成的影响是比较大的。而废气包括固体废弃物处理时更需要注意，因为排放的废气包括固体的废弃物针对于环境包括人体都会造成一定的影响。1.2 谐波电流谐波电流指的就是将非正弦周期性的电流函数按照傅立叶级数进行展开时它的频率是原周期电流频率整数倍的各正弦分量的一种统称，频率是等于原周期电流频率的谐波电流，将其统称为K次谐波电流，但是如果K值大于1的时候，那么各谐波电流也可以将其统称为高次谐波电流。总的来说，谐波的危害是十分严重的，它的出现能够让电能的生产包括传输以及利用的效率持续降低，并且也使电热设备在运营的过程当中出现过热或者是产生振动以及噪音的现象，同时还会导致绝缘出现老化，使设备的使用寿命不断缩短，甚至在严重的时候还会直接出现故障或者是烧毁的问题。谐波可以导致电力系统的局部并联谐振或者是串联谐振，使谐波的含量不断的扩大，导致电容器等设备出现严重烧毁，甚至还会引起继电保护以及自动装置的误操作现象，导致电能计量直接产生混乱，对于电力系统的外部来说谐波对于通信设备，包括电子设备等都会造成非常严重的干扰。1.3 无功功率无功功率指的是在具有电抗的交流电路当中，电场或者是磁场能够在一周期的某一部分时间内从电源当中不断的吸收能量，而另外一部分的时间则是将这些能量释放出去，在整个运行周期当中的平均功率是零，但是能量在电源包括电抗元件当中需要进行不断的交换，交换率的最大值指的就是无功功率。在单相交流电里面，其数值就等于电压的有效值、电流有效值以及电压和电流之间相位角的正弦三者之积。其实在很多用电设备运行的过程当中，都是根据电磁感应原理来进行工作的，例如配电变压器和电动机等，它们都是要依靠建立交变磁场才能够完成能量的转换。为了能够建立交变磁场以及感应磁通需要的电功率，我们可以将其统称为无功功率，所以其实所谓的无功并不指的是无用的电功率，只不过它的功率是无法转化为机械能或者是热能的，所以在供电系统当中除了需要有功电源以外，还需要无功电源，这二者是缺一不可的关系。在电网当中，由能源供给负载的电功率一般包含着两种，分别是有功功率和无功功率。有功功率指的就是确保电力设备在运转过程当中所需要的电功率，也就是说可以把电能转换为其他形式的电功率，例如机械能以及热能等，比如5.5kw的电动机就是把5.5kw的电力变为机械能，带动水泵抽水或者是脱粒机完成脱粒。各种照明设备，就是把电能转换为光能，让人们能够正常的生活以及工作。相较于有功功率来说，无功功率就会显得更加的抽象一些，它主要是使用在电路内电场和磁场当中的，并且可以用来在电器设备当中建立以及维持磁场，凡是有电磁线圈的电气设备都必须要建立磁场，而在这个过程当中就需要消耗无功功率。2 电解铝整流系统的具体特征在对于电解铝进行生产的过程当中，其主要的原料就是氧化铝，然后利用冰晶石溶体完成熔盐电解，在这个过程当中，所有的一系列的反应都是在电解槽当中来进行的，并且通过电解来将金属铝提取出来，其具体的特征如下所示。2.1 耗电量非常的大在进行电解铝工业生产的时候，需要消耗掉大量的电能，一直以来都被称之为电老虎。但是其实在进行生产时具体的电能消耗跟原料包括其生产方式之间有着非常大的联系。2.2 功率因数非常低一般来说电解铝在进行生产的过程当中所利用的供电系统都是调压变压器或者是整流变压器以及大功率元件整流系统等，因此在进行运转的时候本身对于无功的消耗就比较大，但是其功率因数却比较低。2.3 供电的可靠性能非常高因为电解铝在进行生产的过程当中属于不间断过程，所以必须要确保其供电的可靠性，一旦出现了生产时的短时停电，那么在恢复供电之后，在很长的一段时间当中都是无法进行设备生产的，整个设备在运行过程当中只能够不断的耗电，但是如果超过了一个小时也没能继续供电的话，整个设备不但不能够继续生产，反而严重的时候还会遭到相应的破坏。按照运行的条件来看，电解铝每天所需要使用的电负荷率大约为96%左右，这也就意味着电解铝的生产对于供电的要求是非常高的。2.4 谐波所带来的污染是比较严重的谐波电流的出现包括各种电压，其实对于公网来说都会造成比较严重的影响，用电设备所在的区域同时也会存在着一定的恶化问题，并且周围的通信系统以及除了公共电网以外的所有设备都会受到一定的污染。对于一个比较大型的电解铝的企业来说，其整流供电的功率因数一旦小于0.9就会直接导致设备的输出功率不断的降低，设备的绝缘老化，发热问题也会非常的明显，而且整体的生产效率也会降低，另外也会给电网的运行增加严重的负担，甚至直接降低电网在输电时的能力。3 谐波电流影响功率的因数对于电网的用户来说，在整个电力系统运行的过程当中，无论是电压还是电流，这一系列的参数都必须要做到是完全固定的，并且电压所产生的波形最好能够一直保持在正弦波。配电系统的输出功率也必须要高，只有这样才能使设备的容量得到更好的使用，并且在进行输配电的过程当中有效的减少消耗，从而做到安全稳定的运行，功率因数的定义2023年6月上 世界有色金属15冶金冶炼Metallurgical smelting如下所示。SPn=cos需要注意的一点是，如果电网电流以及电压都是正弦波的时候，则是电流和电压之间的相移所造成的，如果电流跟电压的波形在运行过程当中出现了畸变的问题，那么就是电流以及电压的畸变，包括电流跟电压之间的相移两方面的因素来共同导致的。4 电力电容器所产生的作用大功率元件的整流系统会导致电网在运行过程当中的电流包括电压的波形同时产生畸变的现象，因此谐波的治理包括功率因素的提升，这两个问题是电网在运行过程当中必须要解决的问题。就目前来看，我国在对其进行治理的过程当中，仍然使用的是就地治理的办法，主要是把电容器以及电抗器所构成的调谐或者是高通滤波器组滤除系统当中所包含着的大量的谐波，以此来有效的减轻谐波的出现可能会带来的危害。在对于设备进行综合运用的时候也可以考虑通过滤波器的电容器组补偿无功，这样做能够有效的提升功率因素，同时也可以把电力设备的容量真正的发挥出来，有效的减少在输电过程当中的各种能耗。5 谐波治理以及无功补偿之间的联系大功率元件的整流系统在进行运行的过程当中，如某一个波源当中的某一次谐波电流产生了感性无功，而另外一次出现了容性无功，那么就会导致不同的谐波电流之间产生无功互相补偿。针对于大功率电器的谐波源用户来说，当针对其进行计算的时候，所计算出来的功率值可能会相较于基波功率更加的小一些，也就是说它所吸收的部分基波功率在转换为谐波之后又返回到了电网里面，这给其他的用户带来了很大的影响，并且也有一部分谐波会因为参数问题没有减轻，反而被无限的放大出来，进而使电能运行的时候出现了共振的问题。因此当我们在选择滤波器组的时候，除了需要考虑到如何提升功率因数以外，还需要避免出现谐振问题。为了能够确保系统在进行运行的过程当中，可以满足于无功补偿的要求，所以我们可以选择一下几种办法来对其进行解决。首先是如果当滤波装置的无功容量比需要补充的容量更加的小的时候，我们就可以选择附加一般的并联电容器组，第二点是如果不存在着谐振条件的话，也就是说电网的电抗值跟并联电容器本身的电容值之间的频率就比较高，而负载所产生的谐波电流跟母线的谐波电压又非常的低。在这个时候是不需要考虑到对于波值进行降低的，但是目前的标准并没有对其进行具体的划分，所以也没有给出划分分界线的具体数据。总的来说，滤波装置的容量一定要大，只有这样才能够让补偿要求得到有效的满足。6 电解铝供电整流系统的优化6.1 电网电压波动时的电流控制策略可以利用饱和反应器以及负载循环开关来有效的实现直流电源的稳定性，将饱和反应器串联在多脉冲整流器当中，饱和反应器在整流换流的过程当中能够有效的起到延迟的作用，从而改变整个整流桥的电流输出，进一步的对于电流进行调节。当电源的电压产生了波动的时候，例如如果电源的电压出现了无故的升高，那么电解槽当中的直流输入势必会增加，同时通过饱和反应器的控制，电流也会相应的增加，这样就会直接增加整流桥的换流角延迟，致使整个装置所输出的电压降低，电解直流相应的也会出现降低，从而实现自动调节的功能。6.2 对于电力设备进行更加合理的优化设计电解铝供电系统的优化以及研究需要在满足于实际生产的需求的同时，不断地对于过程当中的能耗进行降低。在对于设备进行选择的时候，一定要在确保安全的前提条件下选择整流元件，有效的减少对于电源方面的损耗，在两个连接的变压器当中，当一般在正常条件下，电流是非常大的，因为损耗电流跟导体的横截面面积本身呈现着的是反比的关系，所以为了能够减少电流方面的损耗，我们有必要选择把导体的横截面面积增加到一定的范围当中。电解铝系统当中的连接通常来说使用的都是一样的材料，如果因为不同条件需要使用不同材料的时候，也必须要在两种材料的接触点上面涂上导电膏，同时还需要加强日常的维护以及检查，当变压器空载或者是负载的负荷非常大的时候，也可以选择使用高容量的硅钢板调节变压器，这样也能够有效的减少损耗，对于负载负荷来说，可以选择使用无氧铜导体控制装置。6.3 加强对于用电设备的日常维护，确保机械设备的运转加强对于各个阶段的设备方面的管理，从设备的采购阶段开始就制定出详细的计划，并且严格的控制好每一个环节的质量，确保所有投入的电气产品都能够达到相应的质量要求。同时还需要对于每一个人的责任进行阐明，使劳动以及责任分工能够成为一个更加成熟的评价体系，制定相应的验收标准，确保在每一个体系当中的节约能源的具体措施，将能耗降到最低，同时还需要加强对于设备的日常维护以及管理，制定出更加详细的工作单，确保在发生了问题之后能够第一时间对其进行修复，使机器能够以最快速的速度恢复到日常的生产当中。7 结语综上所述，电解铝整流系统在运行的过程当中其实本身就是一个谐波源，这也是导致电网系统在进行运行时出现电流包括电压畸变的主要原因，系统功率因数也会因受到了电流跟电压之间的关系而产生影响。如果对于功率因数有着比较高的追求的话，那么就一定会导致滤波器的滤波效果受到一定的影响，甚至会导致谐波的谐振出现不断放大的问题，所以在这于这种装置进行应用的时候，除了需要确保其具备着足够的因数以及相应的滤波效果以外，还需要将电能的发展状况包括各种参数考虑进去，避免出现谐振的现象，工作人员也需要把不同的运行方式做好相应的测试，以此来确保设备能够稳定的运行。1马亚伟.浅谈电解铝供电整流系统的优化改造J.魅力中国,2020(5):359.2滕学超.电解铝整流系统建模与稳流协调控制对策分析J.中国金属通报,2022(13):68-70.DOI:10.3969/j.issn.1672-1667.2022.13.023.3赵祥.综合自动化系统在电解铝整流供电过程中应用策略J.电力设备管理,2022(14):94-97.