NB/T 42141-2017
基本信息
标准号： NB/T 42141-2017
中文名称：矿热炉供电系统用无功补偿装置设计与应用导则
标准类别：能源标准(NB)
标准状态：现行
出版语种：简体中文
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标准分类号
关联标准
出版信息
相关单位信息
标准简介
NB/T 42141-2017.The design and application guide of reactive power compensation installation for submerged are furnace power supply system.
1范围
NB/T 42141规定了矿热炉供电系统用无功补偿装置的设计原则、设计依据、通用设计要求、设计方法、布置和安装等要求。
NB/T 42141适用于工频为50Hz、额定电压为110kV及以下矿热炉供电系统用无功补偿装置(以下简称装置)。
装置的设计与应用，除应符合本标准的规定外，且应符合国家现行的有关标准、规范的规定。
2规范性引用文件
下列文件对于本文件的应用是必不可少的。凡是注日期的引用文件，仅注日期的版本适用于本文件。凡是不注日期的引用文件，其最新版本(包括所有的修改单)适用于本文件。
GB/T 8349金属封闭母线
GB/T 14549电能质量公用 电网谐波
GB/T 22582电力电容器低压功率因数 补偿装置
GB/T30841高压并联电容器装置的通用技术要求
3术语和定义
下列术语和定义适用于本文件。
注1:除非另有说明，在交流情况下“电压”和“电流”均指方均根值。
注2:前面加“额定”两字的电气术语和电气量，除非另有说明，系指电热设备本身而言。
1范围
NB/T 42141规定了矿热炉供电系统用无功补偿装置的设计原则、设计依据、通用设计要求、设计方法、布置和安装等要求。
NB/T 42141适用于工频为50Hz、额定电压为110kV及以下矿热炉供电系统用无功补偿装置(以下简称装置)。
装置的设计与应用，除应符合本标准的规定外，且应符合国家现行的有关标准、规范的规定。
2规范性引用文件
下列文件对于本文件的应用是必不可少的。凡是注日期的引用文件，仅注日期的版本适用于本文件。凡是不注日期的引用文件，其最新版本(包括所有的修改单)适用于本文件。
GB/T 8349金属封闭母线
GB/T 14549电能质量公用 电网谐波
GB/T 22582电力电容器低压功率因数 补偿装置
GB/T30841高压并联电容器装置的通用技术要求
3术语和定义
下列术语和定义适用于本文件。
注1:除非另有说明，在交流情况下“电压”和“电流”均指方均根值。
注2:前面加“额定”两字的电气术语和电气量，除非另有说明，系指电热设备本身而言。
标准图片预览
标准内容
ICS29.240.99
备案号：61516-2018
中华人民共和国能源行业标准
NB/T42141—2017
矿热炉供电系统用无功补偿装置设计与应用导则www.bzxz.net
The design and application guide of reactive power compensationinstallation for submerged arc furnace power supply system2017-11-15发布
国家能源局
2018-03-01实施
规范性引用文件
术语和定义
设计原则
可靠性要求
安全性要求·
功能要求
谐波要求·
其他特殊要求
设计依据…
概述·
环境条件
矿热炉变压器参数条件
矿热炉治炼电气特征参数条件
矿热炉短网参数条件
供电电网参数条件
通用设计要求.
补偿绕组要求
功率因数控制要求
分组限制·
补偿量测量要求
安全运行要求
环保要求·
检修要求…·
设计方法
装置类型的确定
额定无功输出的确定
电容器组参数的确定·
装置器件参数的确定
装置的保护
装置的控制
布置和安装
安装场所条件
布置和安装设计
电气间和爬电距高
NB/T42141—2017
NB/T42141—2017
8.6通风·
附录A（资料性附录）
装置安装位置示意图
装置设计示例
附录B（资料性附录）
设计依据·
装置设计要求
B.4设计方法
附录C（资料性附录）矿热炉供电系统用无功补偿装置现场试验C.1单一无功补偿装置试验
组合补偿装置联调试验
C.3验收试验
参考文献
图A.1装置安装位置示意图·
表1装置运行地点的环境空气温度变化范围表2装置宜具有的保护类型·
NB/T42141—2017
本标准按照GB/T1.1一2009《标准化工作导则第1部分：标准的结构和编写》给出的规则起草。本标准由国家能源局提出。
本标准由能源行业无功补偿和谐波治理装置标准化技术委员会（NEA/TC9）归口。本标准起草单位：深圳市恒力电源设备有限公司、西安高压电器研究院有限责任公司、上海南自科技股份有限公司、青岛菲特电器科技有限公司、桂林电力电容器有限责任公司、北京科技大学、合肥华威自动化有限公司、西安ABB电力电容器有限公司、深圳市三和电力科技有限公司、无锡北科自动化科技有限公司、国网浙江省电力公司绍兴供电公司、上海思源电力电容器有限公司、中国天辰工程有限公司、国网安徽省电力公司电力科学研究院、南京南瑞继保电气有限公司、合容电气股份有限公司、西安西电电力电容器有限责任公司、辽宁电能发展股份有限公司、杭州银湖电力设备有限公司、上海鄂尔多斯工业技术有限公司、申达电气集团有限公司、新东北电气集团电力电容器有限公司、上海永锦电气集团有限公司、河北旭辉电气股份有限公司、丹东欣泰电气股份有限公司、国网江西省电力科学研究院。本标准主要起草人：于洋、张剑呼、张宗有、元复兴、张晋波、储少军、梁晨、李怀玉、江钧祥、吕韬、陶祥生、李忠思、陈晓宇、刘菁、范莺、张全为、郭曼波、葛锦萍、张宝成、胡治龙、赵军、赵福庆、陶梅、全凤岐、吴小丹、白洋、芦锋、盖斌、李顺利、苏开云、李瑞桂、蔡重凯、樊晓军、俞立天、彭杨涵、杨圣利、王洪蛟、刘见。1范围
NB/T42141—2017
矿热炉供电系统用无功补偿装置设计与应用导则本标准规定了矿热炉供电系统用无功补偿装置的设计原则、设计依据、通用设计要求、设计方法、布置和安装等要求。
本标准适用于工频为50Hz、额定电压为110kV及以下矿热炉供电系统用无功补偿装置（以下简称装置）装置的设计与应用，除应符合本标准的规定外，且应符合国家现行的有关标准、规范的规定。2规范性引用文件
下列文件对于本文件的应用是必不可少的。凡是注日期的引用文件，仅注日期的版本适用于本文件。凡是不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改单）适用于本文件。GB/T8349金属封闭母线
GB/T14549电能质量公用电网谐波GB/T22582电力电容器低压功率因数补偿装置GB/T30841高压并联电容器装置的通用技术要求3术语和定义
下列术语和定义适用于本文件。注1：除非另有说明，在交流情况下“电压”和“电流”均指方均根值。注2：前面加“额定”两字的电气术语和电气量，除非另有说明，系指电热设备本身而言。注3：术语“额定电压”“额定电流”或“额定容量”是指由制造方规定并标明在设备上的电压（在三相系统中为线电压）、电流或容量。
矿热炉submergedarefurnace
由矿热炉变压器、大电流导体（矿热炉短网）和炉体组成，通过炉体内碳素电极端部的电弧热和炉料或炉渣的电阻热来冶炼铁合金、电石、黄磷、工业硅等产品的一种电炉。3.2
矿热炉变压器transformerof submerged arcfurnace按矿热炉运行的特殊要求制造的变压器，用于从高压电网向矿热炉供电，并提供适合于矿热炉运行的电压。3.3
矿热炉短网bus tubeof submergedarc furnace矿热炉变压器低压侧出线端子与矿热炉电极之间的大电流载体。3.4
矿热炉电极electrodeof submergedarcfurnace用于插入炉料产生电弧融化炉料的供电电极。3.5
治炼电耗powerconsumptionof smelting对每一吨产成品，矿热炉变压器、矿热炉短网、矿热炉炉体所消耗的电能、注：冶炼电耗的单位为千瓦时每吨（kWh/t)。1
NB/T421412017
中压补偿绕组 medium-voltage compensation winding矿热炉变压器内专门用于连接补偿装置的独立绕组，绕组电压一般为6kV～35kV。3.7
高压无功补偿装置high-voltagereactivepowercompensationinstallation装设在矿热炉变压器一次侧母线上的无功补偿装置。3.8
中压无功补偿装置medium-voltagereactivepowercompensationinstallation装设在矿热炉变压器中压补偿绕组上的无功补偿装置。3.9
低压无功补偿装置low-voltagereactivepowercompensationinstallation装设在矿热炉变压器低压侧的补偿装置，包括通过联接变压器接入矿热炉变压器低压侧的无功补偿装置。
公共连接点pointofcommoncoupling：PCC用户接入公用电网的连接处。
入炉有功功率furnaceinputactivepower由矿热炉供电侧输入矿热炉炉体内的有功功率。3.12
电容器组的额定容量ratedoutputofacapacitorbankONb
设计无功补偿装置时所规定的无功功率，通常也称为电容器装置的额定容量。3.13
装置的额定无功输出ratedreactivepowerofaninstallationQN
在额定频率和装置额定电压下的装置总的无功功率，由包括电抗器（如有的话）在内的装置中的所有阻抗计算得出。
［GB/T30841—2014，定义3.19]3.14
电容器组的额定电压ratedvoltageofacapacitorbankUnb
设计电容器组时所规定的交流电压方均根值。注：当电容器组含有一个或多个独立的电路时（例如拟用于多相连接的单相电容器组），UNb系指每一电路的额定电压，通常其值等于电容器单元额定电压乘以单元串联数。对于相间已有电气连接且中性点不能触及的三相电容器（例如三相电容器单元、三相集合式或箱式电容器），U%b系指线电压。［GB/T30841—2014，定义3.16]］3.15
装置的额定电压rated voltage ofan installationUN
无功补偿装置拟接入电网的系统标称电压。2
强迫停运forcedoutages
NB/T42141-2017
由于装置内部设备故障而导致该设备退出运行。此时，将引起装置部分功能或所有基本功能的丧失。3.17
scheduleoutages
计划停运
出于维护、检修等目的，为了保证装置长期可靠运行而必须进行的停运。此时，将引起装置部分功能或所有基本功能的暂时丧失。3.18
停运持续时间outagesduration
从装置退出运行时刻起，到装置准备投入运行时刻止的持续时间间隔。下述情况均包括在停运持续时间中：
故障判断时间downtime
判断故障原因或决定哪一台设备需要维修、替换所需要的停机时间。准备及完工清理时间preparingtimeandendingtimeb）
运行操作人员断开设备连线、连接设备接地线以准备工作的必要准备时间，以及维修完成后卸除设备接地线、连接设备连线的完工清理时间。c）降容运行等效停运时间equivalentoutagetimeofpartial outage由于某种原因导致装置降容运行，则降容运行等效停运时间为：降容运行等效停运时间=装置降容运行的持续时间×3.19
年可用率annualavailability
降容运行期间的容量
额定容量
指装置在矿热炉系统正常工作时间范围内全年可正常运行的可用时间比率。计算公式如下：年可用率
Z等效停运时间
矿热炉全年运行时间
其中等效停运时间为在矿热炉系统正常工作时间范围内全年累计停运持续时间，以小时计：矿热炉全年运行时间为矿热炉系统全年累计运行时间，以小时计。4设计原则
4.1可靠性要求
装置设计生产时应明确下述可靠性指标：a）因强迫停运造成的年可用率的最低水平（%）：b）因强迫停运造成的年强迫停运次数的最大值（次）：供应商需对年计划停运持续时间及其累计停运次数进行明确承诺；c
d）供应商需明确承诺上述可靠性指标的保证期（年），并给出该装置建议的维护周期。4.2安全性要求
装置的设计应能保证其在正常运行、矿热炉系统故障、外部电网事故及异常时本身的安全性，同时装置本身的投入、切除、正常运行及异常时不应危及系统安全。装置的设计应有可靠的技术措施，如采用自动控制、保护单元、设备可靠接地、闭锁装置、防护围栏和警告标志等，以保证装置安全运行。3
NB/T42141—2017
4.3功能要求
4.3.1无功补偿功能
在矿热炉负荷功率变化范围内，装置的额定无功输出应能满足矿热炉供电系统PCC点对功率因数或电压的要求。
4.3.2自动控制功能
装置应能根据供电系统无功功率及接入点电压的变化自动控制无功功率的输出，以达到适应矿热炉供电系统对功率因数和电压偏差的要求。4.3.3运行方式
矿热炉供电系统用无功补偿装置一般有高压无功补偿装置、中压无功补偿装置和低压无功补偿装置三种方式，矿热炉供电系统用无功补偿装置宜采取多种无功补偿装置组合运行的方式设计。组合运行方式包括：高、低压装置组合方式：高、中压装置组合方式：中、低压装置组合方式等。4.3.4控制方式
装置应能根据实际情况，选择手动和自动控制。自动控制又可分为电压无功综合控制和无功控制等。自动控制时装置除应能根据供电系统运行情况自动调节无功输出外，还应能自动或手动选择单一补偿方式或组合补偿方式。在组合补偿方式中，各装置宜进行协调控制，以完成总的关于PCC点的综合电能指标或技术协议规定的相关指标，低压无功补偿装置宜优先投入。
手动控制时，装置除能手动选择装置的投入与切除外，还应能选择单一补偿方式或组合补偿方式。4.4谐波要求
装置投入运行后，矿热炉供电系统PCC点谐波水平应满足GB/T14549的要求。4.5其他特殊要求
特殊的运行环境和特殊的技术性能指标（治理闪变等），由购买方提出并与制造方协商解决。5设计依据
5.1概述
装置在设计及使用中的技术条件主要由环境条件、矿热炉变压器参数、炉体参数、矿热炉短网参数及供电系统参数条件等因素决定。5.2环境条件
5.2.1海拨
装置安装地点的海拨。
为便于产品的标准化，推荐高压产品海拔应不超过1000m，低压产品海拔应不超过2000m。用于海拔高于1000m地区的高压产品及高于2000m的低压产品，其要求应由购买方与制造方协商确定。
5.2.2温度和湿度范围
装置运行地点的环境空气温度变化范围见表1。表1装置运行地点的环境空气温度变化范围环境温度
安装于冶炼区域外的补偿装置
安装于冶炼区域内的补偿装置
符合国家相关标准要求
当无资料时，可取最热月平均最高温度加15℃
NB/T42141-2017
当无资料时可取最冷月平均最低温度注：最热（冷）月平均最高（低）温度为最热（冷）月每日最高（低）温度的月平均值，取多年平均值。装置运行地点的相对湿度，应采用当地湿度最高月份的平均相对湿度。对湿度较高的场所，应采用该处实际相对湿度。当无资料时，相对湿度可比当地湿度最高月份的平均相对湿度高5%（一般地区推荐的产品环境相对湿度：月平均相对湿度不大于90%，日平均相对湿度不大于95%）。5.2.3风速
安装于户外的装置，可取距离运行地点地面10m高、30年一遇的10min平均最大风速作为参考最大风速。最大风速超过35m/s的地区，宜在装置的布置中采取应对措施。阵风对装置的影响，应由设备供应商在设计中考虑。
5.2.4覆冰厚度
对于户外运行的装置，在积雪、覆冰严重地区，应采取防止冰雪引起事故的措施。隔离开关的破冰厚度，应大于安装地点的最大覆冰厚度。5.2.5抗污移能力
安装于治炼区域外的装置的抗污移等级应满足国家相关标准的要求。安装于冶炼区域现场内的装置的抗污等级，应在满足已有污移等级的前提下，考虑高粉尘环境对设备的损害，在设计时增加防粉尘措施。5.2.6抗震要求
装置设计时应满足当地地震基本烈度要求。5.2.7其他
非正常使用条件由制造方和购买方协商确定。5.3矿热炉变压器参数条件
设计矿热炉供电系统用无功补偿装置需要以下矿热炉变压器参数：a）矿热炉变压器的一次电压：
b）矿热炉变压器的二次工作挡位；c）二次电压范围：
d）矿热炉变压器的容量：
NB/T42141—2017
e）矿热炉变压器的过负荷倍数
f）矿热炉变压器的阻抗电压百分比：g）补偿绕组（如果有）的工作电压。5.4矿热炉治炼电气特征参数条件设计矿热炉供电系统用无功补偿装置需要以下参数a）入炉有功功率及有功波动范围：b）自然功率因数：
c）特征谐波及谐波水平。
5.5矿热炉短网参数条件
设计矿热炉供电系统用无功补偿装置需要的矿热炉短网参数为：矿热炉短网阻抗。5.6供电电网参数条件
设计矿热炉供电系统用无功补偿装置需要以下供电电网参数：a）供电电网电压及波动水平：
b）供电系统最大、最小短路容量：c）背景谐波水平。
6通用设计要求
6.1补偿绕组要求
中压无功补偿装置在设计时应考虑容性负荷对变压器补偿绕组的影响。适当考虑投切过程对变压器补偿绕组的冲击。必要时考虑增大装置电抗器的电抗率、减少一次投切次数。对于容量较大的矿热炉系统使用中压无功补偿装置进行无功补偿时，需注意补偿绕组的安全隐患。6.2功率因数控制要求
矿热炉系统安装无功补偿装置后，PCC点功率因数应满足系统对功率因数的要求，一般情况下，要求功率因数不低于0.9。
对PCC点功率因数有特殊要求的购买方，其功率因数控制要求由设计方、制造方与购买方协商确定。6.3分组限制
对多支路装置，分组时应考虑开断设备的开断容性电流能力，且投切任何一条支路在考核点所引起的电压变动值不宜超过土2.5%。单组电容器组的并联单元总能量不宜超过单台电容器单元的耐爆能力。6.4补偿量测量要求
装置应具有补偿容量或补偿电流测量功能，可判断装置实际投入补偿容量或电流的大小。6.5安全运行要求
6.5.1校核要求
装置设计时应计算短路阻抗，校核系统功率情况，保证在最大和最小系统运行方式所涵盖的区域内，6
装置投入后PCC点的谐波含量满足GB/T14549要求。NB/T42141-2017
中压无功补偿装置除需校核变压器的损耗外，还需校核三绕组变压器等值回路阻抗变化对补偿效果的影响。
采用三相矿热炉变压器供电的中、小容量矿热炉系统，矿热炉短网侧对称性较差，需校核注入供电系统的正序、负序、零序谐波含量。6.5.2保护要求
补偿装置应具备完善的保护功能，在装置及负荷异常时，能根据设置有效监测预警或动作切除装置。6.5.3放电要求
装置内部的电容器组需安装放电器件时，放电特性应满足GB/T30841及GB/T22582的相关规定要求。6.5.4接地
装置电器设备的外壳、安装支架及绝缘台架的电位均应固定，并符合GB/T30841及GB/T22582的有关规定。
6.5.5闭锁
装置应有完善的闭锁装置，避免误操作。6.5.6控制顺序
采用组合补偿方式时，应根据所安装的矿热炉系统特点设定装置的投切顺序。建议优先投入低压无功补偿装置。装置应避免在空载情况下长时间运行。有特殊要求的情况，另行约定。6.5.7爆炸能量要求
装置设计时应充分考虑装置爆炸能量。装置爆炸能量不应大于装置内器件的耐爆能力，且爆炸能量的校核应满足相关产品标准要求。6.6环保要求
装置所选用的所有主设备和辅助设备，如果含有会污染环境或有其他危险的物质，应按照国家的相关法律执行，采取相应的技术措施，并在设备的标牌上或其他地方有明显标志。高压无功补偿装置及中压无功补偿装置运行中产生的噪音应符合GB/T30841的要求。低压无功补偿装置应符合GB/T22582的要求。
6.7检修要求
高压无功补偿装置及中压无功补偿装置应安装隔离开关，当装置故障检修时，不影响矿热炉正常生产。
低压无功补偿装置宜加装隔离装置，当装置故障检修时，不影响矿热炉正常生产。7设计方法
7.1装置类型的确定
高压无功补偿装置不能帮助降低矿热炉冶炼电耗，具有直接提高PCC点功率因数、装置可靠性高、7
NB/T42141—2017
绝缘要求严格等特点。
中压无功补偿装置一般用于中小型矿热炉供电系统中，安装在矿热炉变压器补偿绕组上。其具有不能降低冶炼电耗、设计制造难度小、设计阻抗复杂（补偿绕组同时负担调压作用时，电磁暂态过程需单独考虑）、对变压器的性能要求较高等特点。低压无功补偿装置一般安装于矿热炉系统短网侧，其具有能降低矿热炉的治炼电耗、装置设计组成复杂、运行环境恶劣等特点。
矿热炉变压器容量足够大，可完全提供矿热炉所需要的入炉视在功率且不考虑降低治炼电耗时，宜选用高压无功补偿装置：矿热炉变压器不能完全提供矿热炉所需要的视在功率时，宜选用中压无功补偿装置；矿热炉变压器不能完全提供矿热炉所需要的视在功率且需要降低治炼电耗时，宜选用低压无功补偿装置。
当使用低压无功补偿时，考虑经济性要求，低压无功补偿的容量计算应以矿热炉变压器不超载为前提，若计算无功不足以使PCC点功率因数达标，剩余部分无功功率可使用高压无功补偿装置或中压无功补偿装置进行补偿。
额定无功输出的确定
7.2.1单独采用高压无功补偿装置单独采用高压无功补偿装置时，按下式计算高压无功补偿装置的额定无功输出：On=P(tangi-tanPN)
式中：
On—高压无功补偿装置的额定无功输出，单位为千乏（kvar)；P——矿热炉入炉有功功率，单位为千瓦（kW)；9—矿热炉自然功率因数角：
ON——PCC点要求达到的功率因数角。7.2.2单独使用低压无功补偿装置或中压无功补偿装置额定无功输出的确定应以矿热炉变压器安全运行（矿热炉变压器的容量满足安全运行要求）为原则首先计算低压或中压补偿后需达到的最低功率因数：cosP
式中：
低压或中压补偿后需达到的功率因数；cosP
矿热炉入炉有功功率，单位为干瓦（kW）；PR
S%—矿热炉变压器额定容量，单位为千伏安（kVA)：K矿热炉变压器过负荷系数。
再计算低压或中压无功补偿装置的额定无功输出：On=P(tan-tanp,)
式中：
Qn——低压或中压无功补偿装置的额定无功输出，单位为千乏（kvar）：P—矿热炉入炉有功功率，单位为千瓦（kW)：9——矿热炉自然功率因数角：
92—补偿后需达到的功率因数角。8
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矿热炉供电系统用无功补偿装置设计与应用导则www.bzxz.net
The design and application guide of reactive power compensationinstallation for submerged arc furnace power supply system2017-11-15发布
国家能源局
2018-03-01实施
规范性引用文件
术语和定义
设计原则
可靠性要求
安全性要求·
功能要求
谐波要求·
其他特殊要求
设计依据…
概述·
环境条件
矿热炉变压器参数条件
矿热炉治炼电气特征参数条件
矿热炉短网参数条件
供电电网参数条件
通用设计要求.
补偿绕组要求
功率因数控制要求
分组限制·
补偿量测量要求
安全运行要求
环保要求·
检修要求…·
设计方法
装置类型的确定
额定无功输出的确定
电容器组参数的确定·
装置器件参数的确定
装置的保护
装置的控制
布置和安装
安装场所条件
布置和安装设计
电气间和爬电距高
NB/T42141—2017
NB/T42141—2017
8.6通风·
附录A（资料性附录）
装置安装位置示意图
装置设计示例
附录B（资料性附录）
设计依据·
装置设计要求
B.4设计方法
附录C（资料性附录）矿热炉供电系统用无功补偿装置现场试验C.1单一无功补偿装置试验
组合补偿装置联调试验
C.3验收试验
参考文献
图A.1装置安装位置示意图·
表1装置运行地点的环境空气温度变化范围表2装置宜具有的保护类型·
NB/T42141—2017
本标准按照GB/T1.1一2009《标准化工作导则第1部分：标准的结构和编写》给出的规则起草。本标准由国家能源局提出。
本标准由能源行业无功补偿和谐波治理装置标准化技术委员会（NEA/TC9）归口。本标准起草单位：深圳市恒力电源设备有限公司、西安高压电器研究院有限责任公司、上海南自科技股份有限公司、青岛菲特电器科技有限公司、桂林电力电容器有限责任公司、北京科技大学、合肥华威自动化有限公司、西安ABB电力电容器有限公司、深圳市三和电力科技有限公司、无锡北科自动化科技有限公司、国网浙江省电力公司绍兴供电公司、上海思源电力电容器有限公司、中国天辰工程有限公司、国网安徽省电力公司电力科学研究院、南京南瑞继保电气有限公司、合容电气股份有限公司、西安西电电力电容器有限责任公司、辽宁电能发展股份有限公司、杭州银湖电力设备有限公司、上海鄂尔多斯工业技术有限公司、申达电气集团有限公司、新东北电气集团电力电容器有限公司、上海永锦电气集团有限公司、河北旭辉电气股份有限公司、丹东欣泰电气股份有限公司、国网江西省电力科学研究院。本标准主要起草人：于洋、张剑呼、张宗有、元复兴、张晋波、储少军、梁晨、李怀玉、江钧祥、吕韬、陶祥生、李忠思、陈晓宇、刘菁、范莺、张全为、郭曼波、葛锦萍、张宝成、胡治龙、赵军、赵福庆、陶梅、全凤岐、吴小丹、白洋、芦锋、盖斌、李顺利、苏开云、李瑞桂、蔡重凯、樊晓军、俞立天、彭杨涵、杨圣利、王洪蛟、刘见。1范围
NB/T42141—2017
矿热炉供电系统用无功补偿装置设计与应用导则本标准规定了矿热炉供电系统用无功补偿装置的设计原则、设计依据、通用设计要求、设计方法、布置和安装等要求。
本标准适用于工频为50Hz、额定电压为110kV及以下矿热炉供电系统用无功补偿装置（以下简称装置）装置的设计与应用，除应符合本标准的规定外，且应符合国家现行的有关标准、规范的规定。2规范性引用文件
下列文件对于本文件的应用是必不可少的。凡是注日期的引用文件，仅注日期的版本适用于本文件。凡是不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改单）适用于本文件。GB/T8349金属封闭母线
GB/T14549电能质量公用电网谐波GB/T22582电力电容器低压功率因数补偿装置GB/T30841高压并联电容器装置的通用技术要求3术语和定义
下列术语和定义适用于本文件。注1：除非另有说明，在交流情况下“电压”和“电流”均指方均根值。注2：前面加“额定”两字的电气术语和电气量，除非另有说明，系指电热设备本身而言。注3：术语“额定电压”“额定电流”或“额定容量”是指由制造方规定并标明在设备上的电压（在三相系统中为线电压）、电流或容量。
矿热炉submergedarefurnace
由矿热炉变压器、大电流导体（矿热炉短网）和炉体组成，通过炉体内碳素电极端部的电弧热和炉料或炉渣的电阻热来冶炼铁合金、电石、黄磷、工业硅等产品的一种电炉。3.2
矿热炉变压器transformerof submerged arcfurnace按矿热炉运行的特殊要求制造的变压器，用于从高压电网向矿热炉供电，并提供适合于矿热炉运行的电压。3.3
矿热炉短网bus tubeof submergedarc furnace矿热炉变压器低压侧出线端子与矿热炉电极之间的大电流载体。3.4
矿热炉电极electrodeof submergedarcfurnace用于插入炉料产生电弧融化炉料的供电电极。3.5
治炼电耗powerconsumptionof smelting对每一吨产成品，矿热炉变压器、矿热炉短网、矿热炉炉体所消耗的电能、注：冶炼电耗的单位为千瓦时每吨（kWh/t)。1
NB/T421412017
中压补偿绕组 medium-voltage compensation winding矿热炉变压器内专门用于连接补偿装置的独立绕组，绕组电压一般为6kV～35kV。3.7
高压无功补偿装置high-voltagereactivepowercompensationinstallation装设在矿热炉变压器一次侧母线上的无功补偿装置。3.8
中压无功补偿装置medium-voltagereactivepowercompensationinstallation装设在矿热炉变压器中压补偿绕组上的无功补偿装置。3.9
低压无功补偿装置low-voltagereactivepowercompensationinstallation装设在矿热炉变压器低压侧的补偿装置，包括通过联接变压器接入矿热炉变压器低压侧的无功补偿装置。
公共连接点pointofcommoncoupling：PCC用户接入公用电网的连接处。
入炉有功功率furnaceinputactivepower由矿热炉供电侧输入矿热炉炉体内的有功功率。3.12
电容器组的额定容量ratedoutputofacapacitorbankONb
设计无功补偿装置时所规定的无功功率，通常也称为电容器装置的额定容量。3.13
装置的额定无功输出ratedreactivepowerofaninstallationQN
在额定频率和装置额定电压下的装置总的无功功率，由包括电抗器（如有的话）在内的装置中的所有阻抗计算得出。
［GB/T30841—2014，定义3.19]3.14
电容器组的额定电压ratedvoltageofacapacitorbankUnb
设计电容器组时所规定的交流电压方均根值。注：当电容器组含有一个或多个独立的电路时（例如拟用于多相连接的单相电容器组），UNb系指每一电路的额定电压，通常其值等于电容器单元额定电压乘以单元串联数。对于相间已有电气连接且中性点不能触及的三相电容器（例如三相电容器单元、三相集合式或箱式电容器），U%b系指线电压。［GB/T30841—2014，定义3.16]］3.15
装置的额定电压rated voltage ofan installationUN
无功补偿装置拟接入电网的系统标称电压。2
强迫停运forcedoutages
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由于装置内部设备故障而导致该设备退出运行。此时，将引起装置部分功能或所有基本功能的丧失。3.17
scheduleoutages
计划停运
出于维护、检修等目的，为了保证装置长期可靠运行而必须进行的停运。此时，将引起装置部分功能或所有基本功能的暂时丧失。3.18
停运持续时间outagesduration
从装置退出运行时刻起，到装置准备投入运行时刻止的持续时间间隔。下述情况均包括在停运持续时间中：
故障判断时间downtime
判断故障原因或决定哪一台设备需要维修、替换所需要的停机时间。准备及完工清理时间preparingtimeandendingtimeb）
运行操作人员断开设备连线、连接设备接地线以准备工作的必要准备时间，以及维修完成后卸除设备接地线、连接设备连线的完工清理时间。c）降容运行等效停运时间equivalentoutagetimeofpartial outage由于某种原因导致装置降容运行，则降容运行等效停运时间为：降容运行等效停运时间=装置降容运行的持续时间×3.19
年可用率annualavailability
降容运行期间的容量
额定容量
指装置在矿热炉系统正常工作时间范围内全年可正常运行的可用时间比率。计算公式如下：年可用率
Z等效停运时间
矿热炉全年运行时间
其中等效停运时间为在矿热炉系统正常工作时间范围内全年累计停运持续时间，以小时计：矿热炉全年运行时间为矿热炉系统全年累计运行时间，以小时计。4设计原则
4.1可靠性要求
装置设计生产时应明确下述可靠性指标：a）因强迫停运造成的年可用率的最低水平（%）：b）因强迫停运造成的年强迫停运次数的最大值（次）：供应商需对年计划停运持续时间及其累计停运次数进行明确承诺；c
d）供应商需明确承诺上述可靠性指标的保证期（年），并给出该装置建议的维护周期。4.2安全性要求
装置的设计应能保证其在正常运行、矿热炉系统故障、外部电网事故及异常时本身的安全性，同时装置本身的投入、切除、正常运行及异常时不应危及系统安全。装置的设计应有可靠的技术措施，如采用自动控制、保护单元、设备可靠接地、闭锁装置、防护围栏和警告标志等，以保证装置安全运行。3
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4.3功能要求
4.3.1无功补偿功能
在矿热炉负荷功率变化范围内，装置的额定无功输出应能满足矿热炉供电系统PCC点对功率因数或电压的要求。
4.3.2自动控制功能
装置应能根据供电系统无功功率及接入点电压的变化自动控制无功功率的输出，以达到适应矿热炉供电系统对功率因数和电压偏差的要求。4.3.3运行方式
矿热炉供电系统用无功补偿装置一般有高压无功补偿装置、中压无功补偿装置和低压无功补偿装置三种方式，矿热炉供电系统用无功补偿装置宜采取多种无功补偿装置组合运行的方式设计。组合运行方式包括：高、低压装置组合方式：高、中压装置组合方式：中、低压装置组合方式等。4.3.4控制方式
装置应能根据实际情况，选择手动和自动控制。自动控制又可分为电压无功综合控制和无功控制等。自动控制时装置除应能根据供电系统运行情况自动调节无功输出外，还应能自动或手动选择单一补偿方式或组合补偿方式。在组合补偿方式中，各装置宜进行协调控制，以完成总的关于PCC点的综合电能指标或技术协议规定的相关指标，低压无功补偿装置宜优先投入。
手动控制时，装置除能手动选择装置的投入与切除外，还应能选择单一补偿方式或组合补偿方式。4.4谐波要求
装置投入运行后，矿热炉供电系统PCC点谐波水平应满足GB/T14549的要求。4.5其他特殊要求
特殊的运行环境和特殊的技术性能指标（治理闪变等），由购买方提出并与制造方协商解决。5设计依据
5.1概述
装置在设计及使用中的技术条件主要由环境条件、矿热炉变压器参数、炉体参数、矿热炉短网参数及供电系统参数条件等因素决定。5.2环境条件
5.2.1海拨
装置安装地点的海拨。
为便于产品的标准化，推荐高压产品海拔应不超过1000m，低压产品海拔应不超过2000m。用于海拔高于1000m地区的高压产品及高于2000m的低压产品，其要求应由购买方与制造方协商确定。
5.2.2温度和湿度范围
装置运行地点的环境空气温度变化范围见表1。表1装置运行地点的环境空气温度变化范围环境温度
安装于冶炼区域外的补偿装置
安装于冶炼区域内的补偿装置
符合国家相关标准要求
当无资料时，可取最热月平均最高温度加15℃
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当无资料时可取最冷月平均最低温度注：最热（冷）月平均最高（低）温度为最热（冷）月每日最高（低）温度的月平均值，取多年平均值。装置运行地点的相对湿度，应采用当地湿度最高月份的平均相对湿度。对湿度较高的场所，应采用该处实际相对湿度。当无资料时，相对湿度可比当地湿度最高月份的平均相对湿度高5%（一般地区推荐的产品环境相对湿度：月平均相对湿度不大于90%，日平均相对湿度不大于95%）。5.2.3风速
安装于户外的装置，可取距离运行地点地面10m高、30年一遇的10min平均最大风速作为参考最大风速。最大风速超过35m/s的地区，宜在装置的布置中采取应对措施。阵风对装置的影响，应由设备供应商在设计中考虑。
5.2.4覆冰厚度
对于户外运行的装置，在积雪、覆冰严重地区，应采取防止冰雪引起事故的措施。隔离开关的破冰厚度，应大于安装地点的最大覆冰厚度。5.2.5抗污移能力
安装于治炼区域外的装置的抗污移等级应满足国家相关标准的要求。安装于冶炼区域现场内的装置的抗污等级，应在满足已有污移等级的前提下，考虑高粉尘环境对设备的损害，在设计时增加防粉尘措施。5.2.6抗震要求
装置设计时应满足当地地震基本烈度要求。5.2.7其他
非正常使用条件由制造方和购买方协商确定。5.3矿热炉变压器参数条件
设计矿热炉供电系统用无功补偿装置需要以下矿热炉变压器参数：a）矿热炉变压器的一次电压：
b）矿热炉变压器的二次工作挡位；c）二次电压范围：
d）矿热炉变压器的容量：
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e）矿热炉变压器的过负荷倍数
f）矿热炉变压器的阻抗电压百分比：g）补偿绕组（如果有）的工作电压。5.4矿热炉治炼电气特征参数条件设计矿热炉供电系统用无功补偿装置需要以下参数a）入炉有功功率及有功波动范围：b）自然功率因数：
c）特征谐波及谐波水平。
5.5矿热炉短网参数条件
设计矿热炉供电系统用无功补偿装置需要的矿热炉短网参数为：矿热炉短网阻抗。5.6供电电网参数条件
设计矿热炉供电系统用无功补偿装置需要以下供电电网参数：a）供电电网电压及波动水平：
b）供电系统最大、最小短路容量：c）背景谐波水平。
6通用设计要求
6.1补偿绕组要求
中压无功补偿装置在设计时应考虑容性负荷对变压器补偿绕组的影响。适当考虑投切过程对变压器补偿绕组的冲击。必要时考虑增大装置电抗器的电抗率、减少一次投切次数。对于容量较大的矿热炉系统使用中压无功补偿装置进行无功补偿时，需注意补偿绕组的安全隐患。6.2功率因数控制要求
矿热炉系统安装无功补偿装置后，PCC点功率因数应满足系统对功率因数的要求，一般情况下，要求功率因数不低于0.9。
对PCC点功率因数有特殊要求的购买方，其功率因数控制要求由设计方、制造方与购买方协商确定。6.3分组限制
对多支路装置，分组时应考虑开断设备的开断容性电流能力，且投切任何一条支路在考核点所引起的电压变动值不宜超过土2.5%。单组电容器组的并联单元总能量不宜超过单台电容器单元的耐爆能力。6.4补偿量测量要求
装置应具有补偿容量或补偿电流测量功能，可判断装置实际投入补偿容量或电流的大小。6.5安全运行要求
6.5.1校核要求
装置设计时应计算短路阻抗，校核系统功率情况，保证在最大和最小系统运行方式所涵盖的区域内，6
装置投入后PCC点的谐波含量满足GB/T14549要求。NB/T42141-2017
中压无功补偿装置除需校核变压器的损耗外，还需校核三绕组变压器等值回路阻抗变化对补偿效果的影响。
采用三相矿热炉变压器供电的中、小容量矿热炉系统，矿热炉短网侧对称性较差，需校核注入供电系统的正序、负序、零序谐波含量。6.5.2保护要求
补偿装置应具备完善的保护功能，在装置及负荷异常时，能根据设置有效监测预警或动作切除装置。6.5.3放电要求
装置内部的电容器组需安装放电器件时，放电特性应满足GB/T30841及GB/T22582的相关规定要求。6.5.4接地
装置电器设备的外壳、安装支架及绝缘台架的电位均应固定，并符合GB/T30841及GB/T22582的有关规定。
6.5.5闭锁
装置应有完善的闭锁装置，避免误操作。6.5.6控制顺序
采用组合补偿方式时，应根据所安装的矿热炉系统特点设定装置的投切顺序。建议优先投入低压无功补偿装置。装置应避免在空载情况下长时间运行。有特殊要求的情况，另行约定。6.5.7爆炸能量要求
装置设计时应充分考虑装置爆炸能量。装置爆炸能量不应大于装置内器件的耐爆能力，且爆炸能量的校核应满足相关产品标准要求。6.6环保要求
装置所选用的所有主设备和辅助设备，如果含有会污染环境或有其他危险的物质，应按照国家的相关法律执行，采取相应的技术措施，并在设备的标牌上或其他地方有明显标志。高压无功补偿装置及中压无功补偿装置运行中产生的噪音应符合GB/T30841的要求。低压无功补偿装置应符合GB/T22582的要求。
6.7检修要求
高压无功补偿装置及中压无功补偿装置应安装隔离开关，当装置故障检修时，不影响矿热炉正常生产。
低压无功补偿装置宜加装隔离装置，当装置故障检修时，不影响矿热炉正常生产。7设计方法
7.1装置类型的确定
高压无功补偿装置不能帮助降低矿热炉冶炼电耗，具有直接提高PCC点功率因数、装置可靠性高、7
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绝缘要求严格等特点。
中压无功补偿装置一般用于中小型矿热炉供电系统中，安装在矿热炉变压器补偿绕组上。其具有不能降低冶炼电耗、设计制造难度小、设计阻抗复杂（补偿绕组同时负担调压作用时，电磁暂态过程需单独考虑）、对变压器的性能要求较高等特点。低压无功补偿装置一般安装于矿热炉系统短网侧，其具有能降低矿热炉的治炼电耗、装置设计组成复杂、运行环境恶劣等特点。
矿热炉变压器容量足够大，可完全提供矿热炉所需要的入炉视在功率且不考虑降低治炼电耗时，宜选用高压无功补偿装置：矿热炉变压器不能完全提供矿热炉所需要的视在功率时，宜选用中压无功补偿装置；矿热炉变压器不能完全提供矿热炉所需要的视在功率且需要降低治炼电耗时，宜选用低压无功补偿装置。
当使用低压无功补偿时，考虑经济性要求，低压无功补偿的容量计算应以矿热炉变压器不超载为前提，若计算无功不足以使PCC点功率因数达标，剩余部分无功功率可使用高压无功补偿装置或中压无功补偿装置进行补偿。
额定无功输出的确定
7.2.1单独采用高压无功补偿装置单独采用高压无功补偿装置时，按下式计算高压无功补偿装置的额定无功输出：On=P(tangi-tanPN)
式中：
On—高压无功补偿装置的额定无功输出，单位为千乏（kvar)；P——矿热炉入炉有功功率，单位为千瓦（kW)；9—矿热炉自然功率因数角：
ON——PCC点要求达到的功率因数角。7.2.2单独使用低压无功补偿装置或中压无功补偿装置额定无功输出的确定应以矿热炉变压器安全运行（矿热炉变压器的容量满足安全运行要求）为原则首先计算低压或中压补偿后需达到的最低功率因数：cosP
式中：
低压或中压补偿后需达到的功率因数；cosP
矿热炉入炉有功功率，单位为干瓦（kW）；PR
S%—矿热炉变压器额定容量，单位为千伏安（kVA)：K矿热炉变压器过负荷系数。
再计算低压或中压无功补偿装置的额定无功输出：On=P(tan-tanp,)
式中：
Qn——低压或中压无功补偿装置的额定无功输出，单位为千乏（kvar）：P—矿热炉入炉有功功率，单位为千瓦（kW)：9——矿热炉自然功率因数角：
92—补偿后需达到的功率因数角。8
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