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1、某钢铁企业电弧炉谐波治理关键词：冶金行业 电弧炉 电弧型 设计问题：电弧炉是利用3根碳棒电极和炉料、铁渣之间的三相大电流产生的热量来融化炉料，熔化时，由于反复不规则地将电极开路和短路，引起电弧长度的变化，导致燃弧点的移动，继而导致电弧不稳定，其快速变动又导致周期闪变、谐波和负载不平衡等问题出现。原因：1、概况该钢厂目前安装有2台电弧炉、1台精炼炉，电弧炉为交流三相式电弧炉系统的主接线如图1所示。 主降压变压器参数：额定容量为63MVA，短路电压分别为U12= 10.5%，U23=6.5%，U13=17.5%： 1#、2#30tEAF电弧炉变压器参数：35kV/(420360)V，U k=8.1
2、6%(420V档时)，额定容量16MVA，短网阻抗2.7m，熔化期为360V档； 3#40tLF精炼炉电炉变压器参数：35kV220145V，U k=7.30%(220V档时)，额定容量6MVA，短网阻抗2.6m，熔化期为220V档； 系统运行情况：110kV母线系统最小短路容量S110kv为400 MVA；35kV母线系统最小短路容量S35kv为240MVA；S6.3kv为190MVA；上级变电站供电容量120 MVA；钢铁厂用电协议容量63 MVA。变压器容许长期过载1.2倍。2、影响预测评估要评估电弧炉用户接人电网后对电网的污染状况，就要评估该用户在PCC处产生的谐波电压，而谐波电压取决
3、于用户向公共连接点注入的谐波电流，该电流是由厂 区所有谐波源设备发射电流的叠加合成的。由于电弧炉属于电流源型动态谐波源，其功率变化较大，故需分析其引起的电压波动、闪变及三相不平衡等指标本文只 考虑其谐波电流发射叠加水平；然后根据系统谐波阻抗确定其产生的谐波电压，且取系统的最小短路容量确定谐波系统阻抗；依据电弧炉运行特性，分析其引起的电 压指标；依据国标限值判定其接人电网的污染状况。1、谐波电流值及电压含有率评估评估畸变负荷的谐波注人时，应考虑最不利的运行情况。电弧炉的电流波形的变化是随机性的，所以当数台炉同时运转时，谐波矢量的叠加不会与电弧炉的台数成正比，而2台炉按式(3)进行计算：式中Ih为
4、叠加后的第h次谐波电流； Ih1为谐波源l的第h次谐波电流；Kh为叠加系数，按表l选取含有2个以上炉时，首先按照2个谐波电流叠加，然后再与第3个谐波电流叠加，依此类推 根据对电弧炉实测电流的分析，电弧炉电流中含有27次谐波成分，典型电弧炉谐波电流的含有率估计值(炉变35kV侧)如表23。 按照电压总谐波畸变率、奇次谐波含有率和偶次谐波含有率的定义，当求出公共连接点处的叠加谐波电流后，按照式(4)计算第h次谐波含有率：式中Z 为按照公共连接点最小运行方式确定的系统系统第h次谐波阻抗；UN为公共连接点的标称电压KV。由电弧炉变压器容量，求出图1所示系统中1#ELF，2#ELF，3#LF的基波电流，
5、按照表2、表3分别确定各次谐波电流；然后按式(3)求出35kV 侧谐波电流矢量叠加有名值；再按式(4)近似计算PCC点处的谐波电压情况：总畸变率6.04%，偶次2.18%，奇次5.63%。2、电压波动及闪变评估 将系统等值为电弧炉最简化的等值图，如图2所示。基准电压采取平均电压，基准容量S =100MVA，需要指出的是相关文献指出的短路压降法和最大无功功率法仅仅给出了判断将要投入供电系统的电弧炉可能产生的电压波动大小是否超过允许值的 方法，而实际上由于闪变的严重与否还与电压波动的波形和频度有关，因此还需直接根据闪变值来评定电弧炉对供电系统的影响。 （1) 短路压降法(Short Circuit
6、 Voltage DepresionSCVD)所谓SCVD是利用电弧炉在开路和短路2种工况下的电压差与额定电压之比的百分数表示电压波动值，其短路压降dmax计算式为式中U0为电弧炉在三相开路时的PCC点的电压，kV；Ud为电弧炉在三相短路时的PCC点的电压，Kv。SCVD实质上反映了电弧炉三相短路容量与公共连接点系统短路容量之比。实际经验表明，导致电压波动和闪变的工作电流的变化与电弧炉的短路容量有关。根据英国工程实践介绍，SCVD又可表示为式中Sd1为电弧炉最大短路容量(一般取电弧炉变压器分接头处于使电极电压为最大档位所对应的短路容量)，可按对应于图3中的D点求得(如果没有资料可 查，可采取2
7、倍电弧炉变压器的额定容量作保守估计)；Sd为PCC点处供电系统全年的最小短路容量。但由于计算还需根据闪变限值估算。因此本文不作进一步 阐述（2) 最大无功功率变动量法通过上述的交流电弧炉的功率圆图分析知，交流电弧炉无功冲击量有最大值，如式(1)。故可根据给定的电弧炉参数，首先计算出它的最大无功功率冲击值AQ ，然后估算短路压降：本节给出求解电弧炉额定运行的功率因数及短路压降与闪变限值问经验换算公式，可在实际运行计算中使用：式中S 表示电弧炉供电变压器的最大容量，且功率因数也可由运行数据或设备参数确定短时间闪变值P 与短路压降d 之间的换算式为。长时间闪变值P与短路压降d之间的换算式为由于在三相
8、对称系统中，由于在某一相增设了单相负荷而引起的三相电压不平衡度也可按式(11)进行估算 ：为了保守评估，采取05s 作为参考预测计算 （3) 不同母线节点上闪变的叠加与传递由以上分析知道，式(5)(11)均为单台电弧炉的电压波动、闪变、三相不平衡度的预测估算方法。若n个波动负荷各自引起的闪变及背景闪变在同一节点上相互叠加，其短时间闪变值可按式(12)进行计算： 式中m值取决于主要闪变源的性质及其工况的重叠可能性。由于本例正常生产是“2对l”形式炼钢配合连铸周期，故按照其在熔化期不重叠的电弧炉的情况计算，m取4.对于式(12)同样适合电压波动、三相不平衡度指标预测时的叠加运算，在此不做阐述电力系
9、统不同母线节点上闪变的传递可按式(13)进行简化计算：式中 争为节点B短时间闪变值传递到节点A的传递系数；P 为节点短时间闪变值传递到节点A，在节点A引起的短时间闪变值；PtB为节点B短时间闪变值；s州为节点A的短路容量；S为节点B短路时节点A流向节点的 短路容量；s 蚰为节点A短路时节点B流向节点A的短路容量，图4中L为波动负荷3、预测结果及其限值根据式(7)(13)预测，得到该钢铁厂PCC点(图1)的电能质量指标，如表4所示。根据供电系统基本参数，可计算得到PCC国标限值，如表5所示。将计算值与国标限值比较，评估值超标，因此需要对其进行治理。对策：电弧炉电压波动是由于电力系统强度与电弧炉容
10、量的相对关系而产生的，总的来说，可以从供电系统与电弧炉车间2个方面来采取措施，对于供电系统主要以 减少系统电抗为目的，对于电弧炉车间则是以减少系统中无功功率波动为目的。前一方面是治标，后一方面是治本。后一方面主要有以下几个途径，电炉回路中串 联电抗器；采用静电电容器补偿；采用静止无功补偿装置；有源滤波器等。综合考虑，本文采取SVC(TCR+FC)装置以消除电弧炉对电网和自身影 响因为TCR+FC型SVC，它既能有效滤除电炉产生的大量低次谐波，又能动态毫秒级跟踪电炉运行产生的无功变化，进行无功补偿和有功平衡，最终能有效 改善系统各项电能质量指标，提高电炉群入网功率因数，并且不会出现“无功倒送”现
11、象 综合分析电网在3台电炉同时运行情况下的各项电能质量指标，根据经验确定SVC容量为:Qfc=29Mvar，QTCR=30Mvar，设2P，3P和 4P共3个滤波支路，其基波容量分别为8.37Mvar，9.87Mvar，10.84Mvar。仿照上节可计算电压波动d=1.32，三相不平衡度v =1.05，由文献3得无功补偿率a =QFC/Qmax =77.5%，由 -k曲线查得，闪变改善率30%k65%，故闪变291(165%)P 291(130%)，电压畸变率总畸变率为1.74%，其中偶次为0.67%，奇次为1.61%。经校验计算值均满足电力电容器组的过载能力。经SVC投运后，3台电弧炉全部正
12、常运行时，实测PCC点的谐波电流情况如表6所示。电压畸变率总畸变率为1.98%，其中偶次为0.71%，奇次为1.84%。采取SVC装置能使大部分电能指标降低到国标左右，而TCR部分装置也能使电能质量指标有一定改善，能够使电能各项指标抑制至国标以下。此方案具有可行性 效果：从电弧炉的运行特性分析可知，电弧炉在工作中电弧燃烧不稳定，无功变化较大，引起三相负荷不平衡，产生三相不平衡电流，使电网电压产生波动并产生低 次谐波电流，对电网和设备造成不良影响。通过预测其影响的步骤和方法、判据，从结果看各项电能质量指标均有不同程度的超标。改善供电系统无功的变化量，能 够很好地抑制电弧炉对系统的影响。因电弧炉的27次谐波超标，故拟采取滤波装置进行改善运行功率因数及谐波电压情况。采取SVC装置不仅可以有效地抑制 谐波电流，还可以对电弧炉对电网所产生的其它危害如电压波动等有着很好的抑制作用预测结果和实测结果表明，该方案能够很好的抑制电弧炉对电网的影响。
