基于磁閥式電抗器的電弧爐節能及電能質量改善裝置應用研究

陳妍妍

（廣西梧州市自動化技術研究開發院，廣西 梧州 543002）

1 背景

鋼鐵企業大量使用煉鋼電弧爐，近年來，全球的廢鋼越來越多，煉鋼電弧爐的應用也會越來越廣泛。電弧爐是典型的耗（電）能裝置，目前，電弧爐的噸鋼耗電量為450～550 kW·h/t，節能潛力巨大。電弧爐的平均自然功率因數為0.8左右，大量的無功功率在線路中流動，不僅造成線路有功損耗，而且降低供電電壓，使得電弧爐得不到充分的電能，延長冶煉時間，降低生產效率。

煉鋼電弧爐在爐料的熔化初期（起弧、穿孔到塌料階段），由于電極頻繁與廢鋼接觸，爐子會頻繁發生工作短路，電弧長度不斷地波動，電弧電流的大小也隨之反復不規則地波動，從而引起電網劇烈的電壓波動與閃變，危及其他電氣設備的正常運行，而且對電網供電質量帶來嚴重危害。電弧爐在運行過程中產生大量的諧波電流，造成電網的附加損耗。國家有關標準對電網電壓閃變，設備的諧波電流有嚴格的限制。目前，改善煉鋼電弧爐引起的諧波電流、電壓波動與閃變的主要措施有：①采用基于相控電抗器（TCR）的并聯動態無功補償裝置，以動態補償電弧爐產生的無功電流，減小閃變，濾除諧波電流。但基于相控電抗器的并聯動態無功補償裝置由于技術原因，不能真正做到實時、準確地快速跟蹤補償，因此，抑制電網電壓閃變的效果十分有限，改善率僅為25%左右，即有75%的電壓閃變得不到抑制，國家標準仍難滿足。另外，相控電抗器動態無功補償裝置可靠性差，維護困難，占地面積大。②采用SVG的動態無功補償裝置。雖然SVG響應速度快，但由于技術原因，仍然不能準確跟蹤電弧爐快速突變的無功電流，因此，抑制電壓閃變的效果亦受到限制。此外，SVG裝置可靠性差，價格昂貴。③為了減少短路電流，改善電壓波動，有利于冶煉，在電弧爐變壓器前串聯電抗器，以減少短路容量，但由于響應速度跟不上電弧爐隨機的短路電流變化，限制閃變的效果有限。電弧爐變壓器前串聯電抗器將導致爐子效率、功率因數、有功功率以及爐子作業率的下降，對于冶煉而言弊端較大。綜上所述，目前，尚無解決電弧爐電壓閃變問題的理想裝置。

2 主要解決技術

本項目將研制一種創新的煉鋼電弧爐節能、電壓閃變抑制、諧波消除和提高功率因數的綜合解決方案及裝置。該裝置由串聯型磁閥式可控電抗器、并聯型磁閥可控電抗器和LC濾波及無功補償三部分組成，如圖1所示。

具體研究內容包括：①具有恒流特性的電弧爐節能特性；②串聯磁閥電抗器對抑制電弧爐電壓閃變的作用及機理；③串聯磁閥電抗器的電磁參數選擇、設計和制造工藝；④串、并聯磁閥電抗器綜合控制策略。本項目的關鍵技術在于串聯磁閥電抗器參數的優化設計，制造工藝，從而使得裝置可靠性高、穩流效果好、損耗低、節能效果好。

串聯磁閥電抗器的工作原理為：串聯1個磁閥電抗器直流控制的可調串聯電抗器，其基本結構原理如圖2所示，它由2個鐵心組成，每個鐵心上有1個交流線圈繞組和1個直流偏置繞組，其中，一個鐵心上的交流繞組和直流繞組繞向相同，另一個鐵心上的則相反，兩個交流繞組串接后串接在高壓供電線路中，為增加閃變抑制效果，在直流回路中串聯一個空心限流電抗器。

正常運行時，直流繞組產生一個很強的直流磁場，使鐵芯深度飽和，如圖3所示，鐵芯工作在磁靜態工作點H0處。磁閥電抗器流過的額定交流電流，通過交流繞組所產生的交流磁場不足以使鐵芯退出飽和，鐵芯內磁感應強度變化量很小，幾乎可以認為不變，相應地，穿過交流繞組的磁通量也不變，因此，交流繞組兩端的感應電動勢幾乎為0.在直流回路中，兩線圈繞向相反，感應出來的電壓相互抵消，直流回路中流過恒定的直流，閃變抑制器X0相當于短路，電壓降很小。電弧爐在冶煉過程中，如果電極發生短路，則較大的短路電流流過交流繞組，使得兩個鐵芯正負半周交替退出飽和區，如圖4所示，磁閥電抗器呈現出很大的阻抗，從而限制短路電流，使得回路電流具有恒流特性。

由于串聯磁閥電抗器具有自然的限流特性，響應速度無延遲（與氧化鋅避雷器限制過電壓的響應速度相同，無任何延遲），且無需控制，因此，限制電壓閃變的效果十分優良，可將閃變率限制到原來的25%以下，徹底解決電壓閃變問題。除此之外，由于串聯磁閥電抗器具有恒流特性，可以使電弧爐中電極電弧穩定，可望縮短冶煉時間，節約電能20%左右。

3 主要風險分析及對策

磁閥式可控電抗器已在很多項目中實施，可有效抑制諧波污染、提高功率因數、減少網路上的有功損耗，同時，也取得了很好的經濟效益。在此基礎上，將磁閥式可控電抗器與電弧爐串、并聯，就更能穩定電弧爐電流，提高功率因數，降低諧波電流，可以從根本上消除電弧爐對供電質量的影響，最大程度地降低電弧爐的電能消耗。加上對電弧爐整個生產各階段的建模和仿真分析，研究完成磁控電抗器與電弧爐供電系統線路串聯時的穩態、動態特性及節能機理；研究完成磁控并聯電抗器與LC濾波器、具有串聯磁控電抗器的電弧爐聯合穩態和動態特性，會使風險減到最低。

4 實際應用情況

2012-01，根據某鋼廠3號電弧爐參數進行樣機設計、制造，并安裝于現場運行調試。該裝置安裝使用后，經過實際使用和檢測證明，其運行達到了設計的預期效果，并解決了采用大容量磁閥式可控電抗器抑制工業沖擊負荷所帶來的電壓波動問題，同時，提高了變電站的功率因數，降低了損耗，供電電網電能質量滿足有關國家標準。

5 達到的技術性能指標

提出在電弧爐中使用串聯磁閥電抗器以穩定電弧、穩定供電電流，從而達到節能和抑制電壓閃變的目的。同時，配合采用基于并聯磁閥可控電抗器的濾波和動態無功補償裝置，使得整個系統電壓閃變指標、諧波含量滿足國家標準，功率因數達到0.95以上，進一步實現節能目標；電弧爐節能達到20%，生產效率提高20%；電弧爐電網電壓閃變、諧波含量達到國家標準，功率因數達到0.95以上。

6 項目的作用意義

鋼鐵企業大量使用煉鋼電弧爐，隨著時間的增加，全球的廢鋼將越來越多，煉鋼電弧爐的應用也會越來越廣泛。電弧爐是典型的耗（電）能裝置，其平均自然功率因數為0.8左右，運行中產生電壓波動與閃變，諧波電流，對煉鋼過程和電網產生不利影響。我們在某鋼廠實際應用情況說明，應用基于磁閥式電抗器的電弧爐節能及電能質量改善裝置，是解決電弧爐電壓波動與閃變和抑制諧波電流的理想裝置，可提高電弧爐工作效率、可靠性、節能，減少對電網影響。

［1］余夢澤，陳柏超，田翠華，等.采用磁控電抗器的靜止型高壓動態無功補償裝置［J］.高電壓技術，2009，35（07）：1770-1775.

［2］陳緒軒，田翠華，陳柏超，等.多級飽和磁閥式可控電抗器諧波分析數學模型［J］.電工技術學報，2011，26（03）：57-64.