炼钢LF炉SVC装置异常运行及对策

沈军

（首钢京唐钢铁联合有限责任公司，河北唐山063200）

炼钢LF炉SVC装置异常运行及对策

沈军

（首钢京唐钢铁联合有限责任公司，河北唐山063200）

某炼钢厂LF炉所用的SVC装置发生PT高压保险熔断、避雷器频频动作、电缆头放炮等异常运行情况。对这一现象进行了深入分析，认为是由于FC滤波支路失谐度过大造成的，并提出了相应的对策和建议，以保证SVC装置的安全可靠性。

SVC；单调谐滤波器；失谐度；谐波

1 引言

电弧炉以其灵活性、可靠性、冶炼速度快、冶炼质量好等优势在冶金行业得到广泛应用。但电弧炉在运行时也带来了电网电压的闪变和波动、三相电流不对称、功率因数低、谐波含量超标等问题，造成电网电能质量下降，影响其他用户正常使用。动态无功补偿装置（SVC）运用现代电力电子技术，就近平衡无功、减少电压波动和吸收谐波源所产生的谐波电流，是提高功率因数和抑制谐波污染的有效措施，在冶金行业得到了大量运用。提高SVC装置的运行水平是保证电网质量的可靠手段，必须高度重视。

2 炼钢LF炉SVC装置的基本配置

图1所示是某炼钢厂LF炉配置的TCR型SVC补偿系统结构。

图1 SVC装置一次接线图

图1中TCR采用三角接法，双电抗器，中间设晶闸管阀组。FC用星型接法。由于电弧炉谐波源中2次、3次和5次谐波的含量较大，且TCR也会产生5次谐波，所以FC提供容性无功的同时兼做2次、3次和5次滤波支路。同时为防止5次滤波器放大3次谐波，必须确保在3次滤波支路投入之前2次滤波支路已经投入，在5次滤波支路投入之前3次滤波支路已经投入。

SVC系统中有2次、3次、5次三个单调谐滤波器，用于滤去某一特定次数的谐波电流。单调谐滤波器一般由C、L、R串联构成。其滤波性能取决于RLC的数值、电网及负荷谐波特性。实际运行中，电源频率偏差和滤波器LC参数变化都会引起滤波器失谐，导致滤波性能恶化甚至无法正常运行。

3 单调谐滤波器的失谐

图2为交流滤波系统的稳态电路模型。

图2 交流滤波系统的稳态电路模型

式（1）为配电系统h次谐波等值阻抗，其值与系统短路容量有关，RLC为单调谐滤波器的元件参数，谐波电流源Ih表征非线性负荷发生的h次谐波电流，符号Ish和Ifh分别表示注入电网的h次谐波电流和流入滤波器中的h次谐波电流。末装滤波器时，负荷谐波电流全部流入电网，Ish=Ih；装设单调谐滤波器后，滤波器为负荷谐波电流提供了一条旁路支路，减小了注入电网的谐波电流。以系统谐波阻抗和装设滤波器前注入电网的h次谐波电流为基准：

则装设滤波器后，谐波电流分流比就等于注入电网的谐波电流标幺值：

显然，分流比Kh越小，注入电网的谐波电流就越少，滤波器的滤波效果也就越好。上式中，上标（*）表示标幺值，Zfh为滤波器支路的h次谐波阻抗：

在理想情况下：电源阻抗恒定；电源频率恒定；滤波器RLC参数恒为标称值，则只要适当选择LC参数使得Xfh=0并满足安全运行条件，就一定可以选择一个滤波电阻R来满足供用电双方所要求的谐波分流比。实际上，电源频率会随负荷的波动而变，滤波器元件参数不仅存在制造误差，也会因环境温度变化和材料老化而变，这些实际因素使得滤波器的谐振频率偏离了h次谐波频率，导致滤波器出现失谐电抗（Xfh≠0），降低了滤波器的滤波效果。

滤波器的失谐度定义为系统谐波频率对滤波器实际谐振频率的相对偏差，用啄表示。当滤波器调谐频率设计值等于系统谐波频率标称值时，失谐度啄可表示为：

式中，啄ω、啄L、啄C分别为系统频率、滤波电感和滤波电容的相对变化量。设q表示滤波器的品质因数，则滤波器的谐波阻抗可表示为：

显然，失谐越大，滤波器的谐波阻抗越大，滤波效果越差。若定义滤波器的失谐系数DF为：

则式（5）可改写为：

当滤波器参数在预期范围内变化时，为了保证滤波器不对h次谐波发生放大，滤波器设计常采用一种偏调谐设计的策略，使滤波器的设计谐振频率略低于谐波频率。如5次单调谐滤波器的谐振频率设计在4.7次。现场调试过程中，要依据RLC回路的实测数据调整电抗器之间的距离，近而改变单调谐支路的失谐度，以达到设计值。并且要进行空载测试及各种负荷工况的测试，以期达到最佳效果。

4 实际运行情况及调整方法

某钢厂LF炉用SVC装置运行一段时间以后，频繁出现PT高压保险熔断、避雷器频率动作、电缆头放炮等异常运行情况，我们对SVC装置进行了详细检查，在判断TCR支路运行正常的情况下，怀疑是2次、3次、5次滤波支路的失谐度增大导致滤波效果变差引起的。而造成失谐度增大的原因则是电容器的电容值或电抗器的电抗值因设备老化发生了变化，进而导致单调谐回路谐振点偏移出设计范围。只有通过微调RLC回路的谐振参数，才能保证SVC系统正常运行，方法如下：

（1）对各单调谐滤波支路的电容值和电感值进行测量，并计算出实际谐振点及偏差量：

（2）依据偏差量计算出电感器的电抗补偿量。

（3）如图3所示，调整两个串联电抗器之间的距离从而改变串联电抗器之间的互感，并最终改变RLC回路中的电抗值达到减小失谐度的目的。同向串联的两个电抗器总的电感量可表示为：

式中：K为耦合因数，取值范围0≤K≤1。

图3 FC回路电抗器调整板

（4）对谐振频率重新进行测量，并进行带负荷测试以达到最佳效果。

通过这种方法的调整，SVC系统未再发生PT高压保险熔断、避雷器频率动作、电缆头放炮等异常现象，保证了LF炉的正常冶炼和供电系统的电能质量。

5 结论

SVC系统在实际现场长期运行结果表明：它有效地抑制了电弧炉运行所产生的谐波、闪变，同时大大地提高了供电系统的功率因数，电能质量得到了明显的改善。但经过一段时间的运行，由于设备老化其滤波支路的电容值及电抗值都会发生微小的变化，从而造成滤波支路出现失谐度偏离设计值的现象。应结合设备检修定期对SVC系统运行参数进行测量并进行调整，同时加强对系统过电压的监测，以保证SVC系统长期稳定可靠运行。最后，还需注意以下几点：

（1）加强对各滤波支路避雷器运行状态的监测，可更换为带放电计数器的氧化锌避雷器，并定期记录避雷器动作情况，以便及早发现问题。

（2）选择合适的PT高压保险。普通高压熔断器额定电流都为0.5 A，建议更换为1 A的高压熔断器，以提高其过电压能力。

（3）有条件的情况下，可增加零序过电压跳闸保护功能及时断开故障点，减少发生故障时系统过电压的时间。

（4）加强SVC系统的测温工作，发现温度异常及时处理并查找原因。

[1]GEORGE J W.徐政译.电力系统谐波[M].北京：机械工业出版社，2003.

[2]方忠民，赵延明.基于SVC的电弧炉谐波抑制研究[J].中国仪器仪表，2008，（1）.

[3]张宁，宋福根.单调谐滤波器设计及其在谐波治理中的研究[J].电气技术，2008，（7）.

[4]同向前.单调谐滤波器的滤波特性与短路比的关系[J].电力自动化设备，2009，（9）.

Abnormal Operation of the SVC device for LF Furnace in Steel Plant and Countermeasures

SHEN Jun
（Shougang Jingtang Steel Co.,Ltd.,Tangshan,Hebei 063200,China）

Abnormal operating conditions such as PT high voltage fuse burning out,action of lightening arrester and cable head sparking occurred in the SVC device for the LF furnace in a steel plant.Through deepened analysis it was found that the phenomenon was caused by excessive detuning in the FC filter circuit.Relevant countermeasures and suggestions were also put forward,to ensure the safety and reliability of the SVC device.

SVC;single-tuned filter;detuning;harmonics

TM714.3

B

1006-6764(2014)06-0007-03

2014－02－25

沈军（1972－），男，硕士研究生学历，高级工程师，现从事电力系统运行管理、节能节电等工作。