大型炼钢电弧炉对电网及自身的影响和抑制方案

1、大型炼钢电弧炉对电网及自身地影响和抑制方案 .txt26 选择自信 , 就是选择豁达坦然 , 就是 选择在名利面前岿然不动 ,就是选择在势力面前昂首挺胸,撑开自信地帆破流向前 , 展示搏击地风采 . 大型炼钢电弧炉对电网及自身地影响和抑制方案 翁利民 , 陈允平 , 舒立平（武汉大学电气项目学院 , 湖北省 武汉市 430072）摘 要：详细分析了现代大型炼钢电弧炉对电网不利影响地 4 个方面：即电压波动、电 压畸变、负序电压与电流、功率因数低 , 并结合实际从量地概念上认识其对自身在增加损耗、 继电保护误动、 增加网损、 降低生产效益等方面地影响； 介绍了抑制电弧炉地常规有效措施 , 得出了

2、合理地结论 .关键词：电压闪变；电压波动； svc滤波器1 引言现代大型超高功率炼钢电弧炉 , 因为其容量大 ,是用电大户 ,对电网地影响具有举足轻重 地作用 . 它具有功率因数低 , 无功波动负荷大且急剧变动 , 产生有害地高次谐波电流 , 三相负荷 严重不平衡产生负序电流等对电网不利地因素 , 使得电网电能质量恶化 ,危及发配电和大量用 户, 也影响电炉自身地产量、质量 ,使电耗、电极消耗增大 ,从而成为电网地主要公害之一 . 现 在有关大型电炉对电网公害抑制地研究也正在深入开展 , 有必要对其不利影响和抑制对策作 一概述性地分析 .2 现代大型电炉对电网地影响2.1 引起电网电压急剧波动

3、大型电炉在打孔期和熔化期电弧长度急剧变化 ,引起无功负荷急剧波动 , 其工作短路功率 为电炉变压器额定功率地两倍左右 , 其最大波动无功为电炉变压器额定功率地 1.5 倍左右（具 体倍数取决于短网阻抗、 电炉变压器阻抗、 供电系统阻抗之和地大小 , 总阻抗大则工作短路倍 数小,反之则大）无功地急剧波动，引起电网电压地急剧波动，其波动频率一般为 115Hz,使 灯光和电视机屏幕产生闪烁 , 使人视觉疲劳而感到烦躁 , 此外还影响到晶闸管设备和精密仪表 等地稳定运行,甚至产生质量事故国标GB12326-2000电能质量 电压允许波动和闪变规 定了电力系统公共供电点各级电压等级地电压波动和闪变允许值

4、 .2.2 使电网电压波形产生畸变电炉在熔化和打孔期 ,电弧电流是不规则地 ,且急剧变化 ,其电流波形不是正弦波 ,可分解 为2次和 2次以上地各次谐波电流 ,主要为 27次,其中 2次和 3次最大,其平均值可达基波分 量地 5%10%最, 大可达 15%30%47 次平均值为 2%6%最, 大值可达 6%15%而. 电网中地铁磁 元件也产生高次谐波 ,以3次和 5次谐波电流较大 ,其中3次分量最大 ,而电炉刚好也是 3次谐 波电流很大 , 这对电网是极为不利地 . 谐波电流流入电网 , 使其电压波形发生畸变 , 引起电气设 备发热、振动 , 增加损耗 , 干扰通信 , 使电力电缆局部放电绝缘

5、损坏 , 电容器过载损坏等 , 国家标 准GB/T14549-1993电能质量 公用电网谐波规定了电压波形畸变率限值.2.3 使电网电压产生负序分量电炉在熔化期 , 特别是打孔期 , 各相电弧电压是独立变化地 , 三相电弧各自发生急剧无规 则变化 , 故其三相电流是不对称地 . 在正常生产情况下 , 产生地负序电流约为电炉变压器额定 电流地 25%左右；在不正常情况下 , 如一相断弧时 , 可达 56%左右 , 如两相短路地同时 , 第三相又 断弧 , 此时可达 86%左右 . 负序电流流入电网 , 使电网电压产生负序分量 , 影响发电机和用电设 备使用效果 , 严重时可能造成损坏 , 还会使

6、继电保护误动作 , 其严重程度一般用不平衡度 （即负 序电压与正序电压分量之比地百分数）表示，国标GB/T15543-1995电能质量 三相电压允许不平衡度对于对称三相电网规定：负序电压不大于 2%,短时不超过 4%.一般来讲 , 在电网公 共连接点上地短路容量为电炉变压器额定容量地 3040 倍以上时 , 电网是允许地 , 否则应采取 使三相达到平衡对称地补偿措施 .2.4 引起电网电压水平降低 电炉在熔化期功率因数低于 0.7, 在发生工作短路时甚至低到 0.1, 在精炼期大型电炉功 率因数也不高 ,一般为 0.8 左右.因为功率因数低 ,感性无功功率大 , 从而引起电压水平降低, 必须采

7、用无功补偿措施在高峰负荷影响用电设备出力 , 增加电能损耗 , 按供用电规则地规定 时把功率因数提高到 0.9 以上, 但又不得超前 .上述电炉对电网影响地四个方面 , 有时是单独作用地 , 有时是综合地3 大型电弧炉对自身及电气设备地影响1. 该电炉是由一座 220/110kV 变电3.1 对接在电炉供电电源电压等级上地小型发电机地影响 以具有代表性和典型意义地某钢厂超高功率电炉为例站地110kV电压供电,在110kV系统中接有某一小电厂,在电厂中装有3台1500kW水轮发电机. 在电炉进行正常生产时 , 电厂发电机出现频繁振动 , 每次振动连续时间短地几十秒 , 长地达几 分钟 , 一天振

8、动最多达 20 多次 . 作发电运行时（惯性大）振动小 , 作调相运行时（惯性小）振 动大. 在振动时发电机定子三相电流幅值不平衡且波动很大 , 同一相电流相对波动达20%,三相电流之间相位偏差也在波动（约3° 4°） , 三相电流电压幅值包络线地波动频率为0.330.4Hz, 电压和电流包络线正好反相位 . 机架上有一机械振动信号与电压波动频率相同 （即共振） . 上述情况说明发电机地低频振动是由电炉地无功波动、 三相负荷不平衡、 波形畸 变综合作用形成地，而起主导作用地是无功波动这是因为110kV系统该小电厂与电炉地电气 距离最近 , 因此电炉对其有显著影响 , 不仅引

9、起发电机振动 , 而且三相负荷不平衡还引起转子 轴系产生曲扭 , 对轴产生不利影响 , 谐波电流使转子绕组铁心产生附加损耗 , 引起局部过热 .3.2 对负序继电保护地影响该电炉投产后,SVC装置尚未投入运行，变电站110kV系统距离保护装置地负序继电保护 部分产生误动作 , 不得已只能退出运行 .3.3 功率因数低 , 降低输送功率 , 增加网损电炉熔化期功率因数只有 0.7, 冶炼周期平均功率因数只有 0.79. 在熔化期如果功率因数 提高到规定值0.9,则网络可多输送11.6MW有功功率.而功率因数为0.7,就相当于使网络降低 了 11.6MW地有功输送能力,按平均网损8%十算,多送无功

10、造成地网损为 928kW,年电能损耗达 372MWh电费为81.6万元.3.4 影响冶炼质量和效益电炉变压器地直接用电电压为 35kV,在电炉熔化期、打孔期，当SVC未投入时，母线上地 电压波动为 8%14%取, 10%十算, 电炉出力降低 19%,即使取 8%十算 , 电炉出力也降低 15.4%, 熔 化时间就要延长 , 至少要降低 8%地产量 .电压波动再加上 35kV 母线上电压畸变率 （3.3%5.9%） 地影响 ,炉况不稳定电极升降调节 频繁, 使电极消耗增加 , 电力单耗增加 ,影响电炉自身地电能质量 , 从而对冶炼质量不利 , 经济 效益会降低.另外，电炉投入运行后，因为功率因数

11、低，在SVC装置未投入前，每月罚款6万元, 一年就达 72 万元 .4 抑制途径抑制大型电弧炉对电网及其自身地影响地途径有： 提高供电电源地电压等级 , 以提高 与电网公共连接点地短路容量 ，使其对电网和自身地影响在允许范围内； 采用SVC装置,使其对电网和自身地影响在允许范围内 . 这两种途径相比 , 途径 是治标地办法 , 因为电炉 对电网和自身地影响地各种量值并未消除 , 而是送到更高电压等级地电网去扩散 ,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 , 将会达到电网不能接受地程度 , 反而增加 了对广大用户地影响 , 因此, 使用范围越来越小； 而途径 是治本地办法

12、 , 它使电炉对电网和 自身地影响地各种量值大部分就地消除了 , 其应用前景广阔 .近年来发展起来地 SVC装置是一种快速调节无功功率地装置，已成功地用于电力、冶金、 采矿和电气化铁道等冲击性负荷地补偿上 ,它可使所需无功功率作随机调整 , 从而保持电弧炉 等冲击性负荷连接点地系统电压水平地恒定 2. 即Qi=QD+QL-QC （1）式中Qi为系统公共连接点地无功功率；QD为负荷所需地无功功率；QL为可调（可控）电抗器吸收地无功功率；QC为电容器补偿装置发出地无功功率，单位均为kvar.当负荷产生冲击无功 DQD寸，将引起其中DQC =0欲保持Qi不变,即DQi =0,则DQD = -DQL,

13、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 ， 此寸电压水平能保持恒定不变 .SVC 由可控支路和固定（或可变）电容器支路并联而成 , 主要有四种型式 , 其基本结构如 图 1 所示 .近几年来，用于电炉地SVC静补系统逐步得到改善，实践证明行之有效地有以下 4种型式.（1）晶闸管控制空芯电抗器型即TCR型 ,见图1（a）,该类型SVC具有反应时间快（520mS ,运行可靠、无级补偿、 分相调节、 能平衡有功、 使用范围广、 价格便宜等优点 . 因此工业发达国家地主要电气设备制 造公司都生产和积极推广这种装置 , 应用最广 , 使用例子是大量地 , 是发展地主流 , 正如专家撰

14、文所总结地 “尤其在控制电弧炉负荷产生地闪烁时几乎都采用这种型式” . 但是这种装置因为 采用了先进地电子和光导纤维技术 , 对维护人员要专门培训以提高维护水平 . 并且设计时要预 留一定地过载能力 .（ 2 ）晶闸管阀控制高阻抗变压器型即TCT型，见图1（b）,该类型SVC优点与TCR型差不多，但高阻抗变压器制造复杂，谐 波分量也略大一些（因阻抗最大只能做到85%,起始控制角较 TCR型大，不能达到谐波量较小地起始控制角），并约有50dB左右地噪声,因为有油，要求一级防火，只宜布置在一层房子内或 户外,容量在30Mvar以上时价格较贵，而不能得到广泛应用，故最早研究推广应用 TCT型地国 外

15、电气商现在也不推荐 TCT型了 .（ 3）晶闸管开关控制电容器型即TSC型，见图1（c）,这种类型SVC地特点是反应时间快（1020ms）,能分相调节、 直接补偿、 装置本身不产生谐波、 损耗小 ， 但是它是有级调节 ， 综合价格较高 ， 因而也未得到广 泛应用.在380V低压配电系统中应用较多.（ 4 ）自饱和电抗器型即SSR型,见图1（d）,SSR型SVC装置因为原材料消耗大，噪声大，补偿不对称电炉负荷 自身产生较多谐波电流 ， 不具备平衡有功负荷地能力 ， 加上制造复杂等因素 ， 在近阶段地应用 日趋减少 .5 滤波装置该装置由电容器、 电抗器 ， 有时还包括电阻器等无源元件组成 ， 以

16、对某次及以上次谐波 形成低阻抗通路,达到抑制高次谐波地作用因为SVC地调节范围要由感性区扩大到容性区，所以滤波器与动态控制地电抗器一起并联 ，这样既满足无功补偿、改善功率因数 ，又能消除高 次谐波地影响 3.国际上用于大型炼钢电弧炉地滤波器种类有：各阶次单调谐滤波器、双调谐滤波器、二 阶宽频带与三阶宽频带高通滤波器等 .（ 1 ）单调谐滤波器一阶单调谐滤波器见图 2（a）， 优点是滤波效果好 ， 结构简单；缺点是电能损耗比较大 ， 但随着品质因数地提高而减少 ， 同时又随谐波次数地减少而增加 ， 而电炉正好是低次谐波 ， 主 要是 27次，因此，基波损耗较大 .二阶单调谐滤波器见图 2（b），

17、 当品质因数在 50以下时，基波 损耗可减少 20%50%属， 节能型 ， 滤波效果与二阶单调谐滤波器等效 . 三阶单调谐滤波器见图2(c), 是损耗最小地滤波器 , 但组成复杂 ,投资也高 , 用于电弧炉系统中 ,2 次滤波器选用三阶 滤波器为好 , 其它次选用二阶单调谐滤波器 .(2) 高通(宽频带)滤波器一般用于某次及以上次地谐波抑制 ,见图 2(b). 当在电弧炉系统中采用 ,对 5 次以上起滤 波作用时 ,通过参数调整 ,可形成该滤波器回路对 5 次及以上次谐波形成低阻抗通路 .用于大型电炉地滤波器组合最基本地有两类： 用 35 组单调谐滤波器组成； 由 24 组单调谐滤波器和一组二

18、阶宽频带滤波器组成 . 第 类组合对高次谐波滤波效果要差 一些,但电能损耗低些；第 类组合对高次数滤波效果好 , 分工也明确 ,设计也简单容易些 . 两者组合各有优缺点 , 总地发展趋势是在滤波效果好地前提下减少组数以节省占地和投资 , 又 要尽可能优化组合以节省电能损耗 .除了在扰动严重地场合必须采取以上外部抑制措施外 , 还可在闪变水平并不很高地许 多情况下 , 通过改善电弧炉地运行条件即可对电压闪变进行有效控制 , 如优化电弧炉地电气参 数；在关键时刻修订电力使用计划；在一定时期改变电弧长度；改善废钢装载作法；采取预 热、吹氧、添加助燃物质等措施 4.6 结语综上所知，TCR型SVC是在电弧炉上得到广泛应用地主流型式，是发展地主流.我国SVC在电弧炉地应用情况也是如此 ,