超高功率电弧炉冲击负荷引起电网电压波动值和SVC补偿容量计算方法的分析

第18卷第1期江苏电机工程1999年3月超高功率电弧炉冲击负荷引起电网电压波动值和SVC补偿容量计算方法的分析王海潜摘要分析和比较了几种超高功率交流电弧炉无功冲击负荷引起电网电压的波动值和改善电压波动所需动态无功补偿容量的几种计算方法,并指出各种计算方法需要的外部条件和适用场合。关键词电弧炉冲击负荷电压波动值SVC补偿容量80年代后期,我省已相继建设并投产了一批超高功率电弧炉,如沙钢集团永新钢铁公司70t交流电弧炉、润忠钢铁有限公司90t交流电弧炉、锡兴钢厂70t交流电弧炉等。由于电弧炉冶炼初无功功率的急剧变化,使得公共接人点(PCC)附近的电压产生波动。为使公共接人点的电压波动值满足国家标准,需采取措施,装设动态静止无功补偿装置(SVC)装设动态静止无功补偿装置以后,一方面可以抑制无功功率冲击负荷对电网电压产生的波动,同时SVC分相控制的功能也可以抑制电炉负荷不对称产生的负序电流。由于电压波动得到控制,还可以提高电弧炉自身的冶炼效率。由于动态静止无功补偿装置(SVC)价格较贵,一次性投资较大。因而如何选择合适的SVC无功补偿容量,既可以使公共接入点(PCC)附近的电压波动值满足国家标准,也可以节省钢厂的一次性投资,产生事平功倍的效果,这是目前需要探讨的问题。本文通过对超高功率交流电弧炉无功冲击负荷引起电网电压波动的波动值和改善电压波动的几种计算方法进行分析比较,得出在每种计算方法需要的外部条件和适合的场合,以便今后在研究分析交流电弧炉无功冲击负荷引起电网电压波动和计算所需动态无功补偿容量时供参考。1电弧炉的电气特性和运行特性交流电弧炉由三相交流系统供电,炉内设有三个电极,各电极持续升降而不断起弧,并与废钢形成短路维持高温,以烙化废铁进行冶炼。按照工艺流程,每一冶炼周期基本可分为熔化期、氧化期、还原期、出钢和加料间歇期1.1无功冲击负荷和端电压的闪变性在熔化期,由于废钢的不规则性和冶炼当中的瘫塌,会频繁地出现电极短路、弧长伸缩,无功功率急剧变化,引起公共接人点〔芜附近的电压产生急剧波动,对电气设备产生危害,同时灯光会使人眼产生视觉疲劳1.2有功负荷的冲击性在熔化期当中由于炉料的突然瘫塌,引起电极断弧开路,在出钢和加料期都会引起电流突然变零。这种有功冲击负荷是随机的、经常发生的,冲击瞬间它将在机组的大轴上形成电磁功率与机械功率的不平衡,影响机组的寿命1.3三相电流的不平衡性在熔化期,各相电弧电压是相互独立变化的,三相电流各自发生急剧无规则的变化。正常情况下电流不对称度持续时间较长。当电极两相短路,一相断开,此时电流不对称度情况较严重,但持续时间较短。负序电流会损坏电网的发电机和电气设备,还会使继电保护误动.1.4伏安曲线的非线性由于外加正弦性电压变动,引起电弧热量和弧柱电阻的波动,一个周期内的伏安特如图所示。由于在熔化期炉内经常发生塌料,引起大幅度的阻抗变动,从而进一步加剧电弧伏安曲线的非线性。因而引起谐波电流,谐波电流会引起设备发热、振动,增加损耗、缩短寿命、干扰通讯1.5电弧炉的运行特性图2是电弧炉供电系统单线图。图2中为电弧炉连接点至系统的等值阻抗包括炉变前置电抗器、炉变、短网的电抗为电弧炉的等值电阻,它作随机变动为电源电势为电弧炉端点的电压。由于电弧伏安曲线的非线性,会引起谐波电流,给计算分析工作带来一定的困难。为使计算分析方便,以下均忽略了谐波对计算方法的影响。式中分别为负载电流的有功和无功分量。即得变换得上式的轨迹为一半圆圆心在点,半径为可作电弧炉的电流圆图,见图3由图3可以看出,当电炉运行在A点时,有功电流最大,电弧的运行功率因数较低。一般正常运行在C点。当电炉通过钢水短路运行至点,如果忽略电阻的影响,此时最大电流护,如果正常运行在A点,那么最大无功冲击电流分量应为电极短路时的无功功率一正常运行时的无功功率。2无功冲击负荷引起电网电压波动值和SVC补偿容量的计算2.1电压波动值补偿容计算方法一2.1.1电压波动值计算电弧炉供电系统单线图见图4图中,为公共连接点PCC至系统的等值阻抗包括PCC点到钢厂线路、钢厂降压变、炉变前置电抗器、炉变、短网的电抗PCC点电压波动值一般工程计算中K取值范围为0.8~0.85由此可以计算出无SVC补偿容量情况下的电压波动值3分析比较和结论从以上计算方法比较可见方法一较合适,计算出的电压波动值和容量值与计算机算法基本接近。方法二中由于当中忽略了电阻的影响和中忽略了正常冶炼时的电弧阻抗,因而使△值偏大,计算出的电压波动值和容量值也偏大。方法三由于采用计算机仿真模拟计算,因而计算值相对方法一、二来说,较为准确,但需要较详细的资料,特别是需通过电炉无功功率瞬间变化的典型曲线来分析电炉无功变化的特性。所以方法一、二适合于工程前期,无详细资料的情况下进行估算。方法三适合于有较详细的资料的情况下使用。以上计算均为电炉在典型的工作条件下进行计算的。然而实际生产当中电弧炉的运行工况变化较大,并带有很大的随机性。因此本计算值仅作为工程前期和分析研究用,最终应以工程投产后的实侧值为准。