交流電弧爐供電系統(tǒng)電能質(zhì)量分析

【摘 ?要】本文首先分析了交流電弧爐系統(tǒng)諧波產(chǎn)生的原因、危害以及沖擊負(fù)荷產(chǎn)生的原因和危害，并針對該系統(tǒng)產(chǎn)生的諧波、沖擊負(fù)荷進(jìn)行了理論計(jì)算和分析。通過仿真計(jì)算獲取最佳的諧波治理和無功補(bǔ)償?shù)幕A(chǔ)數(shù)據(jù)，并提出了諧波治理和無功補(bǔ)償?shù)淖罴呀鉀Q方案，為類似供電系統(tǒng)諧波治理和無功補(bǔ)償探索出一條成功之路。

【關(guān)鍵詞】無功補(bǔ)償;諧波;電壓波動;閃變

第一章、交流電弧爐負(fù)荷特點(diǎn)概述

1.1、交流電弧爐（EAF）工作特點(diǎn)

交流電弧爐冶煉初期（起弧、穿孔、到塌料階段）變化劇烈，此時功率因數(shù)很低，約為0.2左右，負(fù)荷波動約為1.5～3倍電爐變壓器的額定容量（決定于系統(tǒng)和電爐的有關(guān)參數(shù)）。快速的無功波動導(dǎo)致電壓波動及閃變。交流電弧爐作為非線性負(fù)荷，在運(yùn)行中將產(chǎn)生主要為2～7次的諧波電流。由于交流電弧爐是不對稱負(fù)荷，將產(chǎn)生很大的負(fù)序電流，造成三相不平衡。

1.2、交流電弧爐（EAF）主要影響和危害

1）交流電弧爐生產(chǎn)過程中造成的影響

交流電弧爐的快速無功沖擊引起母線電壓波動劇烈，大大降低了電爐弧的煉鋼效率。嚴(yán)重時影響自動化裝置的正常工作，閃變對人眼造成刺激，增加疲勞。

大量無功使系統(tǒng)功率因數(shù)降低，浪費(fèi)大量能源。

2）交流電弧爐的諧波電流產(chǎn)生的危害

諧波對旋轉(zhuǎn)電機(jī)及變壓器的主要影響是產(chǎn)生附加損耗，其次產(chǎn)生機(jī)械振動，噪聲和諧波過電壓。

諧波對繼電保護(hù)自動裝置等也將產(chǎn)生不良影響，同時對通信產(chǎn)生干擾。

第二章、典型工程案例

（1）電爐變壓器技術(shù)參數(shù)

額定功率：140MVA

一次側(cè)電壓：35kV

二次側(cè)電壓：600～1180V

二次側(cè)電壓級數(shù)：17

基準(zhǔn)二次側(cè)電壓：1000V

短路電壓：8%～10%

（2）供電變壓器技術(shù)參數(shù)

型式：三相有載調(diào)壓變壓器

容量：180MVA

額定電壓：220±8×1.25%/37±2×2.5%

阻抗電壓：Uk（1-2）=14%

接線組別：YN，yn0，d11

第三章、治理方案設(shè)計(jì)

根據(jù)現(xiàn)場參數(shù)可以看出，主要沖擊性負(fù)荷集中供電與35kV側(cè)，因此35kV側(cè)諧波含量較大，電壓波動嚴(yán)重，存在負(fù)序電流、閃變等嚴(yán)重的電能質(zhì)量問題。

3.1、治理方案

通過計(jì)算機(jī)仿真和實(shí)際計(jì)算可以看出，交流電弧爐對供電系統(tǒng)造成的電能質(zhì)量問題，尤其是熔煉過程中電流大、功率因數(shù)低，使電網(wǎng)產(chǎn)生很大的電壓波動，使企業(yè)的電費(fèi)支出增加，使輸變電設(shè)備和輸電線路上的損耗增大，因此必須進(jìn)行治理。通過采用靜止型動態(tài)無功補(bǔ)償裝置（SVC），可以很好的解決上述三個問題。

3.2.1、SVC的控制原理

（1）可調(diào)電抗器補(bǔ)償無功

假設(shè)負(fù)荷消耗感性無功（一般工業(yè)用戶都是如此）QL，負(fù)荷的最大感性無功為Qlmax，則若取QC=Qlmax，即系統(tǒng)先將負(fù)荷的最大感性無功用電容補(bǔ)償。

當(dāng)負(fù)荷變化時，電容與負(fù)載共同產(chǎn)生一個容性無功沖擊，QP=QC-QL，這時，用一個可調(diào)電抗（電感）來產(chǎn)生相對應(yīng)的感性無功QB，抵消容性無功沖擊，這樣在負(fù)荷波動過程中，就可以保證：QS=QC-QB-QL=0

（2）可調(diào)相控電抗器（TCR）產(chǎn)生連續(xù)變化感性無功的基本原理

U為交流電壓，Th1、Th2為兩個反并聯(lián)晶閘管，控制這兩個晶閘管在一定范圍內(nèi)導(dǎo)通，則可控制電抗器流過的電流i。

為Th1和Th2的觸發(fā)角，則有

i的基波有效值為：

V：相電壓有效值

ωL：電抗器的基波電抗

因此，可以通過控制電抗器L上串聯(lián)的兩只反并聯(lián)晶閘管的觸發(fā)角來控制電抗器吸收的無功功率的值。

3.2.2、治理方案設(shè)計(jì)

SVC投運(yùn)前電弧爐正常生產(chǎn)造成的電能質(zhì)量對220kV側(cè)（PCC點(diǎn)）的影響進(jìn)行仿真，電爐正常生產(chǎn)情況下（長期過載20%）造成的PCC點(diǎn)最大無功沖擊為176.79Mvar。根據(jù)計(jì)算機(jī)仿真設(shè)計(jì)在35kV母線裝設(shè)1套SVC補(bǔ)償容量為180Mvar，其中TCR額定輸出容量為190Mvar，F(xiàn)C基波補(bǔ)償容量為180Mvar;

3.2.3、設(shè)計(jì)原則及參數(shù)設(shè)計(jì)

（1）濾波器發(fā)出的無功應(yīng)滿足補(bǔ)償功率因數(shù)、抑制電壓波動及閃變的要求;

（2）選取的濾波電容器的額定電壓應(yīng)保證濾波器的安全可靠運(yùn)行;應(yīng)考慮以下因素：

a）母線電壓水平;

b）串聯(lián)電抗器后電容器兩端電壓升高;

c）諧波電流通過電容器引起的諧波電壓;

d）電網(wǎng)電壓波動引起電壓升高;

（3）濾波器的分組應(yīng)滿足濾除諧波電流的要求;

（4）濾波器設(shè)計(jì)時應(yīng)進(jìn)行充分的計(jì)算機(jī)仿真計(jì)算及數(shù)據(jù)庫選優(yōu)，經(jīng)多個方案比較，選擇最佳方案;

（5）對選定的濾波器應(yīng)進(jìn)行濾波器各種運(yùn)行方式下的計(jì)算機(jī)仿真，避免與系統(tǒng)發(fā)生諧振;

（6）對濾波器的安全運(yùn)行應(yīng)進(jìn)行仔細(xì)校驗(yàn)。

根據(jù)以上濾波器設(shè)計(jì)原則，諧波電流分析，經(jīng)上機(jī)多個方案仿真計(jì)算比較擇優(yōu)，濾波器設(shè)H2、H3、H4、H5次共4組濾波通道。總基波補(bǔ)償容量約180Mvar。

結(jié) 論

通過該供電系統(tǒng)裝設(shè)TCR型高壓靜止型動態(tài)無功補(bǔ)償裝置（SVC）后，將交流電弧爐供電系統(tǒng)的功率因數(shù)提高到了0.95以上，系統(tǒng)的電壓穩(wěn)定，諧波引起的電纜發(fā)熱等問題得到有效解決，從而增加了變壓器和輸、配電線路的有效容量，提高了設(shè)備的運(yùn)行可靠性，減少了設(shè)備維護(hù)周期和運(yùn)行成本，減少了功率因數(shù)調(diào)整電費(fèi)的支出，具有良好的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益，值得大力推廣應(yīng)用。

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作者簡介：

金博（1984—），男，漢族，遼寧鞍山，工程師，工學(xué)學(xué)士，研究方向：電力系統(tǒng)無功補(bǔ)償與諧波治理。

（作者單位：遼寧榮信興業(yè)電力技術(shù)有限公司）