淺析電弧爐煉鋼中的諧波及抑制

譚永彥

（山東鋼鐵股份有限公司萊蕪分公司特鋼事業部，山東萊蕪 271104）

0 引言

當前的鋼鐵生產工藝，大體可以分為從廢鋼到鋼鐵的“短流程”工藝以及從礦石到鋼鐵的“長流程”。其中，“長流程”工藝主要借助高爐、燒結爐以及轉爐等設備，以焦炭以及鐵礦石等為主要原料，進行鋼鐵生產活動；“短流程”工藝則主要依賴電弧爐、中頻爐等設備，對廢鋼進行重熔精煉處理，達到鋼鐵生產的目的。在“短流程”生產工藝中，電弧爐煉鋼是應用廣泛的技術。電弧爐的大力發展始于上個世紀的80 年代末90 年代初，發展至今，電弧爐煉鋼技術以及基于該技術的鋼鐵產量得到極大的提升。

1 電弧爐煉鋼概述

電弧爐煉鋼技術誕生于歐洲。19 世紀80 年代，研究者們開始對以電為熱源的煉鋼爐的開發進行反復試驗與研究。1990年，工業生產的第一號電弧爐誕生，被命名為埃魯式爐。作為電弧爐煉鋼技術的主要原材料，廢鋼的利用符合循環經濟的發展需求，對“鋼鐵生產食物鏈”的成型亦具有極為重要的作用。此外，采用電弧爐煉鋼技術，不僅能夠降低鋼鐵生產的能源消耗，還能減少污染物的排放，對環境的健康發展起到積極作用。現代電弧爐煉鋼過程見圖1。

圖1 電弧爐煉鋼工藝示意

2 電弧爐煉鋼中的諧波

在電弧爐煉鋼過程中，電弧爐的電流含有不規則變化、快速的無功功率以及高次諧波，導致電流、電壓沖激現象，引起供電電壓與電流波形畸變。由電流、電壓沖激現象引起的設備事故并不少見，而電弧爐工作過程中經常處于起弧、滅弧狀態，不僅增加用電設備損耗以及線損，還極大的降低電能質量，甚至對電網有巨大的沖擊。諧波與功率因數降低、電磁干擾并稱為電力系統的三大公害，了解諧波產生的機理，探究有效的策略，消除電弧爐煉鋼過程中的諧波污染問題，具有重要的現實意義。以交流電弧爐為例，分析在熔化廢鋼等原料的過程中，交流電弧爐依靠三相電極短路產生的電弧實現熔化，由于電弧存在的非線性特性，以及冶煉過程中三相頻繁開、斷，容易產生電壓波動、閃變、無功沖擊、負序、諧波等問題。

2.1 諧波的產生

從原理上來講，諧波是指一個周期性電量的高次諧波分量，其周期為T=2π/ω 的非正弦量f（t），頻率為基波頻率的整數倍。在電弧爐設備運行過程中，當正弦電壓施加于其上時，設備施加的電壓波形與其吸收的電流波形不完全相似，電流即可因此而發生畸變。分析諧波的產生，主要與諧波電流源、爐渣以及金屬溶液的流動、電磁力作用引起電弧路徑發生變動、電極的顫動、弧隙電離程度的變化等因素有關。諧波主要由諧波電流源產生。

2.2 諧波的危害

電弧爐是電網中相對較大的一個諧波源。由于電弧爐設備與電網相連，電流畸變的發生，使得諧波電流注入電網，而電弧爐設備即成為電力系統的諧波源。對電力系統而言，諧波污染的危害極為嚴重，不僅能夠引起電能傳輸效率以及利用效率的降低，導致電氣設備過熱，還可造成相關設備的絕緣老化，降低其使用壽命，甚至出現設備故障或者設備燒毀等嚴重后果。電弧爐煉鋼過程中，一旦出現較為嚴重的諧波污染，將可影響電氣設備的正常工作、增加供電線路的損耗、引起電網中電容器諧振、導致自動裝置以及繼電保護裝置出現誤動作等。針對發電機旋轉電機等電氣設備，還可引起較大的附加功率損耗、機械振動、發熱、噪聲。此外，當大量的諧波流過中性線時，將可引起導線過熱問題，損害供電線路的絕緣層，引起線路短路等問題，甚至導致火災。

3 諧波的抑制

鑒于諧波污染問題的嚴重危害，在電弧爐煉鋼過程中，有效補償和抑制其所產生的諧波電流，即具有重要的現實意義。在有效檢測負載電流的諧波分量的基礎之上，應用有效的諧波抑制方法，是消除電弧爐煉鋼中的諧波污染影響的重要途徑。以下就常用的諧波抑制方法進行分析。

3.1 加裝諧波補償裝置

在解決諧波源諧波污染問題中，基本思路大致有2 條：①裝設諧波補償裝置（如加裝無源濾波器等），達到補償諧波的目的；②對相關設備本身進行改造升級，保證功率因數能夠控制為1，使其不產生諧波污染。就上述2 種思路的使用范圍來看，第一種策略適用于任何諧波源，而第二種策略則僅適用于作為主要諧波源的電力電子裝置。以下舉1 實例對補償裝置的應用進行分析：

某公司因需要擴大生產規模，計劃建立一座110 kV 的變電所，投運2 臺主變，采用一線兩變供電，容量分別為20 MVA與40 MVA，其中1#主變為20 MVA 110 kV/35 kV，負載包括1 臺電弧爐與1 臺精煉爐。

根據以上情況設計諧波治理方案，可安裝35 kV 補償裝置，為兩組四支路、一組一支路補償，分別為一組5 次回路、兩組4 次回路、兩組3 次回路安裝2500 kVar、4700 kVar、9300 kVar的補償裝置，以提高其補償效率，抑制諧波電流。無源濾波器是常用的一種抑制諧波、無功補償的手段，一般安裝在電力電子設備的交流側，由L、C、R 元件共同構成無源網絡，吸收負載產生的諧波電流。無源濾波器可分為高通濾波器以及調諧濾波器，前者用于吸收單一次數或者相鄰的兩次諧波，而后者則用于吸收某一次及以上各次的諧波。在傳統的諧波補償裝置裝設中，LC（L 為電感，C 為電容）調諧濾波器是一種常用裝置，因其具有結構簡單、諧波補償與無功功率補償效果顯著等優勢，具有較廣的應用范圍。但LC 調諧濾波器的補償特性可受到電網的阻抗以及運行狀態的影響，實際應用時甚至可與電力系統發生并聯諧振。因此，實際應用的過程中，采取何種類型的諧波補償裝置，以及如何對其進行布置，均需要結合實際情況，進行綜合考慮。

針對電弧爐煉鋼技術，在電弧爐運行過程中，除產生諧波以外，常常伴有供電電壓的閃變以及波動，有時還可造成系統電壓的三相不平衡，嚴重影響電能質量。考慮這一情況，裝設靜止無功補償裝置，補償因諧波導致的無功功率，提高功率因數，能夠較好的抑制諧波。靜止無功補償裝置于20 世紀70 年代興起，現已經發展成為很成熟的FACTS（Flexible AC Transmission Systems，柔性交流輸電系統）裝置，其被廣泛應用于現代電力系統的負荷補償和輸電線路補償（電壓和無功補償），在冶金、采礦、電氣化鐵道等沖擊性負荷的補償上也有較為顯著的效果。SVC（Switching Virtual Circuit，交換虛擬電路）系統如圖2 所示。

圖2 SVC 系統結構示意

此外，無功補償裝置還可借助電容與電感的合理設置，在某次頻率點產生諧振時，對該頻率的諧波實現濾波，有效減少波動的諧波量，達到抑制電壓閃變、電壓波動以及三相不平衡等問題。靜止補償裝置的基本結構一般包括快速變化的電容元件或者電抗元件，目前常用的靜止補償裝置主要有晶閘管控制電抗器、晶閘管投切電容器、自飽和電抗器SR（Sanlralcd Reaccor，飽和電抗）、晶閘管控制高漏抗變壓器等。在實際使用中，需要考慮對其自身所產生的諧波的抑制。

3.2 降低諧波源的諧波含量

諧波含量是從交流量中減去基波分量后所得到的量，對諧波污染問題的治理有著極為重要的參考價值。從諧波源的角度考慮，采取科學、合理、可行的防治措施，降低諧波源的諧波含量，最大限度地避免諧波的產生，也是一種相對可靠的諧波抑制方法。針對電弧爐煉鋼過程中的諧波治理，借助相應的手段，降低其在正常工作狀態下的諧波含量，將為諧波問題的解決創造有利條件。結合這一治理策略的應用效果來看，不僅能夠積極應對諧波污染問題，顯著提高電網質量，還能極大的降低因諧波消除產生的花費，為電弧爐煉鋼技術的應用提供有力保障。

在電弧爐煉鋼技術應用中，切實可行的降低諧波源諧波含量的方法大致有增加整流器的脈動數、脈寬調制法以及三相整流變壓器采用△-Y（或Y-△）接線等。脈寬調制法方面，PWM（Pulse Width Modulation，脈沖寬度調制）技術原本是一種廣泛應用于測量、通信、功率控制與變換等諸多領域中的一項重要技術，借助微處理器的數字輸出，實現模擬電路的控制。基于PWM技術原理，完成電壓調制，降低諧波源的諧波含量，進而對諧波抑制起到積極作用，將是諧波問題治理的一個可行方法：采用PWM 技術，在所需頻率周期內將直流電壓調制成等幅不等寬的系列交流輸出電壓脈沖，能夠較好的實現諧波抑制。在整流器的脈動數方面，獲得平滑波形的直流電也是減少諧波源諧波含量的一種有效策略。鑒于此，通過增加整流脈動數的方式，平滑波形，也可減少諧波源諧波含量，進而達到治理諧波污染問題的目的。此外，在三相整流變壓器接線方面，采用△-Y 或Y-△接線方式，能夠消除3 的倍數次的高次諧波，進而達到減少諧波含量的目的，因而也是一種抑制高次諧波的基本方法。

3.3 改造諧波源

電弧爐運行過程中，電流的波形變化極快，每半個工頻周期的波形都存在明顯的差異。電弧爐的這一特性，增加了諧波治理的難度。就現階段的治理方法來看，動態無功補償兼諧波治理的方案是較為常用的抑制策略，同時借助SVG（Static Var Generator，靜止無功發生器）、TCR（Thyristor Controlled Reactor，晶閘管控制電抗器）等設備的優勢，達到抑制諧波的目的，而有關電弧爐改造方面的嘗試則相對較少。根據改善自身設備，達到減少諧波電流這一抑制諧波策略，在電弧爐的設計過程中，加裝或者改善電弧爐的電極電流平衡控制系統，最大限度地降低電弧爐電流的不平衡程度，減小、抑制諧波電流效果，也是治理電弧爐煉鋼中的諧波污染問題的重要手段之一。

4 結語

電弧爐煉鋼作為一項重要的煉鋼技術，在我國廢鋼量逐漸增加、廢鋼成本降低的背景下，必將迎來其重要的發展時期。綜合治理電弧爐煉鋼過程中存在的諧波污染問題，為該項技術的應用提供保障，將是現階段電弧爐煉鋼技術發展的一項重要任務。但電弧爐煉鋼中的諧波治理并非一朝一夕之功，需要在現有抑制方法的基礎之上，結合實踐效果進行不斷改進，保障供電質量，降低設備損耗，進而為電弧爐煉鋼技術的發展創造有利條件。