大容量電弧爐對(duì)電網(wǎng)干擾的抑制方法

介紹大容量電弧爐引起電網(wǎng)電壓波動(dòng)和閃變等問題。提出了優(yōu)化電弧爐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，采用內(nèi)部減少對(duì)電網(wǎng)的干擾和外部補(bǔ)償措施相結(jié)合的方法抑制電弧爐對(duì)電網(wǎng)的干擾，并介紹了目前國內(nèi)外在該領(lǐng)域技術(shù)發(fā)展的動(dòng)態(tài)。

1　煉鋼電弧爐對(duì)電網(wǎng)的干擾分析
　　電弧波動(dòng)是對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生干擾的根源。電弧爐在運(yùn)行時(shí)電弧電流受電磁力作用、電極移動(dòng)以及對(duì)流氣體的影響變化劇烈，并且具有很大的隨機(jī)性，特別在起爐、廢鋼熔化、打洞塌落、短接廢鋼、氣體噴出時(shí)尤為嚴(yán)重。劇烈的電弧電流變化，產(chǎn)生劇烈的無功、有功沖擊，以100 t交流電弧爐為例，最大的無功沖擊可達(dá)到150 Mvar。電弧爐煉鋼時(shí)產(chǎn)生以下現(xiàn)象：
　　(1)由于電弧電阻的非線性和瞬變性產(chǎn)生高次諧波；
　　(2)交流電弧爐運(yùn)行時(shí)由于三相電弧不對(duì)稱，產(chǎn)生負(fù)序電流；
　　(3)在劇烈的無功、有功沖擊電流作用下，供電系統(tǒng)產(chǎn)生劇烈的電壓波動(dòng)和閃變。
　　電弧爐在熔化期產(chǎn)生高次諧波、負(fù)序電流，從而引起電網(wǎng)電壓波動(dòng)和閃變。
　　世界各國對(duì)高次諧波、負(fù)序電流注入電網(wǎng)的量，以及電壓波動(dòng)、閃變的限制值都有明確規(guī)定，以保證電網(wǎng)的供電質(zhì)量。我國于1990年制訂了標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)電網(wǎng)的公害加以限制。目前，對(duì)于電弧爐產(chǎn)生的高次諧波采用濾波器可以有效地加以抑制。但對(duì)于電弧爐引起的電壓波動(dòng) 、閃變的抑制從技術(shù)上來說比較因難，需從多方面綜合考慮加以抑制。
2 煉鋼電弧爐引起的電壓波動(dòng)、閃變的抑制方法
2.1 改進(jìn)煉鋼工藝、優(yōu)化電弧爐設(shè)計(jì)參數(shù)
    (1)廢鋼料預(yù)熱
　　電弧爐煉鋼時(shí)產(chǎn)生大量的高溫?zé)煔饪捎糜陬A(yù)熱廢鋼料。電弧爐安裝廢鋼預(yù)熱裝置后，可將廢鋼料在裝爐前預(yù)熱到700℃左右。在高溫下，一部分不導(dǎo)電的雜質(zhì)被除掉，廢鋼變軟且電阻率變大，熔化期電弧相對(duì)穩(wěn)定，引起的電壓波動(dòng)和閃變相對(duì)降低。根據(jù)國外實(shí)測(cè)的數(shù)據(jù) ，利用這種方法可降低電壓波動(dòng)和閃變約5％左右，效果比較明顯，是一種經(jīng)濟(jì)、實(shí)用的方法 。
    (2)破碎工藝
　　大塊的廢鋼在電弧爐內(nèi)不易熔化，而且容易短接電極造成短路使電弧不穩(wěn)定，增大了無功沖擊、增加了冶煉時(shí)間、降低了效率。因此，現(xiàn)代煉鋼工藝都逐步采用廢鋼破碎和凈化技術(shù)來降低生產(chǎn)成本，同時(shí)也降低了熔化期的電壓波動(dòng)和閃變。
    (3)噴吹輔助燃料
　　歐洲一些國家的鋼鐵企業(yè)在熔化期噴入重油或天然氣等輔助燃料，以此降低煉鋼綜合成本。經(jīng)過實(shí)測(cè)，這種煉鋼工藝對(duì)降低電壓波動(dòng)和閃變有一定的作用，目前，我國在大容量超高功率電弧爐上也開始采用這種煉鋼工藝。
    (4)優(yōu)化電爐的設(shè)計(jì)
　　通過對(duì)國外大容量超高功率電弧爐的資料分析，優(yōu)化電弧爐的設(shè)計(jì)對(duì)降低煉鋼時(shí)對(duì)電網(wǎng)的沖擊作用很大。主要從以下方面進(jìn)行優(yōu)化：
　　1)提高電極調(diào)節(jié)系統(tǒng)的靈敏度和快速性，縮短響應(yīng)時(shí)間；
　　2)充分考慮電極系統(tǒng)的固有共振性，消除或減小機(jī)械共振對(duì)電弧穩(wěn)定性的影響；
　　3)合理選擇三相電極的極心圓直徑，提高電弧的穩(wěn)定性；
    4)提高電弧爐二次短網(wǎng)的功率因數(shù)。
　  在引進(jìn)國外電弧爐時(shí)，要注意電弧爐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)問題。通過優(yōu)化電弧爐本體的設(shè)計(jì)降低電壓波動(dòng)和閃變是最有效的方法，可以降低補(bǔ)償容量，減小工程投資。
2.2 合理選用供電電源
    (1)采用專用直配線供電
　　采用專用高壓直配線供電最為合理，在電弧爐附近設(shè)置電弧爐專用降壓變電所。
    (2)把電弧爐接到短路容量較大的電網(wǎng)上歐洲早在70年代就將220 kV電源由電網(wǎng)直配煉鋼廠的降壓變電所，以獲得較大的短路容量，減小電壓波動(dòng)和閃變。我國在1992年將220 kV電源由電網(wǎng)直配至煉鋼廠降壓變電所。
　　電網(wǎng)的短路容量是決定大容量電弧爐是否允許運(yùn)行的決定條件。以交流電弧爐為例，當(dāng)供電系統(tǒng)在最小運(yùn)行方式下三相短路容量大于電弧爐變壓器額定容量的80倍，即Sxmin/Se＞80時(shí)，不采取任何補(bǔ)償措施，電弧爐在熔化期引起的電壓波動(dòng)值可小于1．6%，閃變值可小于0．4%。當(dāng)80＞Sxmin/Se＞56時(shí)，采取適當(dāng)?shù)难a(bǔ)償措施可使電壓波動(dòng)和閃變值降至允許值 。當(dāng)Sxmin/Se＜56時(shí)，采取補(bǔ)償措施也無法達(dá)到允許值。只能考慮減小電弧爐變壓器的額定容量，或在高壓側(cè)串聯(lián)限流電抗器的方式限制電壓波動(dòng)和閃變。如果還不能達(dá)到允許值，則應(yīng)考慮改用直流電弧爐或采取其它綜合措施加以解決。
2.3 改進(jìn)電弧爐供電設(shè)備
    (1)在高壓側(cè)串聯(lián)電抗器
　　近年來國外應(yīng)用較多的是串聯(lián)空芯電抗器，例如意大利DAN公司生產(chǎn)的100 t交流電弧爐 ，變壓器額定容量為90 MVA＋20%。在高壓側(cè)串聯(lián)阻抗為2Ω的空芯電抗器，采用熔化期噴吹輔助燃料的措施，可使電壓波動(dòng)和閃變降低25%。
    (2)采用直流電源對(duì)電弧爐供電
　　大容量的直流電弧爐近十年來在國外較為流行。直流電弧爐和交流電弧爐相比，所產(chǎn)生的電壓波動(dòng)和閃變可降低40%～50%左右；不產(chǎn)生負(fù)序電流；對(duì)二次短網(wǎng)和電極來說沒有集膚效應(yīng)；二次側(cè)可采取不同的接線方式。
　　但由于增加了整流器，使其可靠性降低，有功損耗增大，維護(hù)量大，造價(jià)高。而且電極需要進(jìn)口，加之交流電弧爐技術(shù)指標(biāo)不斷提高，因而可能影響直流電弧爐的廣泛應(yīng)用。
    (3)采用特殊接線方式降低電壓波動(dòng)和閃變法國西技來克公司（CEGELEC）研制了一種在直流電弧爐上采用特殊接線型式的整流器，可以進(jìn)一步降低對(duì)電網(wǎng)的干擾。該整流器在比利時(shí)首次使用。
　　應(yīng)當(dāng)指出，為了補(bǔ)償功率因數(shù)，濾除特征諧波和非特征諧波，該裝置必須在高壓側(cè)安裝固定容量的濾波器，當(dāng)電弧爐在停爐加料或負(fù)荷電流很小時(shí)會(huì)產(chǎn)生過補(bǔ)償，此時(shí)濾波器發(fā)出的容性無功返送至電網(wǎng)，造成電壓升高。該裝置目前在我國還沒有應(yīng)用的實(shí)例。
2.4 采用無功補(bǔ)償裝置
   (1)采用SVC裝置進(jìn)行補(bǔ)償
　　靜止無功補(bǔ)償裝置（SVC）有多種結(jié)構(gòu)，如自飽和電抗器型（SR）、晶閘管投切電容器型（TSC）、晶閘管閥相控電抗器型（TCR）、晶閘管閥相控高阻抗變壓器型（TCT）等，選擇何種結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)裝置是根據(jù)被補(bǔ)償對(duì)象的特點(diǎn)決定的。對(duì)于電弧爐負(fù)荷，國內(nèi)外目前公認(rèn)的是采用TCR型動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)器，并附加諧波濾波器（FC），組成TCR＋FC補(bǔ)償裝置。它的作用有：補(bǔ)償功率因數(shù)；濾除高次諧波；補(bǔ)償中性點(diǎn)偏移；抑制電壓波動(dòng)和閃變。但是，一般實(shí)用的SVC裝置對(duì)閃變的改善率均小于30%。TCR＋FC補(bǔ)償測(cè)量，由于具有分相調(diào)節(jié)的性能。因此在電弧爐供電系統(tǒng)補(bǔ)償應(yīng)用特別廣泛，是目前國內(nèi)外電弧爐應(yīng)用最多的補(bǔ)償裝置。如果SVC的額定容量小于25Mvar，從技術(shù)、經(jīng)濟(jì)上考慮則不如采用TCR型。如果對(duì)閃變的補(bǔ)償率要求不高，可以采用降壓變壓器型式的TCR，將晶閘管閥運(yùn)行電壓降到10 kV左右，從而減少晶閘管閥的串聯(lián)數(shù)量，和直掛式相比可以降低設(shè)備的投資。
    (2)采用有源濾波裝置
　　有源濾波裝置國外稱配電用靜止補(bǔ)償器（DSTATCOM），近年美國、日本已開始應(yīng)用。它的工作原理與普通的SVC完全不同。采用可關(guān)斷的電力電子器件和基于坐標(biāo)變換原理的瞬時(shí)無功理論進(jìn)行控制，是一種能夠兼顧諧波濾波無功補(bǔ)償?shù)难b置。DSTATCOM和普通SVC相比較有以下優(yōu)點(diǎn)：
　　響應(yīng)時(shí)間快，對(duì)電壓波動(dòng)、閃變補(bǔ)償率高，可減小補(bǔ)償容量；體積小，重量輕，消耗材料少，運(yùn)行損耗小；濾波效果好，不受電網(wǎng)頻率影響，沒有諧波放大作用和諧振問題運(yùn)行穩(wěn)定；控制強(qiáng)，能實(shí)現(xiàn)控制電壓波動(dòng)、閃變，穩(wěn)定電壓作用，同時(shí)也能有效地濾除高次諧波，補(bǔ)償功率因數(shù)。
　　DSTATCOM中的逆變器，一般采用脈寬調(diào)制（PWM）技術(shù)。換流器件一般采用可關(guān)斷晶閘管（GTO）或絕緣柵雙極晶體管（IGBT），目前采用IGBT器件組成的輕型SVC裝置可做到20 Mvar左右，電壓最高為10．5 kV。大容量的補(bǔ)償裝置，一般采用和LC濾波器混合使用的辦法 ，諧波的高次部分（一般11次以上諧波）由LC濾波器吸收，這樣可以降低換流器件的容量和截止頻率，從而降低設(shè)備的造價(jià)。
　　DSTATCOM對(duì)電壓閃變有較強(qiáng)的抑制作用，根據(jù)瑞典ABB公司技術(shù)交流的資料介紹，采用IGBT做換流器件組成的DSTATCOM可使電壓閃變降低3．5倍。
　　采用DSTATCOM裝置抑制閃變是目前最好的辦法，但由于目前大功率、快速的半導(dǎo)體元件制造在技術(shù)上還有很多問題，加之控制理論還需進(jìn)一步研究完善，影響了它的應(yīng)用。目前只有少數(shù)國家開始應(yīng)用，而且容量都較小。應(yīng)用在大容量超高功率電弧爐上的DSTATCOM現(xiàn)在還沒有。隨著GTC、IGBT等電力半導(dǎo)體器件技術(shù)性能的不斷提高，價(jià)格不斷下降，控制理論和控制器的不斷完善，DSTATCOM在超高功率電弧爐上的應(yīng)用將成為現(xiàn)實(shí)，因此，國內(nèi)外專家普遍認(rèn)為DSTATCOM是今后電力系統(tǒng)補(bǔ)償裝置發(fā)展的方向。
3 結(jié)論
　　煉鋼電弧爐引起的電網(wǎng)電壓波動(dòng)和閃變是隨機(jī)性的，熔化期尤為嚴(yán)重。電壓波動(dòng)和閃變的大小取決于電弧爐本身的結(jié)構(gòu)型式和電弧爐變壓器的容量以及電網(wǎng)的短路容量。抑制電壓波動(dòng)和閃變的措施應(yīng)從項(xiàng)目的可研階段進(jìn)行，首先著眼于電弧爐本身的優(yōu)化設(shè)計(jì)和運(yùn)行工況的改善，從根本上降低電壓波動(dòng)和閃變，其次是采取合適的補(bǔ)償措施以降低電壓波動(dòng)和閃變 。如果計(jì)算結(jié)果不能達(dá)到要求，應(yīng)考慮改換到短路容量更大的電網(wǎng)上，或改用直流電弧爐。從供電方面考慮，直流電弧爐較交流電弧爐有明顯優(yōu)點(diǎn)，但從國內(nèi)運(yùn)行情況看直流電弧爐綜合經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)并不理想，應(yīng)慎重決策，通過綜合比較，合理選擇電爐的結(jié)構(gòu)型式、供電方式和高壓電源的電壓等級(jí)，以力求減少工程投資。

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