大容量电弧炉对电网干扰的抑制方法研究

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1　炼钢电弧炉对电网的干扰分析
　　电弧波动是对电网产生干扰的根源。电弧炉在运行时电弧电流受电磁力作用、电极移动以及对流气体的影响变化剧烈，并且具有很大的随机性，特别在起炉、废钢熔化、打洞塌落、短接废钢、气体喷出时尤为严重。剧烈的电弧电流变化，产生剧烈的无功、有功冲击，以100 t交流电弧炉为例，最大的无功冲击可达到150 Mvar。电弧炉炼钢时产生以下现象：
0 e9 [5 H9 @! A* S3 G* y　　(1)由于电弧电阻的非线性和瞬变性产生高次谐波；
. ~0 U/ m% F: y5 u1 g7 }9 ~　　(2)交流电弧炉运行时由于三相电弧不对称，产生负序电流；
　　(3)在剧烈的无功、有功冲击电流作用下，供电系统产生剧烈的电压波动和闪变。
1 ^3 z: s# u1 Z' F4 B8 A　　电弧炉在熔化期产生高次谐波、负序电流，从而引起电网电压波动和闪变。
5 z) P5 l# q+ j& N6 e; c& Z　　世界各国对高次谐波、负序电流注入电网的量，以及电压波动、闪变的限制值都有明确规定，以保证电网的供电质量。我国于1990年制订了标准，对电网的公害加以限制。目前，对于电弧炉产生的高次谐波采用滤波器可以有效地加以抑制。但对于电弧炉引起的电压波动 、闪变的抑制从技术上来说比较因难，需从多方面综合考虑加以抑制。
2 炼钢电弧炉引起的电压波动、闪变的抑制方法
2.1 改进炼钢工艺、优化电弧炉设计参数
" F6 b- F. x. ~8 y3 l( f5 A(1)废钢料预热
　　电弧炉炼钢时产生大量的高温烟气可用于预热废钢料。电弧炉安装废钢预热装置后，可将废钢料在装炉前预热到700℃左右。在高温下，一部分不导电的杂质被除掉，废钢变软且电阻率变大，熔化期电弧相对稳定，引起的电压波动和闪变相对降低。根据国外实测的数据 ，利用这种方法可降低电压波动和闪变约5％左右，效果比较明显，是一种经济、实用的方法 。
! R8 Z6 p; Y  f7 I: t: l6 W4 o* b(2)破碎工艺
: _' J& `( }  G; N* H6 R* s. E　　大块的废钢在电弧炉内不易熔化，而且容易短接电极造成短路使电弧不稳定，增大了无功冲击、增加了冶炼时间、降低了效率。因此，现代炼钢工艺都逐步采用废钢破碎和净化技术来降低生产成本，同时也降低了熔化期的电压波动和闪变。
( r: }& z& }3 S  V(3)喷吹辅助燃料
　　欧洲一些国家的钢铁企业在熔化期喷入重油或天然气等辅助燃料，以此降低炼钢综合成本。经过实测，这种炼钢工艺对降低电压波动和闪变有一定的作用，目前，我国在大容量超高功率电弧炉上也开始采用这种炼钢工艺。
(4)优化电弧炉的设计
- A3 Y3 S- l, r6 z　　通过对国外大容量超高功率电弧炉的资料分析，优化电弧炉的设计对降低炼钢时对电网的冲击作用很大。主要从以下方面进行优化：
　　1)提高电极调节系统的灵敏度和快速性，缩短响应时间；
1 s* J6 n/ o" F: i' A　　2)充分考虑电极系统的固有共振性，消除或减小机械共振对电弧稳定性的影响；
! L  g8 ^. y  A0 t/ x, k" G4 j　　3)合理选择三相电极的极心圆直径，提高电弧的稳定性；
4)提高电弧炉二次短网的功率因数。
: j9 ]  Q' J$ t% @* u% k　  在引进国外电弧炉时，要注意电弧炉结构设计问题。通过优化电弧炉本体的设计降低电压波动和闪变是最有效的方法，可以降低补偿容量，减小工程投资。
2.2 合理选用供电电源
2 z+ K2 a- O2 H4 D(1)采用专用直配线供电
　　采用专用高压直配线供电最为合理，在电弧炉附近设置电弧炉专用降压变电所。
' ~3 E) M$ i" [% F(2)把电弧炉接到短路容量较大的电网上欧洲早在70年代就将220 kV电源由电网直配炼钢厂的降压变电所，以获得较大的短路容量，减小电压波动和闪变。我国在1992年将220 kV电源由电网直配至炼钢厂降压变电所。
) u% Q) _' J3 v5 N0 ?. h; R　　电网的短路容量是决定大容量电弧炉是否允许运行的决定条件。以交流电弧炉为例，当供电系统在最小运行方式下三相短路容量大于电弧炉变压器额定容量的80倍，即Sxmin/Se＞80时，不采取任何补偿措施，电弧炉在熔化期引起的电压波动值可小于1．6%，闪变值可小于0．4%。当80＞Sxmin/Se＞56时，采取适当的补偿措施可使电压波动和闪变值降至允许值 。当Sxmin/Se＜56时，采取补偿措施也无法达到允许值。只能考虑减小电弧炉变压器的额定容量，或在高压侧串联限流电抗器的方式限制电压波动和闪变。如果还不能达到允许值，则应考虑改用直流电弧炉或采取其它综合措施加以解决。
2.3 改进电弧炉供电设备
# O: V) X, b/ Z; s6 r1 D(1)在高压侧串联电抗器
　　近年来国外应用较多的是串联空芯电抗器，例如意大利DAN公司生产的100 t交流电弧炉 ，变压器额定容量为90 MVA＋20%。在高压侧串联阻抗为2Ω的空芯电抗器，采用熔化期喷吹辅助燃料的措施，可使电压波动和闪变降低25%。
(2)采用直流电源对电弧炉供电
2 s$ |- X: i# ]- V( p$ s　　大容量的直流电弧炉近十年来在国外较为流行。直流电弧炉和交流电弧炉相比，所产生的电压波动和闪变可降低40%～50%左右；不产生负序电流；对二次短网和电极来说没有集肤效应；二次侧可采取不同的接线方式。
　　但由于增加了整流器，使其可靠性降低，有功损耗增大，维护量大，造价高。而且电极需要进口，加之交流电弧炉技术指标不断提高，因而可能影响直流电弧炉的广泛应用。
(3)采用特殊接线方式降低电压波动和闪变法国西技来克公司（CEGELEC）研制了一种在直流电弧炉上采用特殊接线型式的整流器，可以进一步降低对电网的干扰。该整流器在比利时首次使用。
　　应当指出，为了补偿功率因数，滤除特征谐波和非特征谐波，该装置必须在高压侧安装固定容量的滤波器，当电弧炉在停炉加料或负荷电流很小时会产生过补偿，此时滤波器发出的容性无功返送至电网，造成电压升高。该装置目前在我国还没有应用的实例。
2.4 采用无功补偿装置
(1)采用SVC装置进行补偿
　　静止无功补偿装置（SVC）有多种结构，如自饱和电抗器型（SR）、晶闸管投切电容器型（TSC）、晶闸管阀相控电抗器型（TCR）、晶闸管阀相控高阻抗变压器型（TCT）等，选择何种结构的动态调节装置是根据被补偿对象的特点决定的。对于电弧炉负荷，国内外目前公认的是采用TCR型动态调节器，并附加谐波滤波器（FC），组成TCR＋FC补偿装置。它的作用有：补偿功率因数；滤除高次谐波；补偿中性点偏移；抑制电压波动和闪变。但是，一般实用的SVC装置对闪变的改善率均小于30%。TCR＋FC补偿测量，由于具有分相调节的性能。因此在电弧炉供电系统补偿应用特别广泛，是目前国内外电弧炉应用最多的补偿装置。如果SVC的额定容量小于25Mvar，从技术、经济上考虑则不如采用TCR型。如果对闪变的补偿率要求不高，可以采用降压变压器型式的TCR，将晶闸管阀运行电压降到10 kV左右，从而减少晶闸管阀的串联数量，和直挂式相比可以降低设备的投资。
+ r. r. H; c; g, o( ^6 ?7 E(2)采用有源滤波装置
　　有源滤波装置国外称配电用静止补偿器（DSTATCOM），近年美国、日本已开始应用。它的工作原理与普通的SVC完全不同。采用可关断的电力电子器件和基于坐标变换原理的瞬时无功理论进行控制，是一种能够兼顾谐波滤波无功补偿的装置。DSTATCOM和普通SVC相比较有以下优点：
7 i& p" p( u: F/ C$ o. H2 t　　响应时间快，对电压波动、闪变补偿率高，可减小补偿容量；体积小，重量轻，消耗材料少，运行损耗小；滤波效果好，不受电网频率影响，没有谐波放大作用和谐振问题运行稳定；控制强，能实现控制电压波动、闪变，稳定电压作用，同时也能有效地滤除高次谐波，补偿功率因数。
　　DSTATCOM中的逆变器，一般采用脉宽调制（PWM）技术。换流器件一般采用可关断晶闸管（GTO）或绝缘栅双极晶体管（IGBT），目前采用IGBT器件组成的轻型SVC装置可做到20 Mvar左右，电压最高为10．5 kV。大容量的补偿装置，一般采用和LC滤波器混合使用的办法 ，谐波的高次部分（一般11次以上谐波）由LC滤波器吸收，这样可以降低换流器件的容量和截止频率，从而降低设备的造价。
' Z' J* ^. _& c　　DSTATCOM对电压闪变有较强的抑制作用，根据瑞典ABB公司技术交流的资料介绍，采用IGBT做换流器件组成的DSTATCOM可使电压闪变降低3．5倍。
　　采用DSTATCOM装置抑制闪变是目前最好的办法，但由于目前大功率、快速的半导体元件制造在技术上还有很多问题，加之控制理论还需进一步研究完善，影响了它的应用。目前只有少数国家开始应用，而且容量都较小。应用在大容量超高功率电弧炉上的DSTATCOM现在还没有。随着GTC、IGBT等电力半导体器件技术性能的不断提高，价格不断下降，控制理论和控制器的不断完善，DSTATCOM在超高功率电弧炉上的应用将成为现实，因此，国内外专家普遍认为DSTATCOM是今后电力系统补偿装置发展的方向。
3 结论
0 M/ O# @/ I) p+ B　　炼钢电弧炉引起的电网电压波动和闪变是随机性的，熔化期尤为严重。电压波动和闪变的大小取决于电弧炉本身的结构型式和电弧炉变压器的容量以及电网的短路容量。抑制电压波动和闪变的措施应从项目的可研阶段进行，首先着眼于电弧炉本身的优化设计和运行工况的改善，从根本上降低电压波动和闪变，其次是采取合适的补偿措施以降低电压波动和闪变 。如果计算结果不能达到要求，应考虑改换到短路容量更大的电网上，或改用直流电弧炉。从供电方面考虑，直流电弧炉较交流电弧炉有明显优点，但从国内运行情况看直流电弧炉综合经济技术指标并不理想，应慎重决策，通过综合比较，合理选择电炉的结构型式、供电方式和高压电源的电压等级，以力求减少工程投资。
文章关键词： 大容量电弧炉