基于磁阀式电抗器的电弧炉节能及电能质量改善装置应用研究

陈妍妍

（广西梧州市自动化技术研究开发院，广西 梧州 543002）

1 背景

钢铁企业大量使用炼钢电弧炉，近年来，全球的废钢越来越多，炼钢电弧炉的应用也会越来越广泛。电弧炉是典型的耗（电）能装置，目前，电弧炉的吨钢耗电量为450～550 kW·h/t，节能潜力巨大。电弧炉的平均自然功率因数为0.8左右，大量的无功功率在线路中流动，不仅造成线路有功损耗，而且降低供电电压，使得电弧炉得不到充分的电能，延长冶炼时间，降低生产效率。

炼钢电弧炉在炉料的熔化初期（起弧、穿孔到塌料阶段），由于电极频繁与废钢接触，炉子会频繁发生工作短路，电弧长度不断地波动，电弧电流的大小也随之反复不规则地波动，从而引起电网剧烈的电压波动与闪变，危及其他电气设备的正常运行，而且对电网供电质量带来严重危害。电弧炉在运行过程中产生大量的谐波电流，造成电网的附加损耗。国家有关标准对电网电压闪变，设备的谐波电流有严格的限制。目前，改善炼钢电弧炉引起的谐波电流、电压波动与闪变的主要措施有：①采用基于相控电抗器（TCR）的并联动态无功补偿装置，以动态补偿电弧炉产生的无功电流，减小闪变，滤除谐波电流。但基于相控电抗器的并联动态无功补偿装置由于技术原因，不能真正做到实时、准确地快速跟踪补偿，因此，抑制电网电压闪变的效果十分有限，改善率仅为25%左右，即有75%的电压闪变得不到抑制，国家标准仍难满足。另外，相控电抗器动态无功补偿装置可靠性差，维护困难，占地面积大。②采用SVG的动态无功补偿装置。虽然SVG响应速度快，但由于技术原因，仍然不能准确跟踪电弧炉快速突变的无功电流，因此，抑制电压闪变的效果亦受到限制。此外，SVG装置可靠性差，价格昂贵。③为了减少短路电流，改善电压波动，有利于冶炼，在电弧炉变压器前串联电抗器，以减少短路容量，但由于响应速度跟不上电弧炉随机的短路电流变化，限制闪变的效果有限。电弧炉变压器前串联电抗器将导致炉子效率、功率因数、有功功率以及炉子作业率的下降，对于冶炼而言弊端较大。综上所述，目前，尚无解决电弧炉电压闪变问题的理想装置。

2 主要解决技术

本项目将研制一种创新的炼钢电弧炉节能、电压闪变抑制、谐波消除和提高功率因数的综合解决方案及装置。该装置由串联型磁阀式可控电抗器、并联型磁阀可控电抗器和LC滤波及无功补偿三部分组成，如图1所示。

具体研究内容包括：①具有恒流特性的电弧炉节能特性；②串联磁阀电抗器对抑制电弧炉电压闪变的作用及机理；③串联磁阀电抗器的电磁参数选择、设计和制造工艺；④串、并联磁阀电抗器综合控制策略。本项目的关键技术在于串联磁阀电抗器参数的优化设计，制造工艺，从而使得装置可靠性高、稳流效果好、损耗低、节能效果好。

串联磁阀电抗器的工作原理为：串联1个磁阀电抗器直流控制的可调串联电抗器，其基本结构原理如图2所示，它由2个铁心组成，每个铁心上有1个交流线圈绕组和1个直流偏置绕组，其中，一个铁心上的交流绕组和直流绕组绕向相同，另一个铁心上的则相反，两个交流绕组串接后串接在高压供电线路中，为增加闪变抑制效果，在直流回路中串联一个空心限流电抗器。

正常运行时，直流绕组产生一个很强的直流磁场，使铁芯深度饱和，如图3所示，铁芯工作在磁静态工作点H0处。磁阀电抗器流过的额定交流电流，通过交流绕组所产生的交流磁场不足以使铁芯退出饱和，铁芯内磁感应强度变化量很小，几乎可以认为不变，相应地，穿过交流绕组的磁通量也不变，因此，交流绕组两端的感应电动势几乎为0.在直流回路中，两线圈绕向相反，感应出来的电压相互抵消，直流回路中流过恒定的直流，闪变抑制器X0相当于短路，电压降很小。电弧炉在冶炼过程中，如果电极发生短路，则较大的短路电流流过交流绕组，使得两个铁芯正负半周交替退出饱和区，如图4所示，磁阀电抗器呈现出很大的阻抗，从而限制短路电流，使得回路电流具有恒流特性。

由于串联磁阀电抗器具有自然的限流特性，响应速度无延迟（与氧化锌避雷器限制过电压的响应速度相同，无任何延迟），且无需控制，因此，限制电压闪变的效果十分优良，可将闪变率限制到原来的25%以下，彻底解决电压闪变问题。除此之外，由于串联磁阀电抗器具有恒流特性，可以使电弧炉中电极电弧稳定，可望缩短冶炼时间，节约电能20%左右。

3 主要风险分析及对策

磁阀式可控电抗器已在很多项目中实施，可有效抑制谐波污染、提高功率因数、减少网路上的有功损耗，同时，也取得了很好的经济效益。在此基础上，将磁阀式可控电抗器与电弧炉串、并联，就更能稳定电弧炉电流，提高功率因数，降低谐波电流，可以从根本上消除电弧炉对供电质量的影响，最大程度地降低电弧炉的电能消耗。加上对电弧炉整个生产各阶段的建模和仿真分析，研究完成磁控电抗器与电弧炉供电系统线路串联时的稳态、动态特性及节能机理；研究完成磁控并联电抗器与LC滤波器、具有串联磁控电抗器的电弧炉联合稳态和动态特性，会使风险减到最低。

4 实际应用情况

2012-01，根据某钢厂3号电弧炉参数进行样机设计、制造，并安装于现场运行调试。该装置安装使用后，经过实际使用和检测证明，其运行达到了设计的预期效果，并解决了采用大容量磁阀式可控电抗器抑制工业冲击负荷所带来的电压波动问题，同时，提高了变电站的功率因数，降低了损耗，供电电网电能质量满足有关国家标准。

5 达到的技术性能指标

提出在电弧炉中使用串联磁阀电抗器以稳定电弧、稳定供电电流，从而达到节能和抑制电压闪变的目的。同时，配合采用基于并联磁阀可控电抗器的滤波和动态无功补偿装置，使得整个系统电压闪变指标、谐波含量满足国家标准，功率因数达到0.95以上，进一步实现节能目标；电弧炉节能达到20%，生产效率提高20%；电弧炉电网电压闪变、谐波含量达到国家标准，功率因数达到0.95以上。

6 项目的作用意义

钢铁企业大量使用炼钢电弧炉，随着时间的增加，全球的废钢将越来越多，炼钢电弧炉的应用也会越来越广泛。电弧炉是典型的耗（电）能装置，其平均自然功率因数为0.8左右，运行中产生电压波动与闪变，谐波电流，对炼钢过程和电网产生不利影响。我们在某钢厂实际应用情况说明，应用基于磁阀式电抗器的电弧炉节能及电能质量改善装置，是解决电弧炉电压波动与闪变和抑制谐波电流的理想装置，可提高电弧炉工作效率、可靠性、节能，减少对电网影响。

［1］余梦泽，陈柏超，田翠华，等.采用磁控电抗器的静止型高压动态无功补偿装置［J］.高电压技术，2009，35（07）：1770-1775.

［2］陈绪轩，田翠华，陈柏超，等.多级饱和磁阀式可控电抗器谐波分析数学模型［J］.电工技术学报，2011，26（03）：57-64.