炼钢电弧炉对电网的干扰及其抑制方法

炼钢电弧炉对电网的干扰及其抑制方法武汉大学电气学院翁利民（430072）武汉钢铁设计研究总院廖建强（430080）现代炼钢电弧炉的基本功能是将尽可能多的电功率输入到熔池内，以获得高的生产率和低的物料、能量消耗以及好的环保指标。炼钢电弧炉按其吨钢平均变压器额定容量或单位炉膛面积平均变压器额定容量分为普通功率（RP--RegularPower）、高功率（HP--HighPower）和超高功率（UHP--UltraHighPower）三种。超高功率电弧炉（UHP--EAF）概念自七十年代提出，目标在于极大地提高炼钢电弧炉炼钢的生产率和降低成本，开创了电弧炉炼钢技术发展新纪元。但由于其生产时对电网影响与干扰是多方面的，实践中也发现了涉及到电能质量的所有方面。由于超高功率电弧炉的变压器功率水平高，变压器容量高达数十兆伏安，在其炼钢过程中对电网造成严重的冲击和干扰，这些公害必须加以控制和治理。1对电网的干扰1.1功率因数低电弧炉从电网获得电能，其中一部分转化为有用的热能，而另一部分则为无功能量。为了使电弧能稳定燃烧，电弧炉的功率因数不能取得太高。因电弧炉负载是高感性的，电弧炉的接入使供电电网的功率因数恶化。超高功率电弧炉运行在熔化期时，功率因数甚至低到0.1，这样引起母线电压严重降低。电压降低又相应降低电弧炉的有功功率，使熔化期延长，生产率下降。1.2电压闪烁和波动超高功率电弧炉是供电电网的很大的负载，而且在运行中经常产生突然的、强烈的电池冲击，导致电网电压的快速波动，频率为0.1～30Hz。其中特别是频率在1～10Hz之间的电压波动会引起照明白炽灯和电视画面的闪烁，使人们感到烦躁，这类干扰称之为闪烁或闪变（Fluctuation）。强烈的闪烁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，闪烁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：式（1）中，△Q为无功功率的冲击量（Mvar）：Sk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△Qmax≈Sf，故可以用下式来估算电网上最大波动百分数：电弧炉的冶炼过程依据其电气特性分为两个主要阶段：熔化期和精炼期。熔化期时，炉内废钢装入后，同时插入三相电极，则在电极与废钢之间产生工频大电流电弧，利用电弧热量开始熔化废钢。由于废钢与电极间存在着直接电弧，随废钢的熔化必然引起电弧长度的变化，进而导致燃弧点的移动，电弧极不稳定。电弧电流的变化引起了电压闪变，由于燃弧点的移动导致电弧快速变动称周期闪变；由于电极短路引起的急剧变动称之为非常闪变。冶炼中，电弧电流变化的程度与废钢的大小有关。若熔材为轻质小块，电弧相对稳定，闪变问题相对轻些；若熔材为大块废钢，除引起电弧不稳定外，落下时引起电极短路，闪变问题相对严重。熔化中期过后，炉底有了相当的钢液，电弧相对稳定，闪变程度大大减轻。精炼期是在熔化完成后，边升温边加入铁矿石和氧，以便进行氧化精炼。之后，对钢渣进行还原性精炼，加石灰等进行脱硫、脱氧，这一时期，电弧非常稳定，电流也不变动了，闪变问题基本消失。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。1.3三相电压与电流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，在公共连接处（PCC：PowerCommonContact）电网短路容量Sk比电弧炉变压器额定容量SF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未超过国标《电能质量·三相电压允许不平衡度》（GB/T15543-1995）中规定的允许值。当前电弧炉大型化、更超高功率化，结果供电电网的容量往往只有电弧炉变压器容量的20～40倍或更低，故必须采用补偿。1.4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》（GB/T14549－93）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抑制电弧炉对电网和自身影响的途径抑制超高功率电弧炉干扰的途径总的来讲有二：一是提高供电电源的电压等级，以提高与电网公共连接点的短路容量，使其对电网和自身的影响在允许范围内；二是采用SVC（StaticVarCompensation）装置，使其多项指标限制在允许范围内。两种途径相比，途径一是治标的方法，因为电炉对电网和自身影响的各种量值并未消除，而是送到更高电压级的电网去扩散，随着电炉不断建设发展，这些量值在电网中增加积累，泛滥成灾，将会形成电网所不能接受的程度，而增加了对广大用户的影响，因此，使用范围越来越小;而途径二是治本的办法，它使电炉对电网和自身影响的各种量值大部分就地消除了，故其使用范围越来越大，前途广阔。2.1SVC装置近些年来发展起来的SVC装置是一种快速调节无功功率的装置，已成功地用于电力、冶金、采矿和电气化铁道等冲击性负荷的补偿上，它可使所需无功功率作随机调整，从而保持在电弧炉等冲击性负荷连接点的系统电压水平的恒定。Qi＝QD＋QL－QC（3）式（3）中Qi、QD、QL、QC分别为：系统公共连接点的无功功率、负荷所需的无功功率、可调（可控）电抗器吸收的无功功率、电容器补偿装置发出的无功功率，单位均为Kvar。当负荷产生冲击无功△QD时，将引起△Qi＝△QD＋△QL＋△QC（4）其中△QC＝0，欲保持Qi不变，即△Qi＝0，则△QD＝－△QL，即SVC装置中感性无功功率随冲击负荷无功功率作随机调整，此时电压水平能保持恒定不变。SVC由可控支路和固定(或可变)电容器支路并联而成，主要有四种型式，其基本结构如图1。（a）TCR型（b）TSC型（c）SR型（d）TCT型图1常见几种SVC的基本结构（1）可控硅阀控制空芯电抗器型（称TCR型）SVC，它用可控硅阀控制线性电抗器实现快速连续的无功功率调节，它具有反应时间快（5-20ms）、运行可靠、无级补偿、分相调节、能平衡有功、适用范围广、价格便宜等优点。TCR装置还能实现分相控制，有较好的抑制不对称负荷的能力，因而在电弧炉系统中采用最广泛，但这种装置采用了先进的电子和光导纤维技术，对维护人员要专门培训提高维护水平。（2）可控硅阀控制高阻抗变压器型（TCT型），优点与TCR型差不多，但高阻抗变压器制造复杂，谐波分量也略大一些。由于有油，要求一级放火，只宜布置在一层平面或户外，容量在30Mvar以上时价格较贵，而不能得到广泛采用。（3）可控硅开关控制电容器型（TSC）：分相调节、直接补偿、装置本身不产生谐波，损耗小，但是它是有级调节，综合价格比较高。（4）自饱和电抗器型（SSR型）：维护较简单，运行可靠，过载能力强，响应速度快，降低闪变效果好，但其噪音大，原材料消耗大，补偿不对称电炉负荷自身产生较大谐波电流，无平衡有功负荷能力。2.2无源滤波装置该装置由电容器、电抗器，有时还包括电阻器等无源元件组成，以对某次谐波或其以上次谐波形成低阻抗通路，以达到抑制高次谐波的目的。由于SVC的调节范围要由感性区扩大到容性区，所以滤波器与动态控制的电抗器一起并联，这样既满足无功补偿、改善功率因数，又能消除高次谐波的影响。国际上用于大型炼钢电弧炉的滤波器种类有：各阶次单调谐滤波器、双调谐滤波器、二阶宽频带与三阶宽频带高通滤波器等。（1）单调谐滤波器：一阶单调谐滤波器的优点是滤波效果好，结构简单（见图2）；缺点是电能损耗比较大，但随着品质因数的提高而减少，同时又随谐波次数的减少而增加。而电炉正好是低次谐波，主要是2-7次，因此，基波损耗较大。二阶单调谐滤波器当品质因数在50以下时，基波损耗可减少20－50%。属节能型，滤波效果等效。三阶单调谐滤波器是损耗最小的滤波器，但组成复杂些，投资也高些，用于电弧炉系统中，2次滤波器选用三阶滤波器为好，其它次选用二阶单调谐滤波器。（a）（b）（c）图2各种无源滤波器的结构简图其中：（a）一阶单调谐滤波器（b）二阶滤波器（c）三阶滤波器（2）高通（宽频带）滤波器，一般用于某次及以上次的谐波抑制，见图2（b）。当在电弧炉系统中采用时，对5次以上起滤波作用时，通过参数调整，可形成该滤波器回路对5次及以上次谐波形成低阻抗通路。用于大型电炉的滤波器组合最基本的有两类：一是用3～5组单调谐滤波器组成，二是由2～4组单调谐滤波器和一组二阶宽频带滤波器组成。第一类组合对高次谐波滤波效果要差一些，但电能损耗低些；第二类组合对高次数滤波效果好，分工也明确，设计也简单容易些。两者组合各有优缺点，总的发展趋势是在滤波效果好的前提下减少组数，以节省占地和投资，又要尽可能优化组合以降低电能损耗。3有源滤波器虽然无源滤波器具有投资少、效率高、结构简单及维护方便等优点，在现阶段广泛用于配电网中，但由于滤波特性受系统参数影响大，只能消除特定的几次谐波，而对某些次谐波会产生放大作用，甚至谐振现象等因素，随电力电子技术的发展，人们将滤波研究方向逐步转向有源滤波器（ActivePowerFilter，缩写为APF）。APF即利用可控的功率半导体器件向电网注入与谐波源电流幅值相等、相位相反的电流，使电源的总谐波电流为零，达到实时补偿谐波电流的目的。它与要有源滤波器相比，有以下特点：a.不仅能补偿各次谐波，还可抑制闪变，补偿无功，有一机多能的特点，在性价比上较为合理；b.滤波特性不受系统阻抗等的影响，可消除与系统阻抗发生谐振的危险；c.具有自适应功能，可自动跟踪补偿变化着的谐波，即具有高度可控性和快速响应性等特点；APF作为改善供电质量的一项关键技术，在日本、美国、德国等工业发达国家已得到高度重视和日益广泛的应用，因为它有着无源滤波器所不具备的技术优势。但目前要想在配电网中完全取代无源滤波器还不太现实。因为APF的成本现阶段仍然较高，随着电力电子工业的发展，器件的性价比将不断提高，APF必然会得到更广泛应用。除了在扰动严重的场合必须采取以上外部抑制措施，但在闪变水平并不很高的许多情况下，通过改善电弧炉的运行条件即可对电压闪变有效控制，如：1）优化电弧炉的电气参数2）在关键时刻修订电力使用计划；3）在一定时期改变电弧长度；4）改善废钢装载作法；5）采取预热、吹氧、添加助燃物质等措施。4结束语配电网中整流器、变频调速装置、电气化铁道、电弧炉以及各种电力电子设备不断增加，这些负荷的非线性、冲击性和不平衡的用电特性，对供电质量造成污染，形成电力公害，尤其以超高功率电弧炉为甚。作为典型特性和防护措施方面的剖析，有利于对SVC、滤波器以及有源滤波器的了解和研究。我国钢铁企业的超高功率电弧炉等应用SVC的实际例子很多，如大冶钢厂双50t电弧炉、张家港70t电弧炉、韶关钢厂以及天津无缝钢管厂、福建马尾中钢公司50t电弧炉、珠江钢厂100t电弧炉等。SVC装置有引进的，也有国产的，用的都是TCR型，应该说TCR型SVC已形成了用于抑制电弧炉对电网干扰的主要方向和措施。