電弧爐煉鋼供電系統(tǒng)的無功動態(tài)補(bǔ)償

摘要：介紹了冶金企業(yè)中煉鋼電弧爐用靜止無功動態(tài)補(bǔ)償裝置的方案選擇、工作原理、電路結(jié)構(gòu)及補(bǔ)償容量的計(jì)算方法，并給出了計(jì)算實(shí)例。關(guān)鍵詞：電弧爐；晶閘管；無功功率；諧波濾波器；電壓波動

1引言

在電力系統(tǒng)中，供電的質(zhì)量指標(biāo)、電網(wǎng)運(yùn)行的安全可靠性和經(jīng)濟(jì)性是最根本的問題?？焖俸侠淼卣{(diào)節(jié)電網(wǎng)無功功率，對交流電網(wǎng)的穩(wěn)定和系統(tǒng)電壓的調(diào)節(jié)、合理分配潮流及限制電網(wǎng)過電壓方面有著十分重要的意義。特別是當(dāng)鄰近交流系統(tǒng)發(fā)生故障時，如不迅速補(bǔ)償大幅度波動的無功功率，就會導(dǎo)致系統(tǒng)失控。近年來，隨著冶金、電氣化鐵道的飛速發(fā)展，諸如具有沖擊性負(fù)荷的電弧煉鋼爐、軋鋼機(jī)等不斷投入電網(wǎng)，導(dǎo)致電網(wǎng)功率因數(shù)下降、波形畸變、電壓波動、諧波干擾等公害。因此各工業(yè)發(fā)達(dá)國家都加強(qiáng)了對靜止無功動態(tài)補(bǔ)償裝置的研究，以取代響應(yīng)速度慢、調(diào)節(jié)性能差、損耗大、維護(hù)不便的同步調(diào)相機(jī)。 目前，在電力系統(tǒng)中，靜止無功補(bǔ)償（StaticVarCompensation，簡稱SVC），主要用于穩(wěn)定電網(wǎng)電壓，通常是按對稱三相形式來進(jìn)行調(diào)節(jié)的。而在工業(yè)應(yīng)用中，SVC裝置主要用于緩沖沖擊性負(fù)荷及恢復(fù)電力網(wǎng)絡(luò)的平衡[1]。

2冶金企業(yè)中靜止無功動態(tài)補(bǔ)償裝置

容量的選擇

在冶金企業(yè)中，煉鋼電弧爐具有非常滯后的功率因數(shù)和變化頻繁的不平衡負(fù)荷。無功電流波動幅度大和不穩(wěn)定造成了系統(tǒng)中電壓的波動，若生活用電也接在同一電網(wǎng)上，系統(tǒng)電壓波動將會造成燈光閃爍并對電視機(jī)和其它用電設(shè)備產(chǎn)生干擾。

造成電弧電流隨機(jī)波動的主要因素有：

1）金屬熔液和爐渣的流動。

2）弧隙電離程度的變化。

3）電極的顫動。

4）在電磁力作用下電弧路徑的變動等。

弧長的不規(guī)則變化，引起電網(wǎng)電壓相應(yīng)的波動。當(dāng)斷弧時，取自電網(wǎng)的有效功率等于零；而當(dāng)電極同爐料短路時，爐子主電路消耗的無功功率最大。在熔化期，由于每相電弧長度的變化在時間上不一致，所以造成三相負(fù)荷不對稱。此外，電弧本身弧壓與弧流的非線性也將產(chǎn)生出高次諧波電流，返回到電網(wǎng)中去，導(dǎo)致電網(wǎng)電壓波形畸變、中性點(diǎn)位移。而電弧爐采用靜止無功補(bǔ)償裝置就能克服上述問題，因?yàn)樗茈S時提供電弧爐所需的瞬變無功功率，從而穩(wěn)定其供電

系統(tǒng)。另外它給煉鋼工業(yè)本身也帶來了很大的效益，因?yàn)?，供電電壓的穩(wěn)定使電爐變壓器得到最有效的利用，并能提供穩(wěn)定的熔化功率；消除無功電流的流動，可降低線路和變電所變壓器的損耗。系統(tǒng)功率因數(shù)也會得到顯著的改善。這些效益既減少電弧爐煉鋼設(shè)備的投資，也減少了它的運(yùn)行費(fèi)用。

關(guān)于電力系統(tǒng)的靜補(bǔ)裝置已有很多文獻(xiàn)進(jìn)行了論述，但是電弧爐用靜補(bǔ)裝置的文章卻很少見到。下面專門討論電弧爐用靜補(bǔ)裝置及其容量的選擇方法。

電壓波動(Δu)的原因是由于無功功率的變化(ΔQ)。即[1]Δu=×100％（1）

式中：SDR——供電系統(tǒng)短路容量。

由此看來，利用無功發(fā)生裝置，就可補(bǔ)償電網(wǎng)電壓波動。由于晶閘管維護(hù)容易、可靠性高，并可以連續(xù)平滑調(diào)節(jié)，所以無功補(bǔ)償裝置的最佳方案是利用晶閘管控制電抗器電流，它與補(bǔ)償電容器并聯(lián)。圖1示出靜補(bǔ)裝置系統(tǒng)原理圖和無功功率變化示意圖。其工作原理是將電弧爐隨時變化的無功功率信號檢出，用來控制電抗器的無功功率，使

QF＋QL=常數(shù)（2）

式中：QF為電弧爐發(fā)生的無功功率；

QL為晶閘管控制電抗器的無功功率。

另外由于補(bǔ)償電容器的無功功率QC=QF＋QL，所以整個靜補(bǔ)裝置取自電網(wǎng)的總無功功率QΣ維持不變，并力圖使之趨近于零，即

QΣ=QF＋QL－QC=0（3）

總的無功功率維持不變，并且補(bǔ)償后，趨近于零，則電壓波動也趨近于零了。補(bǔ)償電容器實(shí)際上被分成三、五、七次和高通濾波器。

毋庸置疑，正確地選擇靜補(bǔ)裝置的容量，能減輕電弧爐電氣設(shè)備（電爐變壓器、高壓斷路器、電力電容器等）的負(fù)擔(dān)；能提高爐襯和電極的使用壽命，并可使前級供電變壓器的容量減少約20％，因此可以說，靜補(bǔ)裝置不僅能頗有成效地改善供電質(zhì)量，而且還能提高冶金企業(yè)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。

為了正確地選擇靜補(bǔ)裝置的容量，必須具體地分析電弧爐供電線路和擬定靜補(bǔ)裝置的技術(shù)條件。這些條件是

1）靜補(bǔ)裝置保證電爐供電母線上的電能質(zhì)量達(dá)到國家電熱規(guī)范所規(guī)定的質(zhì)量指標(biāo)。

2）靜補(bǔ)裝置保證電爐供電母線上的功率因數(shù)平均值達(dá)到供電系統(tǒng)或國家電熱規(guī)范所規(guī)定的數(shù)值。

下面討論如圖2所示的煉鋼電弧爐的典型供電線路，這是二組供電線路，每組由二臺大型電弧爐組成，各組之間通過聯(lián)絡(luò)開關(guān)K1接通。當(dāng)K1斷開時，電爐變壓器連接處（B點(diǎn)）的短路容量SB為SB=（4）

式中：SA為A點(diǎn)供電系統(tǒng)的短路容量；

ST為供電變壓器額定容量；

eK為供電變壓器短路電壓。