電弧爐電網干擾分析論文

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摘要：超高功率電弧爐在正常生產時會對電網造成高次諧波、電壓閃變、電壓波動、三相電壓及電流不平衡、功率因數低等不利影響，而且超過電能質量各項指標國家標準。本文逐項進行定性分析，并對幾種常見型式的SVC裝置作比較，無源與有源濾波的應用和技術發展作了闡述，以形成一個完整的概念和防護方法。

關鍵詞：超高功率電弧爐高次諧波電壓閃變電壓波動

現代煉鋼電弧爐的基本功能是將盡可能多的電功率輸入到熔池內，以獲得高的生產率和低的物料、能量消耗以及好的環保指標。煉鋼電弧爐按其噸鋼平均變壓器額定容量,或單位爐膛面積平均變壓器額定容量分為普通功率(RP)、高功率(HP)和超高功率(UHP)三種。超高功率電弧爐概念自70年代提出，目標在于極大地提高電弧爐煉鋼的生產率和降低成本，開創了電弧爐煉鋼技術發展新紀元。但由于生產時對電網影響與干擾是多方面的，實踐中也發現了涉及到電能質量的所有方面。由于超高功率電弧爐的變壓器功率水平高，變壓器容量高達數十兆伏安，在煉鋼過程中對電網造成嚴重的沖擊和干擾，這些“公害”必須加以控制和治理。

1對電網的干擾

1.1功率因數低

電弧爐從電網獲得電能，其中一部分轉化為有用的熱能，而另一部分則為無功能量。為了使電弧能穩定燃燒，電弧爐的功率因數不能取得太高。因電弧爐負載是高感性的，電弧爐的接入使供電電網的功率因數惡化。超高功率電弧爐運行在熔化期時，功率因數甚至低到0.1，這樣引起母線電壓嚴重降低。電壓降低又相應降低電弧爐的有功功率，使熔化期延長，生產率下降。

1.2電壓閃爍和波動

超高功率電弧爐是供電電網的很大的負載，而且在運行中經常產生突然的、強烈的電壓沖擊，導致電網電壓的快速波動，頻率為0.1～30Hz。頻率在1～10Hz之間的電壓波動會引起照明白熾燈和電視畫面的閃爍，使人們感到煩躁，這類干擾稱之為“閃爍”或“閃變”。強烈的閃爍會造成電機轉動不穩定，電子裝置誤動作甚至損壞，也會使電網供電的用戶(包括電弧爐本身)的實際功率減少，閃爍是對電網的一種公害。

對于實際的、有限容量的電網，電弧爐負載引起的電網電壓波動百分數為

ΔU％=ΔQ/Sk×100％(1)

式中ΔQ——無功功率的沖擊量，Mvar;

Sk——本電弧爐供電母線最小短路容量，MVA。

考慮到電弧爐的正常運行狀態與短路狀態之間的無功功率變動大致與爐子變壓器的額定容量相當，即ΔQmax≈SF，故可以用下式來估算電網上最大波動百分數

ΔUmax％=SF/Sk×100％(2)

國標《電能質量·電壓允許波動和閃變》(GB12326—2000)規定了電力系統公共連接點的電壓波動和閃變電壓允許值。超高功率電弧爐在其運行過程中產生的波動和閃變往往都超過這個規定值，必須加以抑制。

1.3三相電壓與電流不對稱

引起電網供電質量變差的另一個重要問題是電弧爐三相負載不對稱引起的電網三相電壓及三相電流的不對稱。其后果是相關電網的所有用戶(包括電弧爐)的經濟性和生產率降低。分析表明，在公共連接處電網短路容量Sk比電弧爐變壓器額定容量SF高50倍以上時，電弧爐三相負載不對稱所造成的電網電壓的不對稱性未超過國標《電能質量·三相電壓允許不平衡度》(GB/T15543—1995)中規定的允許值。

當前電弧爐大型化、更超高功率化，結果供電電網的容量往往只有電弧爐變壓器容量的20～40倍或更低，故必須采用補償。

1.4高次諧波

交流電弧爐在煉鋼過程中其電流會產生非正弦畸變和各次諧波，對電網造成干擾。其主要原因有：

(1)電弧的電阻值不恒定，并且在交流電弧的半個周期中電弧電阻也在變動，這造成電弧電流的非正弦畸變。

(2)交流電的正負半周換相，石墨電極和鋼交替作陰極和陽極，因不同材料的發射電子能力不一樣，故使電流的正負兩個半周的波形不對稱，造成偶次諧波。

(3)三相電弧不均衡，導致三次諧波。

(4)供電系統連接的各種諧波源導致各種諧波的形成，如靜補裝置中的整流器等。

電弧爐的諧波電流成份主要為2～7次，其中2、3次最大，其平均值可達基波分量的5％～10％，諧波電流流入電網，使電壓波形發生畸變，引起電氣設備發熱、振動以及保護誤動作等。國標《電能質量·公用電網諧波》(GB/T14549—93)對綜合電壓畸變率、諧波電流注入量均作了具體規定，為抑制電弧爐產生的諧波提供了依據和標準。

2抑制電弧爐對電網和自身影響的途徑

抑制超高功率電弧爐干擾的途徑總的來講有二：一是提高供電電源的電壓等級，以提高與電網公共連接點的短路容量，使其對電網和自身的影響在允許范圍內；二是采用SVC裝置，使其多項指標限制在允許范圍內。兩種途徑相比，途徑一是治標的方法，因為電爐對電網和自身影響的各種量值并未消除，而是送到更高電壓級的電網去擴散，隨著電爐不斷建設發展，這些量值在電網中增加積累，泛濫成災，將會形成電網所不能接受的程度，而增加了對廣大用戶的影響，因此，使用范圍越來越小。途徑二是治本的辦法，它使電爐對電網和自身影響的各種量值大部分就地消除了，故其使用范圍越來越大，前途廣闊。

2.1SVC裝置

近些年來發展起來的SVC裝置是一種快速調節無功功率的裝置，已成功地用于電力、冶金、采礦和電氣化鐵道等沖擊性負荷的補償上，它可使所需無功功率作隨機調整，從而保持在電弧爐等沖擊性負荷連接點的系統水平的恒定

Qi=QD＋QL－QC(3)

式(3)中Qi、QD、QL、QC分別為系統公共連接點的無功功率、負荷所需的無功功率、可調(可控)電抗器吸收的無功功率、電容器補償裝置發出的無功功率，單位均為kvar。

當負荷產生沖擊無功ΔQD時，將引起

ΔQi=ΔQD＋ΔQL－ΔQC(4)

式中ΔQC=0，欲保持Qi不變，即ΔQi=0，則ΔQD=－ΔQL，即SVC裝置中感性無功功率隨沖擊負荷無功功率作隨機調整，此時電壓水平能保持恒定不變。

SVC由可控支路和固定(或可變)電容器支路并聯而成，主要有四種型式。

(1)可控硅閥控制空芯電抗器型(稱TCR型)它用可控硅閥控制線性電抗器實現快速連續的無功功率調節，它具有反應時間快(5～20ms)、運行可靠、無級補償、分相調節、能平衡有功、適用范圍廣、價格便宜等優點。TCR裝置還能實現分相控制，有較好的抑制不對稱負荷的能力，因而在電弧爐系統中采用最廣泛，但這種裝置采用了先進的電子和光導纖維技術，對維護人員要專門培訓提高維護水平。

(2)可控硅閥控制高阻抗變壓器型(TCT型)優點與TCR型差不多，但高阻抗變壓器制造復雜，諧波分量也略大一些。由于有油，要求一級放火，只宜布置在一層平面或戶外，容量在30Mvar以上時價格較貴，而不能得到廣泛采用。

(3)可控硅開關控制電容器型(TSC型)分相調節，直接補償，裝置本身不產生諧波，損耗小，但是它是有級調節，綜合價格比較高。

(4)自飽和電抗器型(SSR型)維護較簡單，運行可靠，過載能力強，響應速度快，降低閃變效果好，但其噪聲大，原材料消耗大，補償不對稱電爐負荷自身產生較大諧波電流，無平衡有功負荷能力。

2.2無源濾波裝置

該裝置由電容器、電抗器，有時還包括電阻器等無源元件組成，以對某次諧波或以上次諧波形成低阻抗通路，以達到抑制高次諧波的作用。由于SVC的調節范圍要由感性區擴大到容性區，所以濾波器與動態控制的電抗器一起并聯，這樣既滿足無功補償、改善功率因數，又能消除高次諧波的影響。

國際上用于大型煉鋼電弧爐的濾波器種類有：各階次單調諧濾波器、雙調諧濾波器、二階寬頻帶與三階寬頻帶高通濾波器等。

(1)單調諧濾波器一階單調諧濾波器的優點是濾波效果好，結構簡單，缺點是電能損耗比較大，但隨著品質因數的提高而減少，同時又隨諧波次數的減少而增加，而電爐正好是低次諧波，主要是2～7次，因此，基波損耗較大。二階單調諧濾波器當品質因數在50以下時，基波損耗可減少20％～50％，屬節能型，濾波效果等效。三階單調諧濾波器是損耗最小的濾波器，但組成復雜些，投資也高些，用于電弧爐系統中，2次濾波器選用三階濾波器為好，其他次選用二階單調諧濾波器。

(2)高通(寬頻帶)濾波器一般用于某次及以上次的諧波抑制。當在電弧爐系統中采用時，對5次以上起濾波作用時，通過參數調整，可形成該濾波器回路對5次及以上次諧波形成低阻抗通路。

用于大型電爐的濾波器組合最基本的有兩類：一是用3～5組單調諧濾波器組成，二是由2～4組單調諧濾波器和一組二階寬頻帶濾波器組成。第一類組合對高次諧波濾波效果要差一些，但電能損耗低些；第二類組合對高次數濾波效果好，分工也明確，設計也簡單容易些。兩者組合各有優缺點，總的發展趨勢是在濾波效果好的前提下減少組數，以節省占地和投資，又要盡可能優化組合以節省電能損耗。

3有源濾波器

雖然無源濾波器具有投資少、效率高、結構簡單及維護方便等優點，在現階段廣泛用于配電網中，但由于濾波特性受系統參數影響大，只能消除特定的幾次諧波，而對某些次諧波會產生放大作用，甚至諧振現象等因素，隨著電力電子技術的發展，人們將濾波研究方向逐步轉向有源濾波器(APF)。

APF即利用可控的功率半導體器件向電網注入與諧波源電流幅值相等、相位相反的電流，使電源的總諧波電流為零，達到實時補償諧波電流的目的。它與無源濾波器相比，有以下特點：

a.不僅能補償各次諧波，還可抑制閃變，補償無功，有一機多能的特點，在性價比上較為合理；

b.濾波特性不受系統阻抗等的影響，可消除與系統阻抗發生諧振的危險；

c.具有自適應功能，可自動跟蹤補償變化著的諧波，即具有高度可控性和快速響應性等特點。

APF作為改善供電質量的一項關鍵技術，在日本、美國、德國等工業發達國家已得到高度重視和日益廣泛的應用，因為它有著無源濾波器所不具備的技術優勢。但目前要想在配電網中完全取代無源濾波器還不太現實。因為APF的成本現階段仍然較高，隨著電力電子工業的發展，器件的性價比將不斷提高，APF必然會得到更廣泛應用。

4結束語

配電網中整流器、變頻調速裝置、電氣化鐵道、電弧爐以及各種電力電子設備不斷增加，這些負荷的非線形、沖擊性和不平衡的用電特性，對供電質量造成污染，形成電力“公害”，尤其以超高功率電弧爐為甚。作為典型作特性和防護措施方面的剖析，有利于對SVC、濾波器以及有源濾波器的了解和研究。

我國鋼鐵企業的超高功率電弧爐等應用SVC的實際例子很多，如大冶鋼廠雙50t電弧爐、張家港70t電弧爐、韶關鋼廠以及天津大無縫鋼管廠、福建馬尾中鋼公司50t電弧爐、珠江鋼廠100t電弧爐等。SVC裝置有引進的，也有國產的，用的都是TCR型SVC，應該說TCR型SVC已形成了用于抑制電弧爐對電網干擾的主要方向和措施。

5參考文獻

1張之忠，張炳炎.抑制現代大型煉鋼電弧爐對電網公害、對自身不利的技術研究.中國冶金建設協會靜補(SVC)技術交流會論文集.1992年3月

2李士琦等.現代電弧爐煉鋼.北京：原子能出版社，1995.

3胡銘，陳衍.有源濾波技術及其應用.電力系統自動化，2000，24(3)