超高功率电弧炉对电网的干扰及防护

摘要：超高功率电弧炉在正常生产时会对电网造成高次谐波、电压闪变、电压波动、三相电压及电流不平衡、功率因数低等不利影响，而且超过电能质量各项指标国家标准。本文逐项进行定性分析，并对几种常见型式的SVC装置作比较，无源与有源滤波的应用和技术发展作了阐述，以形成一个完整的概念和防护方法。  
关键词：超高功率电弧炉 高次谐波 电压闪变 电压波动  

　　现代炼钢电弧炉的基本功能是将尽可能多的电功率输入到熔池内，以获得高的生产率和低的物料、能量消耗以及好的环保指标。炼钢电弧炉按其吨钢平均变压器额定容量,或单位炉膛面积平均变压器额定容量分为普通功率(RP)、高功率(HP)和超高功率(UHP)三种。超高功率电弧炉概念自70年代提出，目标在于极大地提高电弧炉炼钢的生产率和降低成本，开创了电弧炉炼钢技术发展新纪元。但由于生产时对电网影响与干扰是多方面的，实践中也发现了涉及到电能质量的所有方面。由于超高功率电弧炉的变压器功率水平高，变压器容量高达数十兆伏安，在炼钢过程中对电网造成严重的冲击和干扰，这些“公害”必须加以控制和治理。  
1　对电网的干扰  
1.1　功率因数低  
　　电弧炉从电网获得电能，其中一部分转化为有用的热能，而另一部分则为无功能量。为了使电弧能稳定燃烧，电弧炉的功率因数不能取得太高。因电弧炉负载是高感性的，电弧炉的接入使供电电网的功率因数恶化。超高功率电弧炉运行在熔化期时，功率因数甚至低到0.1，这样引起母线电压严重降低。电压降低又相应降低电弧炉的有功功率，使熔化期延长，生产率下降。  
1.2　电压闪烁和波动  
　　超高功率电弧炉是供电电网的很大的负载，而且在运行中经常产生突然的、强烈的电压冲击，导致电网电压的快速波动，频率为0.1～30Hz。频率在1～10Hz之间的电压波动会引起照明白炽灯和电视画面的闪烁，使人们感到烦躁，这类干扰称之为“闪烁”或“闪变”。强烈的闪烁会造成电机转动不稳定，电子装置误动作甚至损坏，也会使电网供电的用户(包括电弧炉本身)的实际功率减少，闪烁是对电网的一种公害。  
对于实际的、有限容量的电网，电弧炉负载引起的电网电压波动百分数为  
ΔU％=ΔQ/Sk×100％　　 　(1)  
　　式中　ΔQ——无功功率的冲击量，Mvar;  
Sk——本电弧炉供电母线最小短路容量，MVA。  
　　考虑到电弧炉的正常运行状态与短路状态之间的无功功率变动大致与炉子变压器的额定容量相当，即ΔQmax≈SF，故可以用下式来估算电网上最大波动百分数  
ΔUmax％=SF/Sk×100％　 　　(2)  
　　国标《电能质量.电压允许波动和闪变》(GB12326—2000)规定了电力系统公共连接点的电压波动和闪变电压允许值。超高功率电弧炉在其运行过程中产生的波动和闪变往往都超过这个规定值，必须加以抑制。  
1.3　三相电压与电流不对称  
　　引起电网供电质量变差的另一个重要问题是电弧炉三相负载不对称引起的电网三相电压及三相电流的不对称。其后果是相关电网的所有用户(包括电弧炉)的经济性和生产率降低。分析表明，在公共连接处电网短路容量Sk比电弧炉变压器额定容量SF高50倍以上时，电弧炉三相负载不对称所造成的电网电压的不对称性未超过国标《电能质量.三相电压允许不平衡度》(GB/T15543—1995)中规定的允许值。  
　　当前电弧炉大型化、更超高功率化，结果供电电网的容量往往只有电弧炉变压器容量的20～40倍或更低，故必须采用补偿。  
1.4　高次谐波  
　　交流电弧炉在炼钢过程中其电流会产生非正弦畸变和各次谐波，对电网造成干扰。其主要原因有：  
(1)电弧的电阻值不恒定，并且在交流电弧的半个周期中电弧电阻也在变动，这造成电弧电流的非正弦畸变。  
(2)交流电的正负半周换相，石墨电极和钢交替作阴极和阳极，因不同材料的发射电子能力不一样，故使电流的正负两个半周的波形不对称，造成偶次谐波。  
(3)三相电弧不均衡，导致三次谐波。  
(4)供电系统连接的各种谐波源导致各种谐波的形成，如静补装置中的整流器等。  
　　电弧炉的谐波电流成份主要为2～7次，其中2、3次最大，其平均值可达基波分量的5％～10％，谐波电流流入电网，使电压波形发生畸变，引起电气设备发热、振动以及保护误动作等。国标《电能质量.公用电网谐波》(GB/T14549—93)对综合电压畸变率、谐波电流注入量均作了具体规定，为抑制电弧炉产生的谐波提供了依据和标准。
2　抑制电弧炉对电网和自身影响的途径  
　　抑制超高功率电弧炉干扰的途径总的来讲有二：一是提高供电电源的电压等级，以提高与电网公共连接点的短路容量，使其对电网和自身的影响在允许范围内；二是采用SVC装置，使其多项指标限制在允许范围内。两种途径相比，途径一是治标的方法，因为电炉对电网和自身影响的各种量值并未消除，而是送到更高电压级的电网去扩散，随着电炉不断建设发展，这些量值在电网中增加积累，泛滥成灾，将会形成电网所不能接受的程度，而增加了对广大用户的影响，因此，使用范围越来越小。途径二是治本的办法，它使电炉对电网和自身影响的各种量值大部分就地消除了，故其使用范围越来越大，前途广阔。  

  
2.1　SVC装置  
　　近些年来发展起来的SVC装置是一种快速调节无功功率的装置，已成功地用于电力、冶金、采矿和电气化铁道等冲击性负荷的补偿上，它可使所需无功功率作随机调整，从而保持在电弧炉等冲击性负荷连接点的系统水平的恒定  
Qi=QD＋QL－QC　　　 (3)  
　　式(3)中Qi、QD、QL、QC分别为系统公共连接点的无功功率、负荷所需的无功功率、可调(可控)电抗器吸收的无功功率、电容器补偿装置发出的无功功率，单位均为kvar。  
　　当负荷产生冲击无功ΔQD时，将引起  
ΔQi=ΔQD＋ΔQL－ΔQC　　 　(4)  
　　式中ΔQC=0，欲保持Qi不变，即ΔQi=0，则ΔQD=－ΔQL，即SVC装置中感性无功功率随冲击负荷无功功率作随机调整，此时电压水平能保持恒定不变。  
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