減輕對(duì)電網(wǎng)沖擊的高阻抗電弧爐

4 高阻抗電弧爐抑制電壓波動(dòng)原因分析

從電弧爐煉鋼來(lái)看，工作短路是不可避免的，它經(jīng)常是在熔化期內(nèi)當(dāng)點(diǎn)弧或塌料時(shí)發(fā)生。點(diǎn)弧時(shí)所發(fā)生的工作短路持續(xù)時(shí)間一般不超過(guò)1～2s，這對(duì)電網(wǎng)危害不大，因?yàn)椋搪烦掷m(xù)時(shí)間很短。而爐料塌陷時(shí)的短路持續(xù)時(shí)間取決于電極移動(dòng)速度及塌料深度。塌料深淺不同，相差懸殊，但在實(shí)際煉鋼過(guò)程中，很少遇到超過(guò)250mm的塌料深度。高阻抗電弧爐的電弧長(zhǎng)度普遍大于250mm，本文中援引的例子，其電弧長(zhǎng)度為350mm，所以，它在爐料塌陷時(shí)也不致于造成電極短路。電極同爐料短路時(shí)無(wú)功功率最大，則其引起的電網(wǎng)電壓波動(dòng)也是最大，因?yàn)椋?a class="contentlabel" href="http://m.butianyuan.cn/news/listbylabel/label/電網(wǎng)">電網(wǎng)電壓波動(dòng)是由無(wú)功功率變化引起的，這可由下式說(shuō)明。

Δu=×100％ （8）

式中：ΔQ為電弧爐無(wú)功功率變化量（Mvar）；

S_DR為供電點(diǎn)（35kV），供電系統(tǒng)短路容量（MVA）。

綜上所述，高阻抗電弧爐運(yùn)行在較高的功率因數(shù)下（0.82以上），且不產(chǎn)生電壓閃變，這是因?yàn)殡姌O和爐料之間保持較長(zhǎng)距離，它使電弧長(zhǎng)度變化百分?jǐn)?shù)小，則二次電流和一次電壓變化率（Δu/u）也小，因此，電壓閃變就減少了。由于以上理由，高阻抗電弧爐絕對(duì)用不著裝設(shè)靜止式無(wú)功功率動(dòng)態(tài)補(bǔ)償裝置（SVC裝置）。根據(jù)德馬格公司和丹澳利公司資料介紹，他們的高阻抗電弧爐在世界各地運(yùn)行，全部不配裝SVC裝置。

電弧爐引起電壓波動(dòng)的另一重要原因，過(guò)去一直鮮為人知，近年來(lái)在許多臺(tái)大型電弧爐上測(cè)試得知：交流電弧爐的電壓波動(dòng)，在很大程度上是由于電極升降系統(tǒng)的機(jī)械共振所引起的。實(shí)踐證明，在交流電弧爐變壓器高壓側(cè)串聯(lián)電抗器，采用高阻抗，長(zhǎng)電弧運(yùn)行方式，限制電流變化率，就能有效地降低機(jī)械共振，因?yàn)椋瑱C(jī)械共振是由電流變化引起的。

圖4示出了機(jī)械共振對(duì)電壓波動(dòng)的影響。由圖4可見(jiàn)，交流高阻抗電弧爐無(wú)機(jī)械諧振，其電壓波動(dòng)幅值僅為5V左右。

圖4 機(jī)械共振對(duì)電壓波動(dòng)的影響曲線圖

綜上所述，交流高阻抗電弧爐從根本上消除了由機(jī)械共振引起的供電電網(wǎng)電壓波動(dòng)和電壓閃變，這比采用SVC裝置要優(yōu)越得多。

5 高阻抗電弧爐抑制電壓波動(dòng)實(shí)例

前已述及，電壓波動(dòng)是由無(wú)功功率波動(dòng)引起的，下面援引國(guó)外高阻抗電弧爐與普通電弧爐的無(wú)功功率波動(dòng)對(duì)比實(shí)例。

意大利丹澳利公司（DANIELI）提出了高阻抗電弧爐和普通電弧爐的無(wú)功功率波動(dòng)范圍，以資對(duì)比^[4]。圖5為高阻抗電弧爐的無(wú)功功率對(duì)電流的波動(dòng)范圍，圖中Q為無(wú)功功率，I為電極電流。由圖5中可看出，當(dāng)電極電流變化為ΔI=30kA時(shí)，引起無(wú)功功率變化為ΔQ≤50Mvar，有功功率變化為ΔP=7MW。

(a) 基本線路圖

(b) 功率/電流參數(shù)

圖5 高阻抗電弧爐基本線路與功率曲線圖

條件完全相同的普通電弧爐的無(wú)功功率對(duì)電流的波動(dòng)范圍示于圖6。由圖6可看出，當(dāng)電極電流同樣變化30kA時(shí)，其無(wú)功功率波動(dòng)值竟達(dá)到60Mvar以上，有功功率變化為ΔP=13MW。由以上兩組數(shù)據(jù)可以看出，高阻抗電弧爐與普通電弧爐相比，在同樣條件下，前者的無(wú)功功率波動(dòng)值和有功功率波動(dòng)值均低于后者，因而高阻抗電弧爐的電壓波動(dòng)也減小了。

(a) 基本線路圖

(b) 功率/電流參數(shù)

圖6 普通電弧爐基本線路與功率曲線圖

圖7示出了美國(guó)聯(lián)合碳化物公司提出的普通電弧爐（圖7a）和高阻抗電弧爐（圖7b）的輸入功率波動(dòng)記錄曲線[3]。由圖7(b)可以看出，增加電抗后，輸入功率提高，電弧功率穩(wěn)定。顯然，對(duì)于傳統(tǒng)的電抗低的普通電弧爐而言，由于沒(méi)有電抗器，煉鋼工作者選擇在很高的功率因數(shù)下運(yùn)行，在爐料熔化期，電壓檔位在最高檔位，有功功率約20MW～50MW；而與此相對(duì)應(yīng)的有串聯(lián)電抗器的高阻抗電弧爐，在功率因數(shù)合適的情況下，能夠得到較小的電極電流，結(jié)果，在最高電壓檔位運(yùn)行時(shí)，有功功率約62MW～70MW，波動(dòng)明顯減小。這種運(yùn)行方式，有功功率高，電弧連續(xù)性好，對(duì)電網(wǎng)沖擊小，因而，抑制了電壓波動(dòng)。

(a) 普通電弧爐

(b) 高阻抗電弧爐

圖7 煉鋼電弧爐的功率波動(dòng)記錄曲線

6 高阻抗電弧爐的運(yùn)行優(yōu)勢(shì)

德國(guó)曼內(nèi)斯曼·德馬格公司于1992年將1臺(tái)60t（40MVA）超高功率電弧爐改造成高阻抗超高功率電弧爐。表2列出改造前和改造后的運(yùn)行參數(shù)對(duì)比[2]。

表2 普通電弧爐和高阻抗電弧爐參數(shù)對(duì)比