摘要：介紹了冶金企業(yè)中煉鋼電弧爐用靜止無功動態(tài)補償裝置的方案選擇、工作原理、電路結構及補償容量的計算方法，并給出了計算實例。關鍵詞：電弧爐；晶閘管；無功功率；諧波濾波器；電壓波動

1引言

在電力系統(tǒng)中，供電的質(zhì)量指標、電網(wǎng)運行的安全可靠性和經(jīng)濟性是最根本的問題?？焖俸侠淼卣{(diào)節(jié)電網(wǎng)無功功率，對交流電網(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。特別是當鄰近交流系統(tǒng)發(fā)生故障時，如不迅速補償大幅度波動的無功功率，就會導致系統(tǒng)失控。近年來，隨著冶金、電氣化鐵道的飛速發(fā)展，諸如具有沖擊性負荷的電弧煉鋼爐、軋鋼機等不斷投入電網(wǎng)，導致電網(wǎng)功率因數(shù)下降、波形畸變、電壓波動、諧波干擾等公害。因此各工業(yè)發(fā)達國家都加強了對靜止無功動態(tài)補償裝置的研究，以取代響應速度慢、調(diào)節(jié)性能差、損耗大、維護不便的同步調(diào)相機。 目前，在電力系統(tǒng)中，靜止無功補償（StaticVarCompensation，簡稱SVC），主要用于穩(wěn)定電網(wǎng)電壓，通常是按對稱三相形式來進行調(diào)節(jié)的。而在工業(yè)應用中，SVC裝置主要用于緩沖沖擊性負荷及恢復電力網(wǎng)絡的平衡[1]。

2冶金企業(yè)中靜止無功動態(tài)補償裝置

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荷。無功電流波動幅度大和不穩(wěn)定造成了系統(tǒng)中電壓的波動，若生活用電也接在同一電網(wǎng)上，系統(tǒng)電壓波動將會造成燈光閃爍并對電視機和其它用電設備產(chǎn)生干擾。

造成電弧電流隨機波動的主要因素有：

1）金屬熔液和爐渣的流動。

2）弧隙電離程度的變化。

3）電極的顫動。

4）在電磁力作用下電弧路徑的變動等。

弧長的不規(guī)則變化，引起電網(wǎng)電壓相應的波動。當斷弧時，取自電網(wǎng)的有效功率等于零；而當電極同爐料短路時，爐子主電路消耗的無功功率最大。在熔化期，由于每相電弧長度的變化在時間上不一致，所以造成三相負荷不對稱。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，導致電網(wǎng)電壓波形畸變、中性點位移。而電弧爐采用靜止無功補償裝置就能克服上述問題，因為它能隨時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，因為，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，可降低線路和變電所變壓器的損耗。系統(tǒng)功率因數(shù)也會得到顯著的改善。這些效益既減少電弧爐煉鋼設備的投資，也減少了它的運行費用。

關于電力系統(tǒng)的靜補裝置已有很多文獻進行了論述，但是電弧爐用靜補裝置的文章卻很少見到。下面專門討論電弧爐用靜補裝置及其容量的選擇方法。

電壓波動(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，就可補償電網(wǎng)電壓波動。由于晶閘管維護容易、可靠性高，并可以連續(xù)平滑調(diào)節(jié)，所以無功補償裝置的最佳方案是利用晶閘管控制電抗器電流，它與補償電容器并聯(lián)。圖1示出靜補裝置系統(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變化的無功功率信號檢出，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。

另外由于補償電容器的無功功率QC=QF＋QL，所以整個靜補裝置取自電網(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，并且補償后，趨近于零，則電壓波動也趨近于零了。補償電容器實際上被分成三、五、七次和高通濾波器。

毋庸置疑，正確地選擇靜補裝置的容量，能減輕電弧爐電氣設備（電爐變壓器、高壓斷路器、電力電容器等）的負擔；能提高爐襯和電極的使用壽命，并可使前級供電變壓器的容量減少約20％，因此可以說，靜補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)的技術經(jīng)濟指標。

為了正確地選擇靜補裝置的容量，必須具體地分析電弧爐供電線路和擬定靜補裝置的技術條件。這些條件是

1）靜補裝置保證電爐供電母線上的電能質(zhì)量達到國家電熱規(guī)范所規(guī)定的質(zhì)量指標。

2）靜補裝置保證電爐供電母線上的功率因數(shù)平均值達到供電系統(tǒng)或國家電熱規(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，每組由二臺大型電弧爐組成，各組之間通過聯(lián)絡開關K1接通。當K1斷開時，電爐變壓器連接處（B點）的短路容量SB為SB=（4）

式中：SA為A點供電系統(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--]

一臺電弧爐短路時的短路容量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AIEE委員會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)靜補裝置系統(tǒng)原理圖

 

 

圖1靜補裝置工作原理

 

 

 

 

 

()

 

 

電弧爐煉鋼供電系統(tǒng)的無功動態(tài)補償

 

 

(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為在觀測點的系統(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補償措施。如果xmn值位于曲線1′上方，電弧爐不允許接入電網(wǎng)，或者采取電壓波動補償措施后，方可接入電網(wǎng)。如果xmn值在曲線1和1′之間時，是否需要采取電壓波動補償措施，取決于供電系統(tǒng)對電壓質(zhì)量的要求程度，送電后，一旦發(fā)生不允許的現(xiàn)象時，可在用戶側(cè)采取電壓波動補償措施。在許多國家里，電壓波動允許值小于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)上的技術條件。由圖3可以看出，對于1000kVA的電弧爐變壓器而言，當系統(tǒng)短路容量SDR大于電弧爐變壓器容量的100倍時，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，則需裝設靜補裝置。

第二種方法是國際電熱委員會提出的高功率、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，電極短路容量對臨界母線上短路容量的比值不超過0.02時，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相控型無功補償裝置容量的計算

根據(jù)我國國家標準《電力設計技術電熱裝置篇》第19條規(guī)定：三相電弧煉鋼爐工作短路時引起的供電母線上電壓波動值不應超過5％。另據(jù)冶金工業(yè)部《鋼鐵企業(yè)電力設計手冊》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限制在5％以下。按照上述規(guī)定，圖2中靜補裝置容量QSVC可由下式確定：Δu=0.05=（7）

式中：QSVC為靜補裝置無功變化范圍。

當多臺電弧爐同時工作時，電弧爐供電母線B、C點的合成電壓波動亦不應超過允許值5％。當圖2中母線uA上的電壓波動允許值給出之后，當K1斷開時，電爐母線uB上的電壓波動允許值由下式確定：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允許值。

本文討論的靜補裝置原理圖示于圖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。整個靜補裝置發(fā)出的無功功率QSVC=QFC－QTCR。

確定靜補裝置SVC的設備容量，即確定TCR和FC的容量，以及SVC的連接點是非常重要的。

為了提高負載功率因數(shù)，F(xiàn)C濾波電路中的電容器發(fā)生的容性無功功率應當?shù)扔跒榱颂岣吖β室驍?shù)達到規(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為爐子臺數(shù)；

pa為熔化期一臺爐子消耗的有功功率平均值；

QTCR為靜補裝置中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于爐子基波電流之間的相角允許值。通常tg?LY≈0.2，相當于cos?≈0.98

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

4設計實例

作為實例，計算廣東某鋼廠30t超高功率電弧爐短路容量及其所需靜補裝置容量。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點短路容量為SB==

=450MVA

根據(jù)式（5），一臺電弧爐短路時的短路容量為SL==

=38.4MVA

根據(jù)式（1），當這臺電弧爐發(fā)生運行短路時，引起B(yǎng)點的電壓波動值為Δu==×100％=8.5％

該值超過允許值5％的指標，因此必須裝設靜補裝置，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為這臺電弧爐短路容量SL的41.6％，接近富士電機公司提出的50％經(jīng)驗數(shù)據(jù)，詳細計算從略。

5結語

1）為了正確選擇電壓波動補償裝置參數(shù)，必須根據(jù)被補償電弧爐的供電電路參數(shù)及其負荷特性，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值超出標準，則必須裝設SVC裝置。

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