煉鋼電弧爐無功補(bǔ)償和諧波治理案例
1．概述
隨著煉鋼業(yè)和冶煉技術(shù)的發(fā)展，越來越多的電弧爐設(shè)備投入到生產(chǎn)當(dāng)中，其容量越來越大。由于其自身的工作特性，造成了日益嚴(yán)重的諧波污染問題，嚴(yán)重影響到了電能質(zhì)量，對其諧波治理已經(jīng)迫在眉睫。本文介紹了電弧爐的無功補(bǔ)償及諧波治理方案。研究了電弧爐系統(tǒng)的電氣模型、并對其產(chǎn)生的諧波電流進(jìn)行了分析，結(jié)合實(shí)際電弧爐系統(tǒng)的諧波測試情況對該電弧爐系統(tǒng)諧波治理方案。
2．電弧爐的工作特點(diǎn)
電弧爐屬非線性負(fù)荷，在工作的過程中會產(chǎn)生高次諧波，而且電弧爐的用電量很大，電爐變壓器的容量從數(shù)兆伏安到數(shù)十兆伏安。從鋼鐵的冶煉工藝分，電弧爐的工作過程可分為三個階段：熔化期、氧化期和還原期。鋼鐵在熔化期的用電量很大，氧化期和還原期的用電量明顯降低。鋼鐵在熔化期內(nèi)不僅電弧爐的用電量大，而且在這個階段由于下降電極起弧和爐料崩塌使電極接觸廢鋼而造成短路，其后快速提升電極又拉斷電弧造成斷路，短路期間內(nèi)產(chǎn)生很大的電流，造成三相不平衡。在冶煉過程中由于電磁力和爐內(nèi)氣流的作用以及鋼液和爐渣的流動，使電弧放電的路徑不斷變化和弧隙電離程度不斷變化，從而引起負(fù)荷電流變化大、變化速度快、變化頻繁而無規(guī)則。
3．用戶供電系統(tǒng)參數(shù)及考核指標(biāo)
3.1主變壓器參數(shù)
型號：
額定容量：SE＝31.5MVA
電壓變比：110／10KV
短路阻抗百分?jǐn)?shù)：UK＝10.47％
系統(tǒng)短路容量
110KV側(cè)：SDMAX＝870MVA
SKMIN1＝652MVA
3.210KV電弧爐的諧波發(fā)生量
表1電弧爐諧波發(fā)生量
| 諧波次數(shù) | 2 | 3 | 4 | 5 | 7 | 11～23 |
| 諧波電流％ | 7 | 10 | 5 | 9 | 4 | |
| 諧波電流值（A） | 50.5 | 72.2 | 36.1 | 65 | 29 | |
3.3電弧爐供電系統(tǒng)圖
3.4考核的技術(shù)指標(biāo)
3.4.1平均功率因數(shù)要求
10KV母線的月平均功率因數(shù)：COSφ≥0.95，不過補(bǔ)。
3.4.2閃變要求
滿足國家標(biāo)準(zhǔn)GB12326－2000《電能質(zhì)量電壓允許波動和閃變》的要求：
10KV電壓波動：△U≦1.25％
閃變：PST＝0.9，PLT＝0.7
110KV電壓波動：△U≦1.0％
閃變：PST＝0.8，PLT＝0.6
3.4.3諧波電壓要求
按國標(biāo)GB／T14549－93的規(guī)定，供電系統(tǒng)各電壓等級下允許的電壓畸變率如表二所示。
表2GB／T14549－93所規(guī)定的電壓畸變率限值
| 電網(wǎng)標(biāo)稱電壓 KV | 電壓總諧波畸變率 ％ | 各次諧波電壓含有率，％ | |
| 奇次 | 偶次 | ||
| 10 | 4.0 | 3.2 | 1.6 |
| 110 | 2.0 | 1.6 | 0.8 |
3.4.4諧波電流要求
諧波電流允許值
按GB／T1459－93的要求，當(dāng)考核點(diǎn)在110KV母線時(shí)，注入考核點(diǎn)110KV母線的各次諧波電流允許值在短路容量為870MVA時(shí)如表3。
表3短路容量為870MVA，注入110KV母線各次諧波電流允許值
次數(shù) 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13
電流（A） 13.9 11.1 6.96 11.1 4.64 7.88 3.48 3.7 2.78 4.98 2.32 4.29
次數(shù) 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25
電流（A） 1.97 2.2 1.74 3.25 1.51 2.9 1.39 1.62 1.27 2.44 1.16 2.2
表4短路容量為652MVA，注入110KV母線各次諧波電流允許值
次數(shù) 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13
電流（A） 10.4 8.3 5.21 8.3 3.47 5.9 2.6 2.77 2.08 3.73 1.73 3.2
次數(shù) 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25
電流（A） 1.47 1.64 1.3 2.43 1.13 2.17 1.04 1.21 0.95 1.82 0.87 1.64
4.基波補(bǔ)償容量的確定
正常運(yùn)行時(shí)的自然功率因數(shù)值＝0.70
功率因數(shù)為0.70時(shí)，系統(tǒng)中存在的無功功率和有功功率相等，功率因數(shù)提高到0.95時(shí)，系統(tǒng)中存在的無功功率和有功功率的比值為1：3，則需補(bǔ)償?shù)臒o功功率為
12.985÷3×2＝8.656MVAR
將功率因數(shù)提高到0.95以上，取10KV系統(tǒng)無功功率補(bǔ)償容量：Q＝10622KVAR
5.KYSVC高壓靜止型動態(tài)無功補(bǔ)償裝置的設(shè)計(jì)
5.1KYSVC高壓靜止型動態(tài)無功補(bǔ)償裝置的設(shè)計(jì)原則
1）KYSVC高壓靜止型動態(tài)無功補(bǔ)償裝置在濾除系統(tǒng)諧波的同時(shí)具有無功功率補(bǔ)償?shù)淖饔茫?span lang="EN-US">
2）KYSVC高壓靜止型動態(tài)無功補(bǔ)償裝置投入后保證PCC點(diǎn)的各項(xiàng)諧波指標(biāo)滿足國家標(biāo)準(zhǔn)關(guān)于諧波限值的要求；
3）考核點(diǎn)月平均功率因數(shù)滿足平均功率因數(shù)≥0.95；
4）仿真計(jì)算KYSVC高壓靜止型動態(tài)無功補(bǔ)償裝置投入后不與系統(tǒng)發(fā)生并聯(lián)諧振，即在各種運(yùn)行方式下諧振點(diǎn)不在主要次諧波頻率下；
5）對濾波器過電流、過電壓**性能進(jìn)行校核；
6）以經(jīng)濟(jì)的投資來實(shí)現(xiàn)本項(xiàng)目KYSVC高壓靜止型動態(tài)無功補(bǔ)償裝置的技術(shù)、**指標(biāo)；
7）SVC濾波器的分組充分考慮負(fù)荷變動、而PCC點(diǎn)處又不允許無功倒送時(shí)能方便的切除部分濾波補(bǔ)償支路，同時(shí)保證各項(xiàng)諧波指標(biāo)不超出規(guī)定的要求。
5.2KYSVC高壓靜止型動態(tài)無功補(bǔ)償裝置的配置
KYSVC高壓靜止型動態(tài)無功補(bǔ)償裝置主要由濾波電容器、濾波電抗器、控制器及保護(hù)裝置、投切濾波器的開關(guān)組成。針對系統(tǒng)的諧波情況分別做四條無源濾波器，濾除系統(tǒng)中2次、3次、4次、5次諧波。
5.3濾波及補(bǔ)償裝置大輸出的基波無功功率：10622MVAR
5.4動態(tài)響應(yīng)時(shí)間《100MS
5.5KYSVC高壓靜止型動態(tài)無功補(bǔ)償裝置的技術(shù)參數(shù)
A）根據(jù)諧波電流仿真計(jì)算濾波器的安裝容量：15600KVAR
B）基波容量：10622KVAR
C）系統(tǒng)電壓：10KV
5.6KYSVC高壓靜止型動態(tài)無功補(bǔ)償裝置參數(shù)確定
5.6.1根據(jù)各次諧波發(fā)生量的情況以及無功需求，經(jīng)過計(jì)算機(jī)專用程序的優(yōu)化仿真設(shè)計(jì)，確定濾波器組的支路設(shè)置及容量分配見下表五
表5濾波支路的配置及容量分配
| 序號 | 調(diào)諧次數(shù) | 濾波器類型 | 安裝容量KVAR | 基波容量KVAR |
| 1 | 2 | 單調(diào)諧 | 3600 | 2176 |
| 2 | 3 | 單調(diào)諧 | 4200 | 3084 |
| 3 | 4 | 單調(diào)諧 | 3600 | 2506 |
| 4 | 5 | 高通 | 4200 | 2856 |
| 合計(jì) | | | 15600 | 10622 |
5.6.2KYSVC高壓靜止型動態(tài)無功補(bǔ)償裝置主設(shè)備參數(shù)
表6KYSVC高壓靜止型動態(tài)無功補(bǔ)償裝置各主要元件的基本參數(shù)
| 元件 | 參數(shù) | 組別 | |
| H2 | | ||
| 濾波電容器 | 單臺容量，KVAR | 200 | |
| 臺數(shù) | 18 | | |
| 單臺額定電壓KV | 9.0 | | |
| 單臺額定電流A | 22.22 | | |
| 單臺額定電容μF | 47.157 | | |
| 絕緣水平KV | AC42／LI75 | ||
| 濾波電抗器 | 額定電感MH | 53.742 | |
| 基波電流A | 94.22 | | |
| 額定電流A | 133.3 | | |
| 基波品質(zhì)因數(shù) | 25 | | |
| 調(diào)諧頻率下品質(zhì)因數(shù) | 46.5 | | |
| 絕緣水平KV | AC42／LI75 | ||
| 繞組結(jié)構(gòu) | 干式空心，膜包鋁線 | ||
| 調(diào)節(jié)范圍 | ±5％，無級可調(diào) | ||
6.KYSVC高壓靜止型動態(tài)無功補(bǔ)償裝置投入運(yùn)行后的濾波效果
6.1諧波電壓
KYSVC高壓靜止型動態(tài)無功補(bǔ)償裝置投入前后，PCC點(diǎn)母線的電壓畸變率以及各支路電容器的諧波電壓見下表。
表7KYSVC高壓靜止型動態(tài)無功補(bǔ)償裝置投入前后PCC點(diǎn)諧波電壓變化
| 諧波 次數(shù) | 各支路電容器諧波電壓，V | 小運(yùn)行方式下PCC點(diǎn)電壓畸變率，％ | ||||
| H2 | H3 | H4 | H5 | 未投入濾波器 | 投入濾波器 | |
| 1 | 7698 | 6495 | 6158 | 6014 | — | — |
| 2 | 778 | 30 | 22 | 20 | 0.416 | 0.145 |
| 3 | 14 | 875 | 39 | 27 | 0.92 | 0.093 |
| 4 | 2 | 9 | 406 | 19 | 0.595 | 0.047 |
| 5 | 2 | 5 | 17 | 507 | 1.377 | 0.086 |
| 合計(jì) | 8494 | 7414 | 6642 | 6587 | 2.046 | 0.442 |
諧波電壓畸變率滿足PCC點(diǎn)電壓畸變率的要求。
6.2諧波電流計(jì)算結(jié)果
| 諧波 次數(shù) | 流入各濾波支路的諧波電流，A | 小運(yùn)行方式下注入10KV點(diǎn)諧波電流，A | ||||
| H2 | H3 | H4 | H5 | 未投入濾波器 | 投入濾波器 | |
| 2 | 47.2 | 1.49 | 0.95 | 0.99 | 50.5 | 23.06 |
| 3 | 0.6 | 65.39 | 2.51 | 2.0 | 72.2 | 32.7 |
| 4 | 0.13 | 0.86 | 34.65 | 1.86 | 36 | 9.6 |
| 5 | 0.13 | 0.68 | 1.85 | 63.09 | 65 | 11 |
| 7 | 1.15 | 4.2 | 5.51 | 20.2 | 29 | 11 |
| 合計(jì) | 49.21 | 72.62 | 45.47 | 88.14 | 252.7 | 87.36 |
表8小運(yùn)行方式下流入系統(tǒng)及各濾波支路的諧波電流
諧波電流滿足國家標(biāo)準(zhǔn)GB／T1459－93的要求
6.3平均功率因數(shù)要求
KYSVC高壓靜止型動態(tài)無功補(bǔ)償裝置投入運(yùn)行后10KV母線的月平均功率因數(shù)：COSφ＝0.97，不過補(bǔ)。
6.4電壓閃變達(dá)到國家標(biāo)準(zhǔn)GB12326－2000《電能質(zhì)量電壓允許波動和閃變》的要求：
10KV電壓波動：△U﹤1.25％
閃變：PST＝0.9，PLT＝0.7
110KV電壓波動：△U﹤1.0％
閃變：PST＝0.8，PLT＝0.6
6.5KYSVC高壓靜止型動態(tài)無功補(bǔ)償裝置投入運(yùn)行后，濾波效果良好，在各種運(yùn)行方式下未與系統(tǒng)發(fā)生并聯(lián)諧振。
7．結(jié)論
該電弧爐安裝KYSVC高壓靜止型動態(tài)無功補(bǔ)償裝置后，通過KYSVC高壓靜止型動態(tài)無功補(bǔ)償裝置投入前和投入后對測量結(jié)果的分析，有以下結(jié)論：
7.1KYSVC高壓靜止型動態(tài)無功補(bǔ)償裝置投入運(yùn)行后，濾波效果滿足國標(biāo)GB／T1459－93的有關(guān)規(guī)定。
7.2電壓閃變達(dá)到國家標(biāo)準(zhǔn)GB12326－2000《電能質(zhì)量電壓允許波動和閃變》的要求。
7.3測量點(diǎn)的功率因數(shù)從0.70提高到0.97，節(jié)能效果明顯。
7.4KYSVC高壓靜止型動態(tài)無功補(bǔ)償裝置運(yùn)行穩(wěn)定，滿足KYSVC高壓靜止型動態(tài)無功補(bǔ)償裝置的設(shè)計(jì)要求。
