大型煉鋼電弧爐對(duì)電網(wǎng)及自身的影響和抑制方案

1、大型煉鋼電弧爐對(duì)電網(wǎng)及自身地影響和抑制方案 .txt26 選擇自信 , 就是選擇豁達(dá)坦然 , 就是 選擇在名利面前巋然不動(dòng) ,就是選擇在勢(shì)力面前昂首挺胸,撐開(kāi)自信地帆破流向前 , 展示搏擊地風(fēng)采 . 大型煉鋼電弧爐對(duì)電網(wǎng)及自身地影響和抑制方案 翁利民 , 陳允平 , 舒立平（武漢大學(xué)電氣項(xiàng)目學(xué)院 , 湖北省 武漢市 430072）摘 要：詳細(xì)分析了現(xiàn)代大型煉鋼電弧爐對(duì)電網(wǎng)不利影響地 4 個(gè)方面：即電壓波動(dòng)、電 壓畸變、負(fù)序電壓與電流、功率因數(shù)低 , 并結(jié)合實(shí)際從量地概念上認(rèn)識(shí)其對(duì)自身在增加損耗、 繼電保護(hù)誤動(dòng)、 增加網(wǎng)損、 降低生產(chǎn)效益等方面地影響； 介紹了抑制電弧爐地常規(guī)有效措施 , 得出了

2、合理地結(jié)論 .關(guān)鍵詞：電壓閃變；電壓波動(dòng)； svc濾波器1 引言現(xiàn)代大型超高功率煉鋼電弧爐 , 因?yàn)槠淙萘看?,是用電大戶(hù) ,對(duì)電網(wǎng)地影響具有舉足輕重 地作用 . 它具有功率因數(shù)低 , 無(wú)功波動(dòng)負(fù)荷大且急劇變動(dòng) , 產(chǎn)生有害地高次諧波電流 , 三相負(fù)荷 嚴(yán)重不平衡產(chǎn)生負(fù)序電流等對(duì)電網(wǎng)不利地因素 , 使得電網(wǎng)電能質(zhì)量惡化 ,危及發(fā)配電和大量用 戶(hù), 也影響電爐自身地產(chǎn)量、質(zhì)量 ,使電耗、電極消耗增大 ,從而成為電網(wǎng)地主要公害之一 . 現(xiàn) 在有關(guān)大型電爐對(duì)電網(wǎng)公害抑制地研究也正在深入開(kāi)展 , 有必要對(duì)其不利影響和抑制對(duì)策作 一概述性地分析 .2 現(xiàn)代大型電爐對(duì)電網(wǎng)地影響2.1 引起電網(wǎng)電壓急劇波動(dòng)

3、大型電爐在打孔期和熔化期電弧長(zhǎng)度急劇變化 ,引起無(wú)功負(fù)荷急劇波動(dòng) , 其工作短路功率 為電爐變壓器額定功率地兩倍左右 , 其最大波動(dòng)無(wú)功為電爐變壓器額定功率地 1.5 倍左右（具 體倍數(shù)取決于短網(wǎng)阻抗、 電爐變壓器阻抗、 供電系統(tǒng)阻抗之和地大小 , 總阻抗大則工作短路倍 數(shù)小,反之則大）無(wú)功地急劇波動(dòng)，引起電網(wǎng)電壓地急劇波動(dòng)，其波動(dòng)頻率一般為 115Hz,使 燈光和電視機(jī)屏幕產(chǎn)生閃爍 , 使人視覺(jué)疲勞而感到煩躁 , 此外還影響到晶閘管設(shè)備和精密儀表 等地穩(wěn)定運(yùn)行,甚至產(chǎn)生質(zhì)量事故國(guó)標(biāo)GB12326-2000電能質(zhì)量 電壓允許波動(dòng)和閃變規(guī) 定了電力系統(tǒng)公共供電點(diǎn)各級(jí)電壓等級(jí)地電壓波動(dòng)和閃變?cè)试S值

4、 .2.2 使電網(wǎng)電壓波形產(chǎn)生畸變電爐在熔化和打孔期 ,電弧電流是不規(guī)則地 ,且急劇變化 ,其電流波形不是正弦波 ,可分解 為2次和 2次以上地各次諧波電流 ,主要為 27次,其中 2次和 3次最大,其平均值可達(dá)基波分 量地 5%10%最, 大可達(dá) 15%30%47 次平均值為 2%6%最, 大值可達(dá) 6%15%而. 電網(wǎng)中地鐵磁 元件也產(chǎn)生高次諧波 ,以3次和 5次諧波電流較大 ,其中3次分量最大 ,而電爐剛好也是 3次諧 波電流很大 , 這對(duì)電網(wǎng)是極為不利地 . 諧波電流流入電網(wǎng) , 使其電壓波形發(fā)生畸變 , 引起電氣設(shè) 備發(fā)熱、振動(dòng) , 增加損耗 , 干擾通信 , 使電力電纜局部放電絕緣

5、損壞 , 電容器過(guò)載損壞等 , 國(guó)家標(biāo) 準(zhǔn)GB/T14549-1993電能質(zhì)量 公用電網(wǎng)諧波規(guī)定了電壓波形畸變率限值.2.3 使電網(wǎng)電壓產(chǎn)生負(fù)序分量電爐在熔化期 , 特別是打孔期 , 各相電弧電壓是獨(dú)立變化地 , 三相電弧各自發(fā)生急劇無(wú)規(guī) 則變化 , 故其三相電流是不對(duì)稱(chēng)地 . 在正常生產(chǎn)情況下 , 產(chǎn)生地負(fù)序電流約為電爐變壓器額定 電流地 25%左右；在不正常情況下 , 如一相斷弧時(shí) , 可達(dá) 56%左右 , 如兩相短路地同時(shí) , 第三相又 斷弧 , 此時(shí)可達(dá) 86%左右 . 負(fù)序電流流入電網(wǎng) , 使電網(wǎng)電壓產(chǎn)生負(fù)序分量 , 影響發(fā)電機(jī)和用電設(shè) 備使用效果 , 嚴(yán)重時(shí)可能造成損壞 , 還會(huì)使

6、繼電保護(hù)誤動(dòng)作 , 其嚴(yán)重程度一般用不平衡度 （即負(fù) 序電壓與正序電壓分量之比地百分?jǐn)?shù)）表示，國(guó)標(biāo)GB/T15543-1995電能質(zhì)量 三相電壓允許不平衡度對(duì)于對(duì)稱(chēng)三相電網(wǎng)規(guī)定：負(fù)序電壓不大于 2%,短時(shí)不超過(guò) 4%.一般來(lái)講 , 在電網(wǎng)公 共連接點(diǎn)上地短路容量為電爐變壓器額定容量地 3040 倍以上時(shí) , 電網(wǎng)是允許地 , 否則應(yīng)采取 使三相達(dá)到平衡對(duì)稱(chēng)地補(bǔ)償措施 .2.4 引起電網(wǎng)電壓水平降低 電爐在熔化期功率因數(shù)低于 0.7, 在發(fā)生工作短路時(shí)甚至低到 0.1, 在精煉期大型電爐功 率因數(shù)也不高 ,一般為 0.8 左右.因?yàn)楣β室驍?shù)低 ,感性無(wú)功功率大 , 從而引起電壓水平降低, 必須采

7、用無(wú)功補(bǔ)償措施在高峰負(fù)荷影響用電設(shè)備出力 , 增加電能損耗 , 按供用電規(guī)則地規(guī)定 時(shí)把功率因數(shù)提高到 0.9 以上, 但又不得超前 .上述電爐對(duì)電網(wǎng)影響地四個(gè)方面 , 有時(shí)是單獨(dú)作用地 , 有時(shí)是綜合地3 大型電弧爐對(duì)自身及電氣設(shè)備地影響1. 該電爐是由一座 220/110kV 變電3.1 對(duì)接在電爐供電電源電壓等級(jí)上地小型發(fā)電機(jī)地影響 以具有代表性和典型意義地某鋼廠超高功率電爐為例站地110kV電壓供電,在110kV系統(tǒng)中接有某一小電廠,在電廠中裝有3臺(tái)1500kW水輪發(fā)電機(jī). 在電爐進(jìn)行正常生產(chǎn)時(shí) , 電廠發(fā)電機(jī)出現(xiàn)頻繁振動(dòng) , 每次振動(dòng)連續(xù)時(shí)間短地幾十秒 , 長(zhǎng)地達(dá)幾 分鐘 , 一天振

8、動(dòng)最多達(dá) 20 多次 . 作發(fā)電運(yùn)行時(shí)（慣性大）振動(dòng)小 , 作調(diào)相運(yùn)行時(shí)（慣性?。┱?動(dòng)大. 在振動(dòng)時(shí)發(fā)電機(jī)定子三相電流幅值不平衡且波動(dòng)很大 ,同一相電流相對(duì)波動(dòng)達(dá)20%,三相電流之間相位偏差也在波動(dòng)（約3° 4 °） ,三相電流電壓幅值包絡(luò)線(xiàn)地波動(dòng)頻率為0.330.4Hz, 電壓和電流包絡(luò)線(xiàn)正好反相位 . 機(jī)架上有一機(jī)械振動(dòng)信號(hào)與電壓波動(dòng)頻率相同 （即共振） . 上述情況說(shuō)明發(fā)電機(jī)地低頻振動(dòng)是由電爐地?zé)o功波動(dòng)、 三相負(fù)荷不平衡、 波形畸 變綜合作用形成地，而起主導(dǎo)作用地是無(wú)功波動(dòng)這是因?yàn)?10kV系統(tǒng)該小電廠與電爐地電氣 距離最近 , 因此電爐對(duì)其有顯著影響 , 不僅引起

9、發(fā)電機(jī)振動(dòng) , 而且三相負(fù)荷不平衡還引起轉(zhuǎn)子 軸系產(chǎn)生曲扭 , 對(duì)軸產(chǎn)生不利影響 , 諧波電流使轉(zhuǎn)子繞組鐵心產(chǎn)生附加損耗 , 引起局部過(guò)熱 .3.2 對(duì)負(fù)序繼電保護(hù)地影響該電爐投產(chǎn)后,SVC裝置尚未投入運(yùn)行，變電站110kV系統(tǒng)距離保護(hù)裝置地負(fù)序繼電保護(hù) 部分產(chǎn)生誤動(dòng)作 , 不得已只能退出運(yùn)行 .3.3 功率因數(shù)低 , 降低輸送功率 , 增加網(wǎng)損電爐熔化期功率因數(shù)只有 0.7, 冶煉周期平均功率因數(shù)只有 0.79. 在熔化期如果功率因數(shù) 提高到規(guī)定值0.9,則網(wǎng)絡(luò)可多輸送11.6MW有功功率.而功率因數(shù)為0.7,就相當(dāng)于使網(wǎng)絡(luò)降低 了 11.6MW地有功輸送能力,按平均網(wǎng)損8%十算,多送無(wú)功造

10、成地網(wǎng)損為 928kW,年電能損耗達(dá) 372MWh電費(fèi)為81.6萬(wàn)元.3.4 影響冶煉質(zhì)量和效益電爐變壓器地直接用電電壓為 35kV,在電爐熔化期、打孔期，當(dāng)SVC未投入時(shí)，母線(xiàn)上地 電壓波動(dòng)為 8%14%取, 10%十算,電爐出力降低 19%,即使取 8%十算,電爐出力也降低 15.4%,熔 化時(shí)間就要延長(zhǎng) , 至少要降低 8%地產(chǎn)量 .電壓波動(dòng)再加上 35kV 母線(xiàn)上電壓畸變率 （3.3%5.9%）地影響,爐況不穩(wěn)定電極升降調(diào)節(jié) 頻繁,使電極消耗增加 ,電力單耗增加 ,影響電爐自身地電能質(zhì)量 ,從而對(duì)冶煉質(zhì)量不利 ,經(jīng)濟(jì)效益會(huì)降低.另外，電爐投入運(yùn)行后，因?yàn)楣β室驍?shù)低，在SVC裝置未投入前

11、，每月罰款6萬(wàn)元, 一年就達(dá) 72 萬(wàn)元 .4 抑制途徑抑制大型電弧爐對(duì)電網(wǎng)及其自身地影響地途徑有： 提高供電電源地電壓等級(jí) , 以提高 與電網(wǎng)公共連接點(diǎn)地短路容量 ，使其對(duì)電網(wǎng)和自身地影響在允許范圍內(nèi)； 采用SVC裝置,使其對(duì)電網(wǎng)和自身地影響在允許范圍內(nèi) . 這兩種途徑相比 , 途徑 是治標(biāo)地辦法 , 因?yàn)殡姞t 對(duì)電網(wǎng)和自身地影響地各種量值并未消除 ,而是送到更高電壓等級(jí)地電網(wǎng)去擴(kuò)散 ,隨著電爐不 斷建設(shè)發(fā)展 ,這些量值在電網(wǎng)中增加積累 ,泛濫成災(zāi) ,將會(huì)達(dá)到電網(wǎng)不能接受地程度 ,反而增加 了對(duì)廣大用戶(hù)地影響 , 因此, 使用范圍越來(lái)越??； 而途徑 是治本地辦法 , 它使電爐對(duì)電網(wǎng)和 自身地

12、影響地各種量值大部分就地消除了 , 其應(yīng)用前景廣闊 .近年來(lái)發(fā)展起來(lái)地 SVC裝置是一種快速調(diào)節(jié)無(wú)功功率地裝置，已成功地用于電力、冶金、 采礦和電氣化鐵道等沖擊性負(fù)荷地補(bǔ)償上 ,它可使所需無(wú)功功率作隨機(jī)調(diào)整 , 從而保持電弧爐 等沖擊性負(fù)荷連接點(diǎn)地系統(tǒng)電壓水平地恒定 2. 即Qi=QD+QL-QC （1）式中Qi為系統(tǒng)公共連接點(diǎn)地?zé)o功功率；QD為負(fù)荷所需地?zé)o功功率；QL為可調(diào)（可控）電抗器吸收地?zé)o功功率；QC為電容器補(bǔ)償裝置發(fā)出地?zé)o功功率，單位均為kvar.當(dāng)負(fù)荷產(chǎn)生沖擊無(wú)功 DQD寸，將引起其中DQC =0欲保持Qi不變,即DQi =0,則DQD = -DQL,即SVC裝置中感性無(wú)功功率隨沖

13、擊負(fù) 荷無(wú)功功率作隨機(jī)調(diào)整 ， 此寸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(lián)而成 , 主要有四種型式 , 其基本結(jié)構(gòu)如 圖 1 所示 .近幾年來(lái)，用于電爐地SVC靜補(bǔ)系統(tǒng)逐步得到改善，實(shí)踐證明行之有效地有以下 4種型式.（1）晶閘管控制空芯電抗器型即TCR型 ,見(jiàn)圖1（a）,該類(lèi)型SVC具有反應(yīng)時(shí)間快（520mS ,運(yùn)行可靠、無(wú)級(jí)補(bǔ)償、 分相調(diào)節(jié)、 能平衡有功、 使用范圍廣、 價(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn) . 因此工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家地主要電氣設(shè)備制 造公司都生產(chǎn)和積極推廣這種裝置 , 應(yīng)用最廣 , 使用例子是大量地 , 是發(fā)展地主流 , 正如專(zhuān)家撰 文所總結(jié)地 “尤其在控制電弧爐

14、負(fù)荷產(chǎn)生地閃爍時(shí)幾乎都采用這種型式” . 但是這種裝置因?yàn)?采用了先進(jìn)地電子和光導(dǎo)纖維技術(shù) , 對(duì)維護(hù)人員要專(zhuān)門(mén)培訓(xùn)以提高維護(hù)水平 . 并且設(shè)計(jì)時(shí)要預(yù) 留一定地過(guò)載能力 .（ 2 ）晶閘管閥控制高阻抗變壓器型即TCT型，見(jiàn)圖1（b）,該類(lèi)型SVC優(yōu)點(diǎn)與TCR型差不多，但高阻抗變壓器制造復(fù)雜，諧 波分量也略大一些（因阻抗最大只能做到85%,起始控制角較 TCR型大，不能達(dá)到諧波量較小地起始控制角），并約有50dB左右地噪聲,因?yàn)橛杏?，要求一?jí)防火，只宜布置在一層房子內(nèi)或 戶(hù)外,容量在30Mvar以上時(shí)價(jià)格較貴，而不能得到廣泛應(yīng)用，故最早研究推廣應(yīng)用 TCT型地國(guó) 外電氣商現(xiàn)在也不推薦 TCT型了

15、 .（ 3）晶閘管開(kāi)關(guān)控制電容器型即TSC型，見(jiàn)圖1（c）,這種類(lèi)型SVC地特點(diǎn)是反應(yīng)時(shí)間快（1020ms）,能分相調(diào)節(jié)、 直接補(bǔ)償、 裝置本身不產(chǎn)生諧波、 損耗小 ， 但是它是有級(jí)調(diào)節(jié) ， 綜合價(jià)格較高 ， 因而也未得到廣 泛應(yīng)用.在380V低壓配電系統(tǒng)中應(yīng)用較多.（ 4 ）自飽和電抗器型即SSR型,見(jiàn)圖1（d）,SSR型SVC裝置因?yàn)樵牧舷拇螅肼暣?，補(bǔ)償不對(duì)稱(chēng)電爐負(fù)荷 自身產(chǎn)生較多諧波電流 ， 不具備平衡有功負(fù)荷地能力 ， 加上制造復(fù)雜等因素 ， 在近階段地應(yīng)用 日趨減少 .5 濾波裝置該裝置由電容器、 電抗器 ， 有時(shí)還包括電阻器等無(wú)源元件組成 ， 以對(duì)某次及以上次諧波 形成低阻抗

16、通路,達(dá)到抑制高次諧波地作用因?yàn)镾VC地調(diào)節(jié)范圍要由感性區(qū)擴(kuò)大到容性區(qū)，所以濾波器與動(dòng)態(tài)控制地電抗器一起并聯(lián) ，這樣既滿(mǎn)足無(wú)功補(bǔ)償、改善功率因數(shù) ，又能消除高 次諧波地影響 3.國(guó)際上用于大型煉鋼電弧爐地濾波器種類(lèi)有：各階次單調(diào)諧濾波器、雙調(diào)諧濾波器、二 階寬頻帶與三階寬頻帶高通濾波器等 .（ 1 ）單調(diào)諧濾波器一階單調(diào)諧濾波器見(jiàn)圖 2（a）， 優(yōu)點(diǎn)是濾波效果好 ， 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單；缺點(diǎn)是電能損耗比較大 ， 但隨著品質(zhì)因數(shù)地提高而減少 ， 同時(shí)又隨諧波次數(shù)地減少而增加 ， 而電爐正好是低次諧波 ， 主 要是 27次，因此，基波損耗較大 .二階單調(diào)諧濾波器見(jiàn)圖 2（b）， 當(dāng)品質(zhì)因數(shù)在 50以下時(shí)，基

17、波 損耗可減少 20%50%屬， 節(jié)能型 ， 濾波效果與二階單調(diào)諧濾波器等效 . 三階單調(diào)諧濾波器見(jiàn)圖2(c), 是損耗最小地濾波器 , 但組成復(fù)雜 ,投資也高 , 用于電弧爐系統(tǒng)中 ,2 次濾波器選用三階 濾波器為好 , 其它次選用二階單調(diào)諧濾波器 .(2) 高通(寬頻帶)濾波器一般用于某次及以上次地諧波抑制 ,見(jiàn)圖 2(b). 當(dāng)在電弧爐系統(tǒng)中采用 ,對(duì) 5 次以上起濾 波作用時(shí) ,通過(guò)參數(shù)調(diào)整 ,可形成該濾波器回路對(duì) 5 次及以上次諧波形成低阻抗通路 .用于大型電爐地濾波器組合最基本地有兩類(lèi)： 用 35 組單調(diào)諧濾波器組成； 由 24 組單調(diào)諧濾波器和一組二階寬頻帶濾波器組成 . 第 類(lèi)

18、組合對(duì)高次諧波濾波效果要差 一些,但電能損耗低些；第 類(lèi)組合對(duì)高次數(shù)濾波效果好 , 分工也明確 ,設(shè)計(jì)也簡(jiǎn)單容易些 . 兩者組合各有優(yōu)缺點(diǎn) , 總地發(fā)展趨勢(shì)是在濾波效果好地前提下減少組數(shù)以節(jié)省占地和投資 , 又 要盡可能優(yōu)化組合以節(jié)省電能損耗 .除了在擾動(dòng)嚴(yán)重地場(chǎng)合必須采取以上外部抑制措施外 , 還可在閃變水平并不很高地許 多情況下 , 通過(guò)改善電弧爐地運(yùn)行條件即可對(duì)電壓閃變進(jìn)行有效控制 , 如優(yōu)化電弧爐地電氣參 數(shù)；在關(guān)鍵時(shí)刻修訂電力使用計(jì)劃；在一定時(shí)期改變電弧長(zhǎng)度；改善廢鋼裝載作法；采取預(yù) 熱、吹氧、添加助燃物質(zhì)等措施 4.6 結(jié)語(yǔ)綜上所知，TCR型SVC是在電弧爐上得到廣泛應(yīng)用地主流型式，是發(fā)展地主流.我國(guó)SVC在電弧爐地應(yīng)用情況也是如此 , 如