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超高功率电弧炉的补偿与运行问题分析

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超高功率电弧炉的补偿与运行问题分析
翁利民                 
武汉大学电气工程学院, 湖北武汉, 407 302
摘要: 超高功率炼钢电弧炉在正常生产时会对电网产生高次谐 波、 电压波与电压闪变、 三相不*衡、 功率因数低等不利影响. 本文结合电弧炉的补偿装里在运行实际中发生的问题, 详细地 分析了丁R V 装置的主要组成, C 型SC 基本原理和定容计算,以 形成一个对电弧炉进行综合补偿的完整概念和防护方法. 关键词:电能质量, S C 滤波器, 电压闪变 V, 1引言 现代钢铁企业中广泛采用超高功率电弧炉,由于其容量     
大.是用电大户,对电网的影响很大:功率因数低、 无功与有

耗、缩短寿命,会使PC L 及继电保护装置误动作等严重后果,

24产生负序分I . t 电炉熔化期,      特别是在穿井期, 各相电弧电压是独立变化 的,各相电流各自 发生急剧的无规则变化,在一相断弧或两相 短路时, 负序电 流将达正序电流的5% 6% 0 0或更高。 这种过大
负序电流不仅会使上级变电所负序保护经常报普动作, 还会影 响电网中的发电机、电气设备的出力。

3静止型无功补偿装置 (V ) SC
静止型无功补偿装置 (V )可以抑制由于电炉无功冲击      SC 引起的电压波动和闪变、 高次谐波, 可以提高功率因数, 还可 实现技各相的无功功牟快速补偿调节实现三相无功功率*衡, 使电炉处于毯定、安全、可界的运行状态。 V 有多种型式, SC 下面以常用的TR( C 可控硅控制电抗器)型SC为例 ( V 如图 1 )
进行 说明。

功冲击负荷大且急剧频繁地变动、产生高次谐波、三相负荷严 重不对称等方面的不利影响, 使得电网电能质量恶化, 危及发 配电设施和邻*的大量用电用户, 也严重地影响电炉自身的产 量- 质量。 使电耗、 电极消耗增大, 从而成为电网迫切需要“ 综 合治理” 的对象,TR V (ttc r mestr C 型SC  ai V C pnao)是 S a o
现代电网中广泛用来抑制和减少上迷方面的 “ 电网的环境污

! 臼 ).
   爪

染” 的有效方法.通过实际补偿装置在运行中发现的问题,我 们可完善SC V 的接线和定容, 为电能质盘的改髻提供有效的渠

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2超高功率电 弧炉对电网的影响
21功率因数差 . 电炉在熔化期,功率因数一般低于 07      .  ,工作短路时甚至 降到02 左右。 这不仅直接影响企业的经济效益, 还会影响电
网的供电质童.

22造成电压波动与闪变 . 电炉在熔化期,由于电极的频繁升降,      使电弧频繁产生与 消灭, 造成线路急剧的开路与短路, 引起电网电压的剧烈波动。 此外,电炉的无功负荷大,且急剧波动,电炉最大负荷一般可 达电炉变压器额定容童的 15 - 倍左右,根据实测,7t . 倍-2 0

.1 派口S 艘里砚理技锐国 1 C S 月 3 1 C . V 的主要组成 S SC      V 装里通常由以下成套装里组成: () 含可控硅控制的电抗器成套装里:        1 () 含分为2       次、3 2 次、4 次、5 次及高通的滤波与补 偿成套装里: () C        3 S 装里的开关站, V 包括各支路开关柜, T P 柜等: () 动调节系统与计算机软件;        4.自 () 控制、信号、侧t.继电保护系统。        5 32 C . V 的基本原理 S 321 谐波诊波器 .. 谐波滤波器是SC      V 系统的主要组成部分, 它是由电容器串

交 弧炉产生的有功冲击可达3-4M, 流电 0 0W无功冲击可达5- 0 8Ma.无功负荷的急剧波动变化。 0vr 也会引起电网电压的急剧 波动与闪变,并造成冶炼时间稀薄、冶炼质量不稳定.
23产生高次谐波 . 由于电炉的电弧电流处于不规则的急剧变化状态及弧阻      的非线性.电压和电流波形呈不对称的非正弦波形. 它可以分 解成二次以上的各次谐波电流,主要是2 次谐波电流.在 .7 运行时,高次谐波电流将会引起电 气设备发热、振动、 增加损

联电抗器而组成. 基波时, 产生超前无功功率以符合改善功率 因数的要求。 而其电抗器电感量的选定是基于谐波频率时形成
串联谐振,使滤波器组成在谐波频率时, 其阻抗趋*于零,从
l '  a u  } 价

而吸收大部分的谐波电流,达到改善电压、电 流波形,改善谐 波畸变率.并提高功率因数的目的. 322 可控硅控制的电抗器成套装置 ..
由可控硅控制的电抗器成套装置是SC      V 的又一主要组成部

分.相控电抗器TR C 的控制器根据母线上无功功率的变化。 控
制可控硅的控* 。 调节电抗器的感性无功, ,从而改变电抗

圈 电 护 某 单 圈         砚 急 筑 供电 映
图2     , 中,X为公共连接点PC C 至系统的等值阻抗:X包括 , PC C 点到钢厂线路、钢厂降压变、炉变前置电抗器、炉变、短
网的电抗 .

器吸收的无功功率,实现功率因数的动态补偿, 达到抑制闪烁 和解决电炉断电时向电网倒送无功功率的问题;由于TR C 调节
速度较快,且各相可以分别控制,因此对电弧炉引起的电压波

PC      C 点电压波动值:

动及闪变、负序、电压不*衡也有较好的抑制效果。 其基本原
理简述如下

A UK

= 玉x0 生 1% 0
S K

( 4)

设Q为并联滤波电容器组提供的总无功功率(      , 当母线电压 稳定时,可视为恒定的无功功率) ;
Q为电网负荷侧所需的无功功率;        l

式中: n  PC Q . C 点上的无功功率波动值; -
S          小方式短路容量 (4 ) - PC点上的最 C M' . A

Q为电抗器吸收无功功率:        , Q为电网供给的无功功率       
不难知:       
定不变

A,K Q = 
S= O M A  ,IO V )

1       

Q +Q 二Q+Q  } : .         () t

XF+ . . s X

x 0 V (, x为标么值, 1 M A x,  0 . ,

为了保证电压稳定.      希望通过SC V 系统的调节使Q做到恒 a
由 ( 得出        l Q = 二Q一Q二常数 . . Q () 2

一般工程计算中K      取值范围为08 .5 .-08.山此可以计算 出电弧炉运行时由于负荷的冲击而引起的电版波动值A . U , % 42 C . S 补偿容t计算 V 从矢量图3      可以看出,PC C 点上补偿前的无功波动量△ ‘ 。 与SC V 补偿容量Q和补偿后无功波动量△’ ‘ < Q之间的矢量关
系。

由于电压稳定时 ,        Q可视为常数

故有        Q+ 二常数 . Q Q () 3 由 ( )式表明,电抗册所消耗的无功功率Q的变化值与      3 电网负荷无功功率Q的变化值大小相等, , 方向相反时。 电网供 给的无功功率Q为恒定值。 . 因此, 只要不断调整电抗器所消耗 的无功功率Q 使之与负荷无功功率Q数值相等方向相反, I . 即 可实现电网供给的无功功率Q稳定. : 由可控硅控制的电抗器成套装置,      可以快速地反映负荷无 功功率的变化,并根据其变化不断调节电抗器吸收的无功功 率。比如: 负荷无功功率Q增大时,由可控硅控制的电抗器装 .

△口‘

置使其电 抗值Q 增大,则吸收无功功率Q 八L ' , = 相应减少.反 之,当负荷无功功率Q减少时, . 使电抗器电抗值减少,则吸收
的无功功率Q相应增大,维护系统供给的无功功率恒定. 由 余弦定t可得

目备 矢,圈
A  Q- ? Q" "o2 f=  , 5         c cs n t A ', () Q +  2 A Q , , ' ' O

4 冲击负荷引 起电网电 压波动值和 SC V 补偿容量的 计




。 I  QK =


A' S UK K %"
10        0

41

电 压波动值计 - 算1 1


电弧炉供电系统单线图见图2 ,

A '%一 s 偿 希 达 的 压 动 ; u,                  V补 后 望 到 电 波 值 C
f sC - V 动态补偿响应时间; f 等值频率 1H. - 0Z

由 ()式可以      5 解得 Sc v 补偿容童夺 ,这种计算方程是常 见的计算Sc v 补偿容量的方法。

等影响,确定主设备的参数时留有足够的富裕能力.

53响 . 应与调 速度! 节 . 1
在其有足够的无功调节容里的前提下,Sc      v 装置抑制电压 波动及闪变的效果取决于响应速度.目 前国产TR v 装置 C 型Sc 的响应时间为 1-2m, 0 0s 从实际应用效果看, 抑制电压波动及 闪变效果不佳。影响TR C 响应速度的主要有下列因素: (        D 可控硅动作延迟

5交流电 弧炉补偿运行与应用中 存在的问 题
51无功补偿 . 由于交流电弧炉在运行过程中产生大盘谐波电 引起电      流, 压波形畸形, 使得不少钥厂与电气距离较*的配电网络安装的 无功补偿电容器无法投运:即使勉强投入,也很容易损坏,这 是由于电容器绝缘介质的局部放电起始电压值和熄灭电压值 随电压中谐波含量的增大而明显减小: 此外, 基波电压与谐波 电压叠加后的电压波形往往具有尖顶波的形状,峰值电 压很

可控硅导通以      后是不能自 关断的, 当以一定的控*恰 导 通后, 必须等到半个周波 (os lm)以后才能调整控*恰# 变TR电流, C 调节无功,因此 TR C 工作存在 “ 死区” *均 5 , -
lm, os 容盆占总的TR C 容f的5.0。在确定Sc 1% v 系统的TR C 的容盆时, 也要考虑TR C 工作存在的调节“ 死区”增加5 0 , .1 % 的备用容¥. ()        2 测量和调节需要时间 TR      C 调节无功既要快速,又需准确,这两方面要同时达到 是很困难的, 侧盆环节必须具有对谐波有良 好的抗干扰性, 这 是通过滤波回路实现的,而增加滤波回路就会降低响应速度; 调节环节为达到准确控制的目的而采用闭环控制系统, 必然存 在一定的时间常数, 特别是有些TR C 调节系统仍采用P ( I 比例 积分)控制,由于积分环节的存在,时间常数较大。 采用数字涟波技术、PD      I 控制等方式可减小测盆和调节时 间,提高TR v 装1的响应速度。 C 型Sc

高, 这两种因素综合作用、使电容9易产生局部放电, 9 而电弧
却难以熄灭,易造成电容器的损坏。

并联电容器对谐波电流的放大,      也是电容器损坏的重要原
因.

交流电弧炉无功补偿中无功过剩的问题也很突出,      交流电 弧炉在运行中无功功率变化剧烈. 冶炼的不同阶段无功变化也 很大 熔化期内消耗大量的无功, 精炼期内则消耗较少的无功, 现阶段有些用户为了节省一次投资.只上并联电容器或论波 器, 不土Sc系统. v 而电容器或滤波器只能提供固定的无功补 偿. 无功过剩使用户母线电压大幅度升高, 若超过额定电压的 1 就会严重影响电气设备的安全,而大盘的无功功牟倒送电 0 % 网也是被电力部门明令禁止的.

52高次谐波 . 交流电弧炉的负荷电流是不规则、不对称、急剧变化的非     
正弦波,其中低次谐波 (.7 数值较大,因此, 2 次) 逮波时通

6结语
超高功牟电弧炉的综合补偿是电网电能质里管理的一项      重点。Sc v 装里的应用己经在电弧炉补偿中显示了技术上的优 势和良好的效果, 给用户带来了巨大的经济效益,虽然仍存在 一些不足, 但可以通过技术上的改进加以弥补。 相信 Sc v 在保 证冲击性非线性负荷安全经济运行中发挥它的巨大作用,以加 快我国电网电能质t改进的步伐。

常连续设置2 , 5 、3 4 次单调谐论波器, . 再设一组高通滤波
器滤除较高次谐波.

目前,交流电电弧炉谐波治理中普遍存在2 3      ,  次谐波电 流滤波效果不佳及残留的2 次谐波电流被较高次的单调谐 、3 滤波器放大的问题. 由于2 3次谐波离基波频串很*,      . 为避免基波的影响, 、 2 3 次滤波器的阻抗特性曲线需设计成比较尖锐的形状,即滤波 器的品质因数较高,而通频带P 的宽度较窄.因此,等效频 B

参考文献
f t ]徐美生,电 炉的动志无 弧 功补偿[ . J 天津冶金,1 9  :  1 ] 9 () 1 4 9 4 0 -
[」王海潜, 2 超高功举电 弧炉冲击负街引启电网电 压波动值和Sc v 补偿容

率失谐度b 稍有变化, 滤波效果就会有较大变化。 等效频率失 谐 b 是由于实际工频角频率相对子5H 对应的角频率有 度 , 0Z 一定偏差, 以及电容与电抗由于制造误差、 运行退度等因索影 响也存在一定偏差,而导致滤波支路失谐的衡t指标.可见, 实际运行时6 常由于运行条件、 设备参数及环境的设计值相差
较大, 这是2 3 、 次谐波电流滤波效果不好的主要原因。此外 电网发展和运行方式的变化会改变系统的等值谐波阻抗, 也会 对滤波器的滩波器的滤波效果产生影响. 这种情况,      需要在设计时. 就要充分地考虑等效频率失谐 度 6 电网发展和运行方式的变化会改变系统的等值谐波阻抗 、

f计算方法的分 江苏电 U[ "  3 ) 2-5 析. 机工 7 1 ( :  2 ] 9 3 1 9



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