电弧炉对电能质量的影响

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摘 要：介绍了电弧炉对电网和电能质量的影响，提出了治理方案，对SVC装置的设计、应用进行了阐述，对治理前后电能质量进行了比较、总结

关键词：电弧炉 电能质量 改进技术 SVC

中图分类号： TF748.41 文献标识码： A

1 前言

在电力系统中，供电的质量指标、电网运行的安全可靠性和经济性是最根本的问题。近年来，随着冶金工业的飞速发展，大量具有冲击性负荷的电弧炉、轧钢机等不断投入电网，电弧炉在正常生产时会对电网造成高次谐波、电压闪变、电压波动、三相电压及电流不平衡、功率因数低等不利影响，而且电能质量超过国家标准的规定指标。

针对电弧炉对电网电能质量污染问题，莱芜供电公司2011年针对莱芜某钢铁厂电弧炉用电系统进行治理，采用了新型的SVC装置，取得了良好效果。

2 电弧炉对电网的干扰

2.1 高次谐波

交流电弧炉在炼钢过程中其电流会产生非正弦畸变和各次谐波,对电网造成干扰。其主要原因有：(1)电弧的电阻值不恒定，并且在交流电弧的半个周期中电弧电阻也在变动，这造成电弧电流的非正弦畸变；(2) 交流电的正负半周换相,石墨电极和钢交替作阴极和阳极,因不同材料的发射电子能力不一样,故使电流的正负两个半周的波形不对称,造成偶次谐波；(3) 三相电弧不均衡，导致三次谐波；(4) 供电系统连接的各种谐波源导致各种谐波的形成，如静补装置中的整流器等。

电弧炉的谐波电流成份主要为2～7 次，其中2、3次最大，其平均值可达基波分量的5%～10% ,谐波电流流入电网，使电压波形发生畸变，引起电气设备发热、振动以及保护误动作等。国标《电能质量·公用电网谐波》( GBPT14549-93) 对综合电压畸变率、谐波电流注入量均作了具体规定,为抑制电弧炉产生的谐波提供了依据和标准。

2.2 电压波动与闪变

超高功率电弧炉在运行中经常产生突然的、强烈的电流冲击,导致电网电压的快速波动,频率为0.1～30Hz，这类干扰称之为“闪烁”或“闪变”(Fluctuation)。强烈的闪变会造成电机转动不稳定，电子装置误动作甚至损坏，也会使电网供电的用户(包括电弧炉本身)的实际功率减少，闪变是对电网的一种公害。

对于实际的、有限容量的电网,电弧炉负载引起的电网电压波动百分数为:

(1)

式(1) 中,ΔQ 为无功功率的冲击量(Mvar)； 为本电弧炉供电母线最小短路容量(MVA) 。

考虑到电弧炉的正常运行状态与短路状态之间的无功功率变动大致与炉子变压器的额定容量相当,即 ,故可以用下式来估算电网上最大波动百分数:

（2）

国标《电能质量电压允许波动和闪变》(GB12326-2000) 规定了电力系统公共连接点的电压波动和闪变电压允许值。超高功率电弧炉在其运行过程中产生的波动和闪变往往都超过这个规定值,必须加以抑制。

2.3三相不对称

引起电网供电质量变差的另一个重要问题是电弧炉三相负载不对称引起的电网三相电压及三相电流的不对称。其后果是相关电网的所有用户(包括电弧炉) 的经济性和生产率降低。分析表明,在公共连接PCC 处电网短路容量 比电弧炉变压器额定容量 高50 倍以上时,电弧炉三相负载不对称所造成的电网电压的不对称性将不会超过国标《电能质量·三相电压允许不平衡度》(GBPT15543-1995) 中规定的允许值。

3.抑制电弧炉对电能质量影响的方法

3.1某钢铁厂供电系统简介

莱芜某钢铁厂新上两台交流电弧炉和一台交流精炼炉。它们接在同一35kV母线上，由一台50MVA变压器供电，用一套SVC解决交流电弧炉和交流精炼炉对供电系统电能质量的干扰问题，供电系统简图如图1所示。

图1莱芜某钢铁厂供电系统简图

3.2 SVA方案的确定

根据国内外工程实践经验，针对该钢铁厂负荷的固有特性：产生谐波、无功冲击导致电压的波动和闪变、功率因数较低，引起电网电能质量恶化，采用TCR+FC型的SVC装置是对该钢铁厂负荷进行综合治理最经济、最有效的方法。

3.2.1 SVC一次主接线的配置

TCR和各滤波器支路全部直接挂接在EAF和LF的35kV母线侧，TCR不采用降压变压器型式，而是采用直挂式，这样作的好处有：有效地避免了采用降压方式降压变压器的有功损耗；减少了设备运行的故障率；可采用较为成熟的水冷方式；可在一定程度上提高动态响应时间。

四个滤波器支路采取如下接线方式：

2次滤波器采用“C”型滤波器，目的是为了拓宽频带，增加阻尼和减少电阻基波功率损耗。3次、4次、5次滤波器采用单调谐滤波器，达到最佳的滤波效果。

根据以上配置SVC一次原理主接线如图2所示。

图2SVC一次主接线

3.2.2 SVC容量的选择

TCR容量计算：根据前面的计算，TCR容量的计算主要以满足110kV侧的电压波动和闪变为主。根据国内外对电弧炉电压波动和闪变的治理经验，考虑一定裕度后可计算出所需TCR容量为19MVA，治理后电弧炉引起35kV母线电压波动为1.06%，满足标准要求。

滤波器容量的计算：取滤波器的基波补偿容量与TCR容量基本平衡、并略大于TCR容量即可。各滤波器支路基波容量的分配要综合考虑谐波滤波效果、安装容量大小和安全性指标，采取最优化配置。滤波器总安装容量34.848Mvar，总基波无功19.016Mvar（F略大于TCR容量），这样既能保证SVC投入运行后将考核点平均功率因数提高到0.92以上，并且不会产生无功倒送，又能保证SVC发出19Mvar的容性无功，满足要求。

4 加装SVC后对电能质量的改善比较

经对该铁厂配电统的谐波、无功冲击、操作过电压等仿真计算和仿真，确定了对该钢铁厂EAF和LF采用TCR+FCSVC无功补偿方案，通过对供电系统的详细计和仿真，得出结论如下：

不采取加装SVC时，该钢铁厂EAF和LF将对供电系统电能质量产生严重干扰，具体指标如下：（1）注入110kV系统的3次、4次、5次谐波电流将严重超标；引起35kV母线的3次、4次、5次谐波电压将超标；35kV母线电压总谐波畸变率高达5.69%，超过国家标准限值3%； 110kV母线电压总谐波畸变率1.94%，没有超过国家标准限值2%。（2）110kV母线电压波动为2.22%，超过国标1.5%的限值要求，短时间闪变值为1.33，超过0.8的限值要求。（3）考核点110kV 母线三相电压不平衡度为1.94%，超过国家标准1.3%的限值。

加装本设计方案所设计的SVC后，将对EAF和LA对供电系统电能质量干扰抑制到一个较低的水平，具体指标如下：（1）当EAF和LF生产、SVC投入时，滤波器对谐波吸收效果显著，注入110kV 和35kV的各次谐波电流都满足谐波国标要求；110kV母线电压总谐波畸变率降为0.52%，35kV母线电压总谐波畸变率为1.52%，满足标准要求。（2）当EAF和LF生产、SVC投入时，引起110kV考核点电压波动为1.06%；110kV考核点短时间电压闪变值0.78，满足国标要求。（3）当EAF和LF生产、SVC投入时，注入110kV考核点的基波负序电流降为42.96A，三相电压不平衡度为0.78%，满足国家标准要求。

5 结束语

综上所述，本套TCR+FC 型SVC静止无功补偿装置的投入，对改善该钢铁厂配电系统的电能质量，提高功率因数，稳定电网运行水平起到积极重要的作用，使电能质量达到了合格（符合“国标”规定）的要求。

参考文献

[1] 张之忠,张炳炎.抑制现代大型炼钢电弧炉对电网公害、以自身不利的技术研究[C].中国

冶金建设协会静补(SVC)技术交流会论文集,1992.3.

[2] 李士琦等.现代电弧炉炼钢[M].原子能出版社，1995.11.

[3] 胡铭,陈衍.有源滤波技术及其应用[J].电力系统自动化，2000.24(3).

作者简介：1.王晓霏，男，1980年生，本科，工程师，主要从事变电站电气设计方面工作

2.童伟，男，1980年生，硕士，工程师，主要从事电力系统设计方面工作