電弧爐煉鋼供電系統(tǒng)的無功動(dòng)態(tài)補(bǔ)償

1、摘  要：介紹了冶金企業(yè)中煉鋼電弧爐用靜止無功動(dòng)態(tài)補(bǔ)償裝置的方案選擇、工作原理、電路結(jié)構(gòu)及補(bǔ)償容量的計(jì)算方法，并給出了計(jì)算實(shí)例。    關(guān)鍵詞：電弧爐；晶閘管；無功功率；諧波濾波器；電壓波動(dòng) (1遼寧師范大學(xué)物理系，遼寧大連116029）(2西安電爐研究所，陜西西安710061）1引言    在電力系統(tǒng)中，供電的質(zhì)量指標(biāo)、電網(wǎng)運(yùn)行的安全可靠性和經(jīng)濟(jì)性是最根本的問題。快速合理地調(diào)節(jié)電網(wǎng)無功功率，對(duì)交流電網(wǎng)的穩(wěn)定和系統(tǒng)電壓的調(diào)節(jié)、合理分配潮流及限制電網(wǎng)過電壓方面有著十分重要的意義。特別是當(dāng)鄰近交流系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，如不迅速補(bǔ)償大幅

2、度波動(dòng)的無功功率，就會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)失控。近年來，隨著冶金、電氣化鐵道的飛速發(fā)展，諸如具有沖擊性負(fù)荷的電弧煉鋼爐、軋鋼機(jī)等不斷投入電網(wǎng)，導(dǎo)致電網(wǎng)功率因數(shù)下降、波形畸變、電壓波動(dòng)、諧波干擾等公害。因此各工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家都加強(qiáng)了對(duì)靜止無功動(dòng)態(tài)補(bǔ)償裝置的研究，以取代響應(yīng)速度慢、調(diào)節(jié)性能差、損耗大、維護(hù)不便的同步調(diào)相機(jī)。 目前，在電力系統(tǒng)中，靜止無功補(bǔ)償（StaticVarCompensation，簡(jiǎn)稱SVC），主要用于穩(wěn)定電網(wǎng)電壓，通常是按對(duì)稱三相形式來進(jìn)行調(diào)節(jié)的。而在工業(yè)應(yīng)用中，SVC裝置主要用于緩沖沖擊性負(fù)荷及恢復(fù)電力網(wǎng)絡(luò)的平衡1。2冶金企業(yè)中靜止無功動(dòng)態(tài)補(bǔ)償裝置容量的選擇  

3、0; 在冶金企業(yè)中，煉鋼電弧爐具有非常滯后的功率因數(shù)和變化頻繁的不平衡負(fù)荷。無功電流波動(dòng)幅度大和不穩(wěn)定造成了系統(tǒng)中電壓的波動(dòng)，若生活用電也接在同一電網(wǎng)上，系統(tǒng)電壓波動(dòng)將會(huì)造成燈光閃爍并對(duì)電視機(jī)和其它用電設(shè)備產(chǎn)生干擾。    造成電弧電流隨機(jī)波動(dòng)的主要因素有：    1）金屬熔液和爐渣的流動(dòng)。    2）弧隙電離程度的變化。    3）電極的顫動(dòng)。    4）在電磁力作用下電弧路徑的變動(dòng)等。    弧長(zhǎng)的不規(guī)則變化，引

4、起電網(wǎng)電壓相應(yīng)的波動(dòng)。當(dāng)斷弧時(shí)，取自電網(wǎng)的有效功率等于零；而當(dāng)電極同爐料短路時(shí)，爐子主電路消耗的無功功率最大。在熔化期，由于每相電弧長(zhǎng)度的變化在時(shí)間上不一致，所以造成三相負(fù)荷不對(duì)稱。此外，電弧本身弧壓與弧流的非線性也將產(chǎn)生出高次諧波電流，返回到電網(wǎng)中去，導(dǎo)致電網(wǎng)電壓波形畸變、中性點(diǎn)位移。而電弧爐采用靜止無功補(bǔ)償裝置就能克服上述問題，因?yàn)樗茈S時(shí)提供電弧爐所需的瞬變無功功率，從而穩(wěn)定其供電系統(tǒng)。另外它給煉鋼工業(yè)本身也帶來了很大的效益，因?yàn)?，供電電壓的穩(wěn)定使電爐變壓器得到最有效的利用，并能提供穩(wěn)定的熔化功率；消除無功電流的流動(dòng)，可降低線路和變電所變壓器的損耗。系統(tǒng)功率因數(shù)也會(huì)得到顯著的改善。這些效

5、益既減少電弧爐煉鋼設(shè)備的投資，也減少了它的運(yùn)行費(fèi)用。    關(guān)于電力系統(tǒng)的靜補(bǔ)裝置已有很多文獻(xiàn)進(jìn)行了論述，但是電弧爐用靜補(bǔ)裝置的文章卻很少見到。下面專門討論電弧爐用靜補(bǔ)裝置及其容量的選擇方法。    電壓波動(dòng)(u)的原因是由于無功功率的變化(Q)。即1式中：SDR供電系統(tǒng)短路容量。    由此看來，利用無功發(fā)生裝置，就可補(bǔ)償電網(wǎng)電壓波動(dòng)。由于晶閘管維護(hù)容易、可靠性高，并可以連續(xù)平滑調(diào)節(jié)，所以無功補(bǔ)償裝置的最佳方案是利用晶閘管控制電抗器電流，它與補(bǔ)償電容器并聯(lián)。圖1示出靜補(bǔ)裝置系統(tǒng)原理圖和無功功率變化示意圖

6、。其工作原理是將電弧爐隨時(shí)變化的無功功率信號(hào)檢出，用來控制電抗器的無功功率，使    QFQL=常數(shù)（2）式中：QF為電弧爐發(fā)生的無功功率；      QL為晶閘管控制電抗器的無功功率。    另外由于補(bǔ)償電容器的無功功率QC=QFQL，所以整個(gè)靜補(bǔ)裝置取自電網(wǎng)的總無功功率Q維持不變，并力圖使之趨近于零，即    Q=QFQLQC=0（3）    總的無功功率維持不變，并且補(bǔ)償后，趨近于零，則電壓波動(dòng)也趨近于零了。補(bǔ)償電容器實(shí)

7、際上被分成三、五、七次和高通濾波器。1引言    在電力系統(tǒng)中，供電的質(zhì)量指標(biāo)、電網(wǎng)運(yùn)行的安全可靠性和經(jīng)濟(jì)性是最根本的問題?？焖俸侠淼卣{(diào)節(jié)電網(wǎng)無功功率，對(duì)交流電網(wǎng)的穩(wěn)定和系統(tǒng)電壓的調(diào)節(jié)、合理分配潮流及限制電網(wǎng)過電壓方面有著十分重要的意義。特別是當(dāng)鄰近交流系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，如不迅速補(bǔ)償大幅度波動(dòng)的無功功率，就會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)失控。近年來，隨著冶金、電氣化鐵道的飛速發(fā)展，諸如具有沖擊性負(fù)荷的電弧煉鋼爐、軋鋼機(jī)等不斷投入電網(wǎng)，導(dǎo)致電網(wǎng)功率因數(shù)下降、波形畸變、電壓波動(dòng)、諧波干擾等公害。因此各工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家都加強(qiáng)了對(duì)靜止無功動(dòng)態(tài)補(bǔ)償裝置的研究，以取代響應(yīng)速度慢、調(diào)節(jié)性能差、損耗大、維

8、護(hù)不便的同步調(diào)相機(jī)。 目前，在電力系統(tǒng)中，靜止無功補(bǔ)償（StaticVarCompensation，簡(jiǎn)稱SVC），主要用于穩(wěn)定電網(wǎng)電壓，通常是按對(duì)稱三相形式來進(jìn)行調(diào)節(jié)的。而在工業(yè)應(yīng)用中，SVC裝置主要用于緩沖沖擊性負(fù)荷及恢復(fù)電力網(wǎng)絡(luò)的平衡1。2冶金企業(yè)中靜止無功動(dòng)態(tài)補(bǔ)償裝置容量的選擇    在冶金企業(yè)中，煉鋼電弧爐具有非常滯后的功率因數(shù)和變化頻繁的不平衡負(fù)荷。無功電流波動(dòng)幅度大和不穩(wěn)定造成了系統(tǒng)中電壓的波動(dòng)，若生活用電也接在同一電網(wǎng)上，系統(tǒng)電壓波動(dòng)將會(huì)造成燈光閃爍并對(duì)電視機(jī)和其它用電設(shè)備產(chǎn)生干擾。    造成電弧電流隨機(jī)波動(dòng)的主要因素

9、有：    1）金屬熔液和爐渣的流動(dòng)。    2）弧隙電離程度的變化。    3）電極的顫動(dòng)。    4）在電磁力作用下電弧路徑的變動(dòng)等。    弧長(zhǎng)的不規(guī)則變化，引起電網(wǎng)電壓相應(yīng)的波動(dòng)。當(dāng)斷弧時(shí)，取自電網(wǎng)的有效功率等于零；而當(dāng)電極同爐料短路時(shí)，爐子主電路消耗的無功功率最大。在熔化期，由于每相電弧長(zhǎng)度的變化在時(shí)間上不一致，所以造成三相負(fù)荷不對(duì)稱。此外，電弧本身弧壓與弧流的非線性也將產(chǎn)生出高次諧波電流，返回到電網(wǎng)中去，導(dǎo)致電網(wǎng)電壓波形畸變、中性點(diǎn)位

10、移。而電弧爐采用靜止無功補(bǔ)償裝置就能克服上述問題，因?yàn)樗茈S時(shí)提供電弧爐所需的瞬變無功功率，從而穩(wěn)定其供電系統(tǒng)。另外它給煉鋼工業(yè)本身也帶來了很大的效益，因?yàn)?，供電電壓的穩(wěn)定使電爐變壓器得到最有效的利用，并能提供穩(wěn)定的熔化功率；消除無功電流的流動(dòng)，可降低線路和變電所變壓器的損耗。系統(tǒng)功率因數(shù)也會(huì)得到顯著的改善。這些效益既減少電弧爐煉鋼設(shè)備的投資，也減少了它的運(yùn)行費(fèi)用。    關(guān)于電力系統(tǒng)的靜補(bǔ)裝置已有很多文獻(xiàn)進(jìn)行了論述，但是電弧爐用靜補(bǔ)裝置的文章卻很少見到。下面專門討論電弧爐用靜補(bǔ)裝置及其容量的選擇方法。    電壓波動(dòng)(u)的原因是由

11、于無功功率的變化(Q)。即1式中：SDR供電系統(tǒng)短路容量。    由此看來，利用無功發(fā)生裝置，就可補(bǔ)償電網(wǎng)電壓波動(dòng)。由于晶閘管維護(hù)容易、可靠性高，并可以連續(xù)平滑調(diào)節(jié)，所以無功補(bǔ)償裝置的最佳方案是利用晶閘管控制電抗器電流，它與補(bǔ)償電容器并聯(lián)。圖1示出靜補(bǔ)裝置系統(tǒng)原理圖和無功功率變化示意圖。其工作原理是將電弧爐隨時(shí)變化的無功功率信號(hào)檢出，用來控制電抗器的無功功率，使    QFQL=常數(shù)（2）式中：QF為電弧爐發(fā)生的無功功率；      QL為晶閘管控制電抗器的無功功率。 

12、60;  另外由于補(bǔ)償電容器的無功功率QC=QFQL，所以整個(gè)靜補(bǔ)裝置取自電網(wǎng)的總無功功率Q維持不變，并力圖使之趨近于零，即    Q=QFQLQC=0（3）    總的無功功率維持不變，并且補(bǔ)償后，趨近于零，則電壓波動(dòng)也趨近于零了。補(bǔ)償電容器實(shí)際上被分成三、五、七次和高通濾波器。     毋庸置疑，正確地選擇靜補(bǔ)裝置的容量，能減輕電弧爐電氣設(shè)備（電爐變壓器、高壓斷路器、電力電容器等）的負(fù)擔(dān)；能提高爐襯和電極的使用壽命，并可使前級(jí)供電變壓器的容量減少約20，因此可以說，靜補(bǔ)裝置不僅能頗有成效地改

13、善供電質(zhì)量，而且還能提高冶金企業(yè)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。    為了正確地選擇靜補(bǔ)裝置的容量，必須具體地分析電弧爐供電線路和擬定靜補(bǔ)裝置的技術(shù)條件。這些條件是    1）靜補(bǔ)裝置保證電爐供電母線上的電能質(zhì)量達(dá)到國(guó)家電熱規(guī)范所規(guī)定的質(zhì)量指標(biāo)。    2）靜補(bǔ)裝置保證電爐供電母線上的功率因數(shù)平均值達(dá)到供電系統(tǒng)或國(guó)家電熱規(guī)范所規(guī)定的數(shù)值。    下面討論如圖2所示的煉鋼電弧爐的典型供電線路，這是二組供電線路，每組由二臺(tái)大型電弧爐組成，各組之間通過聯(lián)絡(luò)開關(guān)K1接通。當(dāng)K1斷開時(shí)，電爐變壓器連

14、接處（B點(diǎn)）的短路容量式中：SA為A點(diǎn)供電系統(tǒng)的短路容量；      ST為供電變壓器額定容量；      eK為供電變壓器短路電壓。    一臺(tái)電弧爐短路時(shí)的短路容量SL可由下式確定：式中：k為電弧爐三相短路電流倍數(shù)，高功率電弧爐為1.72.1，普通功率為2.53.5；      SLB為電爐變壓器額定容量。    式（5）給出了系統(tǒng)短路容量和電弧爐短路容量之間的關(guān)系。那么，多大容量的

15、電弧爐可以接到多大容量的電網(wǎng)上去呢？     首先，美國(guó)AIEE委員會(huì)提出了煉鋼電弧爐允許接到電網(wǎng)上的限制曲線1和1，見圖3。該二曲線是根據(jù)全美電力公司試驗(yàn)發(fā)表的互降常數(shù)xmn得出的，即    xmn=SLB/SDR(6)式中：SDR為在觀測(cè)點(diǎn)的系統(tǒng)短路容量。    如果xmn值位于曲線1下面，則電弧爐允許接入系統(tǒng)，不需要采取電壓波動(dòng)補(bǔ)償措施。如果xmn值位于曲線1上方，電弧爐不允許接入電網(wǎng)，或者采取電壓波動(dòng)補(bǔ)償措施后，方可接入電網(wǎng)。如果xmn值在曲線1和1之間時(shí)，是否需要采取電壓波動(dòng)補(bǔ)償措施，取決于供電

16、系統(tǒng)對(duì)電壓質(zhì)量的要求程度，送電后，一旦發(fā)生不允許的現(xiàn)象時(shí)，可在用戶側(cè)采取電壓波動(dòng)補(bǔ)償措施。在許多國(guó)家里，電壓波動(dòng)允許值小于xmn值，因此通常均采用xmn=SLB/SDR作為電弧爐被允許接到電網(wǎng)上的技術(shù)條件。由圖3可以看出，對(duì)于1000kVA的電弧爐變壓器而言，當(dāng)系統(tǒng)短路容量SDR大于電弧爐變壓器容量的100倍時(shí)，電弧爐可以無條件地接入到電網(wǎng)中去，如果上述條件得不到滿足，即xmn值位于圖3曲線1上方或者1和1之間時(shí)，則需裝設(shè)靜補(bǔ)裝置。    第二種方法是國(guó)際電熱委員會(huì)提出的高功率、超高功率電弧爐被允許接到電網(wǎng)上的限制曲線，見圖4。由圖4可以看出，電弧爐被允許接到電網(wǎng)

17、上的條件決定于電爐變壓器容量以及電極短路容量與系統(tǒng)短路容量之比。在一般情況下，電極短路容量對(duì)臨界母線上短路容量的比值不超過0.02時(shí)，允許電弧爐接到電網(wǎng)上去。    圖中：SJD和SDR分別為電極短路容量和系統(tǒng)短路容量。3相控型無功補(bǔ)償裝置容量的計(jì)算    根據(jù)我國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)電力設(shè)計(jì)技術(shù)電熱裝置篇第19條規(guī)定：三相電弧煉鋼爐工作短路時(shí)引起的供電母線上電壓波動(dòng)值不應(yīng)超過5。另?yè)?jù)冶金工業(yè)部鋼鐵企業(yè)電力設(shè)計(jì)手冊(cè)第五章電弧爐煉鋼車間中的規(guī)定：電弧爐工作短路引起的供電電壓波動(dòng)限制在5以下。按照上述規(guī)定，圖2中靜補(bǔ)裝置容量QSVC可由下式確定：式中

18、：QSVC為靜補(bǔ)裝置無功變化范圍。    當(dāng)多臺(tái)電弧爐同時(shí)工作時(shí)，電弧爐供電母線B、C點(diǎn)的合成電壓波動(dòng)亦不應(yīng)超過允許值5。當(dāng)圖2中母線uA上的電壓波動(dòng)允許值給出之后，當(dāng)K1斷開時(shí)，電爐母線uB上的電壓波動(dòng)允許值由下式確定：式中：uA和uB分別為系統(tǒng)母線上和電爐母線上的電壓波動(dòng)允許值。    本文討論的靜補(bǔ)裝置原理圖示于圖2(b)，它由晶閘管控制電抗器（TCR）和固定濾波器組（FC）構(gòu)成2。前者能夠?qū)CR消耗的無功功率由0改變到QTCR；后者則由三次、五次、七次和高通濾波器組成，F(xiàn)C發(fā)生的基波無功功率是固定的，但它又是由各次諧波濾波器

19、組成，即QFC=Q3Q5Q7Qhp。整個(gè)靜補(bǔ)裝置發(fā)出的無功功率QSVC=QFCQTCR。    確定靜補(bǔ)裝置SVC的設(shè)備容量，即確定TCR和FC的容量，以及SVC的連接點(diǎn)是非常重要的。    為了提高負(fù)載功率因數(shù)，F(xiàn)C濾波電路中的電容器發(fā)生的容性無功功率應(yīng)當(dāng)?shù)扔跒榱颂岣吖β室驍?shù)達(dá)到規(guī)定值所必須的無功功率平均值和TCR電路消耗的感性無功功率平均值之和，即3式中：n為爐子臺(tái)數(shù)；      pa為熔化期一臺(tái)爐子消耗的有功功率平均值；      QTCR為靜補(bǔ)裝置中TCR消耗的無功功率；      Lm為熔化期電爐母線上的基波電壓對(duì)于爐子基波電流之間的相角（平均值）；    LY為電爐母線上非畸變電壓對(duì)于爐子基波電流之間的相角允許值。通常tg LY0.2，相當(dāng)于