6t電渣爐電源對供電系統的影響

孫紹南 羿彪

Effect of 6t Electroslag Furnace Power Supply on Power Supply System

摘要： 根據電渣爐冶煉工藝要求和特點，電渣爐電源對電網造成了嚴重的影響。為了改善電渣爐電源問題造成供電網的影響，對其系統產生的三相不平衡進行了研究，從電渣爐的供電方式及熔煉變壓器著手，引出并剖析了其電源產生三相不平衡和變壓器負荷對系統的影響，并針對電渣爐電源三相不平衡問題，論述指出了低頻電源供電、SVG動態補償和設立總降壓變電站來克服三相不平衡供電方案。

Abstract： According to the requirements and characteristics of the electroslag furnace smelting process， the electroslag furnace power supply has a serious impact on the power grid. In order to reduce the influence of the power supply network caused by the power supply problem of the electroslag furnace， the three-phase imbalance generated by the system was studied. From the power supply method of the electroslag furnace and the smelting transformer， the effect of three-phase unbalance and transformer load of the power supply on the system was derived and analyzed. For the three-phase unbalanced problem of the electric slag furnace power supply， the low-frequency power supply， SVG dynamic compensation and the establishment of a total step-down substation can be used to overcome the three-phase unbalance.

關鍵詞： 電渣爐電源；三相不平衡；SVG補償；低頻供電

Key words： electroslag furnace power supply；three-phase unbalance；SVG compensation；low-frequency power supply

中圖分類號：TM924.4+3 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2018）15-0105-03

1 擬建電渣爐電源特性

1.1 電渣爐供電形式

電渣爐最常用的供電形式是兩相供電，從0.5～150t電渣爐均有采用此種供電形式。主要優點包括：短網結構簡單、電渣爐變壓器成本低、設備總投資少、熔煉過程操作簡單易于掌握。它的缺點包括：由于采用單相電源，對電網三相平衡程度影響大，短網阻抗變化大，容易產生嚴重的電磁干擾。

1.2 電渣爐熔煉變壓器

電渣爐用熔煉變壓器稱為可控變壓器，其實一種無觸點、無機械傳動的磁性調壓器。電壓調節是直流電流來控制的，磁性調壓器由飽和電抗器和變壓器構成的成套裝置，其結構與普通變壓器相似。為對負載電壓進行調節，因磁性調壓中涵蓋飽和電抗器的功能，而電抗繞組擁有限流功能，所以取得優良的下墜外的效果，所以其可作為恒流負載電源。增加直流控制電流時，因增加了鐵芯飽和度，導磁率變小，電抗值減小，此時負載電壓最大，電抗器繞組上的壓降最小。當直流控制電流處于零時，因鐵芯沒有飽和，電抗值處于最大狀態，導磁率很大，在電抗器工作繞組上，電源電壓大幅度分降，所以負載上壓降最小；計算機通過D/A通道輸出4～20mA控制信號到磁調壓柜，控制直流電流，從而控制變壓器二次電壓。

1.3 電渣爐電源特性

1.3.1 功率因數

盡管電渣爐冶煉采用電阻加熱方法，但系統電抗較大，主要原因如下：

電渣爐首先是將固態電渣熔化，再利用渣阻化鋼。固態渣是不導電的，只有呈現液態渣才導電。開始將固態渣熔化我們稱之為引弧，利用電極與引弧劑產生的弧光熱量將電渣熔化，之后就利用液壓渣導電的特性將渣全部熔化。引弧期由于利用弧光，所以其感性特色明顯，功率因數最低，達0.6。所以，正常熔煉時，功率因數在0.6～0.8之間，對功率因數要求較高的現場一般采用就地補功率因數的方法，一般企業采用變電所集中補得辦法。

1.3.2 諧波

由于使用磁調壓，所以電渣爐電源產生一些諧波，主要2、3、4、5等次數的高次諧波電流，但對電源影響不大。一般配備功率因數補償時，為保護電容，加一些消諧電抗。

2 關于三相不平衡

2.1 導致三相不平衡的因素

電力系統會出現許多三相不平衡狀態，有正常性和事故性兩大方面。三相元件數據和不對稱負荷屬于正常性不平衡，例如電渣爐、生產冶煉的電弧爐、鐵道自動化的牽引負荷等。電網系統故障導致不平衡屬于事故性的，其不準出現在運行電力系統中，它由保護裝置刪除故障元件，并解決之后再恢復正常運行。假如三相不平衡度超出規定要求，運行系統必將受到影響。所以，為正常性不平衡運行狀態，作出了“三相電壓不平衡范圍值”的電能質量指標。

2.2 影響系統不平衡的負荷

2.2.1 電網線路電能損耗

三相四線制供電系統中電流經過線路，由于阻抗存在，就會產生電能損耗，其損耗和流經電流的平方是正比關系。三相四線制在低壓電網運行時，因存在單相負載，就必然出現三相負載不平衡，系統處于三相負載不平衡狀態時，電流通過中性線，造成相線、中性線產生損耗，必將導致系統線路的損耗。

2.2.2 配電變壓器的電能損耗

由于低壓供電系統存在配電變壓器，它在三相負載不平衡狀態下運行時，將會增加配變損耗，其配變功率損耗也是跟負載不平衡度變化的，而且配電變壓器是根據每相繞組計算額定容量的，配電變壓器處于三相負荷不平衡工況時，其負荷高的那相會經常出現故障，比如連接點過熱、缺相、密封膠墊劣化等。

2.2.3 零序電流的產生

配電變壓器處于三相負載不平衡狀態時，就會出現零序電流，它會隨著三相負載不平衡程度變化，三相不平衡度越大，零序電流就越大。當配變運行中出現零序電流時，配變鐵芯中將產生零序磁通，導致零序磁通會通過油箱壁及鋼構件，當零序電流流經鋼構件時，又因鋼構件導磁率較低，就會出現磁滯和渦流損耗，使配變的鋼構件局部溫度上升而發熱。進而加快了配變的繞組絕緣老化，使用設備年限降低，因而產生的零序電流就增加了配變的損耗。

2.2.4 用電設備無法安全運行

根據三相負載平衡運行狀態下設計的配電變壓器，具有大致相同繞組電阻、漏抗和激磁阻抗參數。當配變運行在三相負載不平衡狀態時，它內部三相壓降不同，每相輸出電流也不同，這就是配變輸出電壓三相不平衡的原因。而且配變運行在三相負載不平衡狀態時，其三相輸出電流就不相同，導致中性線有電流通過，中性線產生阻抗壓降，這將使中性點漂移，從而導致每相相電壓發生變化，負荷大的一相電壓下降，而負荷小的一相電壓上升。在此種電壓不平衡工況下運行，將容易燒壞某相電壓高的接帶用戶用電設備，也可能造成某相電壓低的接帶用戶用電設備無法使用。因此系統三相負載不平衡工況時，將很大程度上無法安全運行用電設備。

3 電渣爐克服三相不平衡供電的方案

3.1 采用低頻電源供電

電渣爐供電方式如圖1所示。三相電源經過整流變壓器將高壓電源降到100～120V，在經交交變頻器將電源變到熔煉電壓及頻率，即30～120V；1～10Hz。

優點：三相平衡；短網電抗小；功率因數高。

缺點：投資大；系統維護復雜。

3.2 采用SVG動態補償

SVG（又稱ASVG或STATCOM）是Static Var Generator的縮寫，叫做靜止無功發生器（注意不是靜態），也是做無功補償的。靜止無功器（SVG）是一款兼具三相不平衡及無功補償的產品，它們可以在補償無功提高功率因數的基礎上，解決三相不平衡電流。其原理是通過CT實時檢測電流信息，然后將采集信息發給DSP數字控制處理器分析，之后驅動功率電路、和利用內部儲能電容將系統三相不平衡電流轉移、均勻分配，使三相電流達到平衡狀態，具體原理如下（以SVG為例）：

如圖2所示，假設A、B、C三相負載電流分別為：5A、10A、15A，這時候我們就認為此系統的三相電流出現了不平衡，三相電流完全平衡的狀態應該是A、B、C三相電流全部為10A。

SVG在運行時，會通過連接電流互感器（CT）反映到綜合保護器上導出系統實時電流，再通過內部控制器將導出的電流參數信息進行處理，控制器采樣分析后， SVG就能計算出需要轉換三相電流達到平衡狀態的電流值，同時使系統恢復電流平衡狀態。以圖2說明，要想達到系統平衡狀態，需要A相電流增加5A，B相電流10A正好與電網電流相同，則無需調整，而C相電流需要減少5A。經分析之后，控制器就會發出信號給IGBT驅動電路，促使IGBT驅動動作，從而實現C相電流流入SVG 5A，再從SVG內部流出5A到A相。就使A、B、C三相電流重新達到平衡，而電網的三相總電流則保持不變。并且這一系列驅動動作及分析采樣處理都是在很短的時間內實現的，在這個過程中 SVG只是起到一個重新分流的作用，只需消耗很小一部分的能量。

SVG是在一瞬間將其收發電流的有效值達到平衡的，所以可以把這個動作過程的結果歸結為分流作用，讓系統三相電流有效值重新處于平衡狀態。當系統三相電流都偏離平衡點時，補償原理與以上所述的兩相偏離平衡點的狀況類似。其根本原則就是將某相多出來的電流存儲到SVG母線電容中，然后從母線電容取出電流補償需要補償的某相。

由于SVG治理三相不平衡面向的對象是電流且實時采集，使得無論負載分布如何、消耗時間不同，只要是由于負載變化檢測出的三相電流不平衡，SVG都能使電網快速恢復平衡電流狀態，這就比傳統解決三相不平衡方法主觀快捷，而且相比“電感與電容組合調整”這類不平衡治理方式，SVG治理三相不平衡時安裝更簡便、無需前期繁瑣的計算、接入方法的堪憂，能即裝即治。與SVC相比較，SVG具有諧波含量少、控制能力強、同容量下占地面積小等優點。

3.3 設立企業總降壓變電站與電業局協商

根據分析，變壓器一次電壓提高，且提供一定余容量，即可減少電渣爐產生的不平衡對電網的影響。一般認為單相變壓器占上級容量的小于15%，則不會影響上級三相平衡。上級變壓器一般預留足夠的余量，電渣爐變壓器所引起的不平衡不會對10kV供電系統產生較大的影響。

4 結語

本文針對電渣爐電源問題對供電系統的影響，開展了對電渣爐供電方式、熔煉變壓器進行理論分析，指出了電渣爐在冶煉過程中造成系統三相不平衡及其變壓器負荷的影響，并得出結論采用低頻電源供電和SVG動態補償來克服三相不平衡，確保供電系統安全平穩運行。

參考文獻：

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