电弧炉谐波治理方案

电弧炉谐波治理技术方案设计领步（北京）电能质量设备有限公司项目主管：陈兴龙审核：张朝元编写：张远健王文林一、方案设计依据1、工况介绍1.1项目背景某铸造有限公司新建特钢生产线，新增了一套15吨电弧炉，主变容量7200KVar，变比10/0.26KV,低压侧五档调压，委托电科院对电弧炉系统进行了电能质量评估，10KV进线推算最小短路容量为187.5MVar,系统谐波主要4次和5次超标，7次谐波接近国标限值，闪变超出国标3%的要求，达到5.9%。1.2电弧炉的工作特点及对电能质量的影响电弧炉的冶炼过程分两个阶段，即熔化期和精炼期。在熔化期，相当多的炉内填料尚未熔化而呈块状固体，电弧阻抗不稳定。有时因电极都插入熔化金属中而在电极间形成金属性短路，并且依靠电炉变压器和所串电抗器的的总电抗来限制短路电流，使之不超过电炉变压器额定电流的2~3倍。不稳定的短路状态使得熔化期电流的波形变化极快，实际上每半个工频周期的波形都不相同。在熔化初期以及熔化的不稳定阶段，电流波形不规律，故谐波含量大，主要是第2、3、4、5、6、7次谐波电流。据实测，第4、5次谐波电流含有率常达5%~6%及以上，严重时可达20%以上。但当某一次谐波电流达到很大值时，其他次谐波电流一般会是较小值。电弧炉电极间电压的典型值在100~600V范围，其中电极压降约为40伏，电弧压降约为12V/cm、电弧越长压降越大。在熔化期电弧炉的电压变化大，最高和最低电压可相差2~5倍。由于电弧炉负荷的随机性变化和非线性特征，尤其在熔化期产生随机变化的谐波电流，除了离散频谱外、还含有连续频谱分量。含偶次谐波，表明电弧电流的正、负半周期不对称；含连续频谱和间谐波，表明电弧电流的变化带有非周期的随机性。在熔化期三相不平衡电流含有较大的负序分量。当一相熄弧另两相短路时，电流的基波负序分量与谐波的等值负序电流可达正序的50%~70%。这将引起公共供电点的电压不平衡，对电机的安全运行影响较大，尤其对大电机的影响更为严重。2、设计参考标准《电控设备第二部分：装有电子器件的电控设备》GB/T3797-1989《高压开关设备和控制设备标准的共用技术要求》GB/T11022-1989《高压并联电容器》GB3983.2-1989《电抗器》GB/10229-1988《电能质量公用电网谐波》GB/T14549-1993《并联电容器装置设计规范》GB50227-2008《交流高压隔离开关和接地开关》GB1985-89《高压并联电容器用放电线圈订货技术条件》DL/T653-1998《并联电容器单台保护用高压熔断器》JB/T3840-1985《交流电气装置的过电压保护和绝缘配合》DL/T620《交流无间隙金属氧化物避雷器》GB/T11032-2000《电力变压器第一部分总则》GB1094.1-1996《三相油浸式电力变压器技术参数和要求》GB/T6451-199二、用户需求分析与对策用户新建特钢生产线主要负载为一套7200KVA电弧炉，因为电弧炉为快变负载，生产运行时系统无功变化频率高幅度大，引起电压剧烈波动与谐波污染，不仅将影响用户自身其他配套负载的正常生产运行，还会引发同一配电网络内其他用户的正常生产设备运行，上级供电部门要求对电弧炉系统进行电压波动和谐波治理，保证不影响整个供电网络的安全平稳运行。由电力系统分析可以知道，无功功率的变化将引起系统电压成比例地变化。投入无功补偿器之后，系统供给的无功功率为负载和补偿器无功功率之和，即：SLCQQQ因此，当负载无功LQ变化时，如果补偿器的无功功率CQ总能弥补LQ的变化，从而使SQ维持不变，即0SQ，则U也将为0，供电电压保持恒定，可见功率因数补偿可以看作是电压调整功能的特例。从上述分析可以看出，只要加装的无功补偿装置能够快速补偿负载无功功率的变化，就可以对系统无功功率进行动态补偿，实现SQ维持不变，即0SQ，则U也将为0，供电电压保持恒定，就可以解决电压波动与三相不平衡问题三、治理方案选择比较根据负载情况，拟采用动态无功补偿兼谐波治理的实施方案，目前高压动态无功补偿主要有以下几种形式：TCR(晶闸管控制电抗器)+FC(固定电容器，一般情况下设计为无源滤波器兼顾滤除谐波的作用)、MCR(磁控电抗器)+FC、SVG(静止无功发生器)。在构成上，TCR是通过斩波控制，实现电抗器的等值阻抗调节；MCR是通过可控硅励磁装置控制铁心饱和度，从而改变等效电抗的装置，两者都属于阻抗型补偿装置；SVG是通过逆变器的控制实现无功的快速调节，不再需要大容量的交流电容/电抗器件，是属于电源型的主动式补偿装置。而电弧炉运行时电流的波形变化极快，实际上每半个工频周期的波形都不相同。因此需要动态无功补偿装置具备同步的响应速度才能达到较好的补偿稳压效果，而TCR型SVC的响应时间约为20-40ms，MCR型无功补偿装置响应时间在200ms以上。相比之下，SVG实现了质的飞跃，首次将动态无功补偿的响应时间缩短到一个工频周期之内，整体装置的动态无功响应速度小于10ms；因此通过对比分析，只有SVG才能更好地满足电弧炉的快速补偿与稳压要求。SVG的基本原理就是将自换相的桥式电路通过电抗器或直接并联在电网上，适当的调节桥式电路交流侧输出电压的相位和幅值，或直接控制其交流侧电流，就可以使该电路吸收或发出满足要求的无功电流，实现动态无功补偿的目的。SVG可以对大小和频率都变化的谐波以及变化的无功进行补偿,其由两大部分组成,即指令电流运算电路和补偿电流发生电路(由电流跟踪控制电路、驱动电路和主电路三部分构成)。其中，指令电流运算电路的核心是检测出补偿对象电流中的谐波和无功等电流分量，因此有时也称之为谐波和无功电流检测电路。补偿电流发生电路的作用是根据指令电流运算电路得出的补偿电流的指令信号，产生实际的补偿电流。主电路采用多重化的PWM变流器。原理图如下：SVG（静止无功发生器）的核心技术是基于可关断电力电子器件IGBT（绝缘栅型双极晶体管，可实现快速的导通/关断控制，开关频率可达到3500Hz以上）的电压源型逆变技术。SVG也被称为“静止调相机”，它可以快速、连续、平滑地调节输出无功，且可实现无功的感性与容性双相调节。具有下列特点(1)SVG能耗小，相同调节范围下，SVG的损耗只有MCR的1/4，TCR的1/2，运行费用低，更节能环保；(2)SVG是电流源型装置，主动式跟踪补偿系统所需无功；从机理上避免了大容量电容/电抗元器件并联在电网中可能发生的谐振现象；在电网薄弱的末端使用，其安全性比阻抗型装置更高；功率单元A1功率单元B1功率单元C1功率单元A2功率单元B2功率单元C2功率单元A3功率单元B3功率单元C3功率单元A4功率单元B4功率单元C4功率单元A5功率单元B5功率单元C5功率单元A6功率单元B6功率单元C6功率单元A7功率单元B7功率单元C7功率单元A8功率单元B8功率单元C8功率单元A9功率单元B9功率单元C9功率单元A10功率单元B10功率单元C10功率单元A11功率单元B11功率单元C11功率单元A12功率单元B12功率单元C1210kV系统光纤通讯光纤通讯接口数据采集与处理控制与监测故障与保护SVG装置操作远程通讯接口控制柜远程后台系统CT信号PT信号开关信号系统电流信号负荷电流信号(3)SVG的响应速度更快，整体装置的动态无功响应速度小于10ms，能够很好地满足电弧炉的动态无功补偿响应时间缩短到一个工频周期之内的要求；(4)SVG中的谐波特性更好。TCR/MCR运行过程中都产生较大的谐波，尤其是TCR，最大谐波电流含量达到20%以上。而SVG自身不产生谐波，同时还能滤除系统谐波，保证运行安全性；(5)SVG采用模块化设计和户柜式安装，工程设计和安装工作量小，噪音很小(45dB)，更符合节能环保的设计理念；(6)TCR/MCR是阻抗型特性，输出无功容量和母线电压的平方成正比；SVG具有电流源的特性，输出容量和母线电压成线形关系。在母线电压偏低的情况下，SVG出力大，补偿效果更好；四、电弧炉的治理方案设计：SVG+FC根据用户生产设备电弧炉的规格数量，参照领步公司同类电弧炉用户的项目测试数据，设计方案如下：1、10KVSVG+FC滤波补偿容量设计分析由于10kV母线新增15T电弧炉，炼钢时生产低次谐波比较大，所以对于该类负荷进行滤波补偿设计时主要考虑以下几个方面：1)保护系统安全可靠运行是设计中首要考虑的问题，不但考虑滤波装置的设计效果，而且要考虑稳定裕度变小，安全可靠性变差等负面问题。2)在保证滤波补偿装置安全可靠运行的前提下，使电弧炉生产运行时产生的谐波电流和谐波电压有明显减少，同时保证月平均功率因数达到0.9以上。3)在保证各项经济技术指标前提下，减少制造成本，提高装置的性价比。4)装置的滤波效果往往与安全经济指标是矛盾的，与制造成本也是矛盾的，我们的设计是通过技术、经济最优化配置论证进行的，确保具有经济性和明显滤波效果。5)保证在不同工况下能够对系统进行有效滤波和补偿.6)设备静补(FC)投切，操作简单便捷。2、滤波补偿容量的确定依据负荷的基本情况，根据如下公式可计算出需要补偿的无功功率。)arccostanarccos(tan21PQC其中：2cos为补偿后的功率因数取0.92。10KV系统为1台7200KVA电弧炉，需要得到实际补偿的无功：CQ=2150KVar实际需要补偿量需要根据要求设计，在运行方式上遵循领步公司技术运行规程，保证能够满足系统实际补偿要求。安装容量计算：实际补偿安装容量CCNCQUUQ2310KV侧需要安装容量为4800KVAR。选择该安装容量有以下几方面的原因：1、满足滤除谐波电流的要求。2、考虑滤波电容器的电压以及系统电压需求。3、考虑谐波电流引起的谐波电压叠加后的电压。4、由于生产设备运行方式不同引起的可能过电压。3、动态无功补偿和滤波补偿支路设计10kVSVG动态无功补偿与谐波治理装置的基本配置如下：1、FC支路：分解成几个支路依据实际情况确定，本方案初步拟定采用3次滤波支路与4次滤波支路，实际补偿容量总共为2.4Mvar2、SVG部分，补偿容量为±2.4Mvar，有效抑制电压闪变，快速动态无功补偿，平衡三相不平衡电压，稳定电网电压，自身谐波合格，补偿功率因数达0.9以上（滞后、无过补）。五、治理达到的电能质量效果治理后增加的SVG装置与滤波器配合使用，使成套装置具有连续动态调节、快速响应的特点（响应速度为10ms），使10kV母线电弧炉的无功冲击与三相不平衡问题得以解决，使10kV母线的电压波动、电压闪变与三相不平衡指标小于国标限值要求，月平均功率因数在0.9以上，谐波指标达到或接近国家标准的要求。六、SVG+FC一次系统示意图图一SVG+FC一次系统示意图七、领步公司简介领步（北京）电能质量设备有限公司是一家以广大电力用户以及电力部门为服务对象的高新技术企业，兼为“电能质量研究所”，主要从事电能质量优化净化的研究开发和工程应用，是集科研、生产、销售和服务为一体的专业化高科技公司：四零零-零五六-五二五八。公司坚持“科技先导，以人为本”的战略发展思想，汇聚了一批高素质专业技术人才，不断消化吸收国际电能质量优化净化领域的前沿技术，研发成功国内领先的动态无功补偿装置和高、低压谐波治理系统，投入工程化应用后，其因性能稳定可靠，节电效果显著，而深受广大用户的欢迎和专家的好评。“净化电能污染，优化电能质量；降低电能消耗，确保节能增效”是企业的核心竞争力，以顾客需求为导向，提供“7ⅹ24小时技术咨询”“专业现场检测分析”“投资收益可行性报告”“设计、安装、调试和技术培训一条龙服务”以及“定期回访和技术支持8小时响应”售后专业化服务，全方位打造技术和服务双优品牌！