電弧爐煉鋼供電系統(tǒng)的無功動(dòng)態(tài)補(bǔ)償

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

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)(Δu)的原因是由于無功功率的變化(ΔQ)。即[1]Δu=×100％（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

QF＋QL=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=QF＋QL，所以整個(gè)靜補(bǔ)裝置取自電網(wǎng)的總無功功率QΣ維持不變，并力圖使之趨近于零，即

QΣ=QF＋QL－QC=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)，電爐變壓器連接處（B點(diǎn)）的短路容量SB為SB=（4）

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。 [!--empirenews.page--]

一臺(tái)電弧爐短路時(shí)的短路容量SL可由下式確定：SL=（5）

式中：k為電弧爐三相短路電流倍數(shù)，高功率電弧爐為1.7～2.1，普通功率為2.5～3.5；

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)

 

 

(b)無功功率變化示意圖

 

 

(a)靜補(bǔ)裝置系統(tǒng)原理圖

 

 

圖1靜補(bǔ)裝置工作原理

 

 

 

 

 

()

 

 

電弧爐煉鋼供電系統(tǒng)的無功動(dòng)態(tài)補(bǔ)償

 

 

(a)整體電路圖

 

 

圖3電弧爐允許接到電網(wǎng)上限制曲線

 

 

(b)局部電路圖

 

 

圖2煉鋼電弧爐的典型供電線路

 

 

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)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％。另據(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：Δu=0.05=（7）

式中：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：ΔuB=ΔuA（8）

式中：ΔuA和ΔuB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；

 

 

圖4電弧爐鋼爐被允許接到電網(wǎng)上的限制曲線

（1允許接入2邊緣區(qū)域3不允許接入）

 

 

 

圖5某鋼廠30t電弧爐供電系統(tǒng)圖 [!--empirenews.page--]

 

 

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組成，即QFC=Q3＋Q5＋Q7＋Qhp。整個(gè)靜補(bǔ)裝置發(fā)出的無功功率QSVC=QFC－QTCR。

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]

QFC=npa(tg?Lm－tg?LY)＋0.5QTCR（9）

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?LY≈0.2，相當(dāng)于cos?≈0.98

日本富士電機(jī)公司撰文指出，靜補(bǔ)裝置的總?cè)萘恳话氵x擇等于電弧爐三相短路時(shí)短路容量的50％左右。

4設(shè)計(jì)實(shí)例

作為實(shí)例，計(jì)算廣東某鋼廠30t超高功率電弧爐短路容量及其所需靜補(bǔ)裝置容量。供電系統(tǒng)圖示于圖5。已知數(shù)據(jù)

SA=900MVA

UA=110kV

ST=63MVA

UB=35kV

eK=0.07

SBL=20MVA

根據(jù)式（4），B點(diǎn)短路容量為SB==

=450MVA

根據(jù)式（5），一臺(tái)電弧爐短路時(shí)的短路容量為SL==

=38.4MVA

根據(jù)式（1），當(dāng)這臺(tái)電弧爐發(fā)生運(yùn)行短路時(shí)，引起B(yǎng)點(diǎn)的電壓波動(dòng)值為Δu==×100％=8.5％

該值超過允許值5％的指標(biāo)，因此必須裝設(shè)靜補(bǔ)裝置，其容量根據(jù)式（7）ΔuB=×100％=5％

可以求出

QSVC=SL－SB·ΔuB

=38.4－450×0.05

=16Mvar

可見，QSVC為這臺(tái)電弧爐短路容量SL的41.6％，接近富士電機(jī)公司提出的50％經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，詳細(xì)計(jì)算從略。

5結(jié)語

1）為了正確選擇電壓波動(dòng)補(bǔ)償裝置參數(shù)，必須根據(jù)被補(bǔ)償電弧爐的供電電路參數(shù)及其負(fù)荷特性，求出ΔQ值。然后根據(jù)供電系統(tǒng)短路容量求出Δu值。如果Δu值超出標(biāo)準(zhǔn)，則必須裝設(shè)SVC裝置。

2）本文給出的各公式業(yè)已經(jīng)過實(shí)踐考驗(yàn)，例如曾在大連鋼廠、西安鋼廠等冶金工廠驗(yàn)證過，計(jì)算值同利用電壓閃變測(cè)試儀測(cè)出的結(jié)果相吻合。