交流电弧炉供电系统电能质量分析

【摘  要】本文首先分析了交流电弧炉系统谐波产生的原因、危害以及冲击负荷产生的原因和危害，并针对该系统产生的谐波、冲击负荷进行了理论计算和分析。通过仿真计算获取最佳的谐波治理和无功补偿的基础数据，并提出了谐波治理和无功补偿的最佳解决方案，为类似供电系统谐波治理和无功补偿探索出一条成功之路。

【关键词】无功补偿;谐波;电压波动;闪变

第一章、交流电弧炉负荷特点概述

1.1、交流电弧炉（EAF）工作特点

交流电弧炉冶炼初期（起弧、穿孔、到塌料阶段）变化剧烈，此时功率因数很低，约为0.2左右，负荷波动约为1.5～3倍电炉变压器的额定容量（决定于系统和电炉的有关参数）。快速的无功波动导致电压波动及闪变。交流电弧炉作为非线性负荷，在运行中将产生主要为2～7次的谐波电流。由于交流电弧炉是不对称负荷，将产生很大的负序电流，造成三相不平衡。

1.2、交流电弧炉（EAF）主要影响和危害

1）交流电弧炉生产过程中造成的影响

交流电弧炉的快速无功冲击引起母线电压波动剧烈，大大降低了电炉弧的炼钢效率。严重时影响自动化装置的正常工作，闪变对人眼造成刺激，增加疲劳。

大量无功使系统功率因数降低，浪费大量能源。

2）交流电弧炉的谐波电流产生的危害

谐波对旋转电机及变压器的主要影响是产生附加损耗，其次产生机械振动，噪声和谐波过电压。

谐波对继电保护自动装置等也将产生不良影响，同时对通信产生干扰。

第二章、典型工程案例

（1）電炉变压器技术参数

额定功率：140MVA

一次侧电压：35kV

二次侧电压：600～1180V

二次侧电压级数：17

基准二次侧电压：1000V

短路电压：8%～10%

（2）供电变压器技术参数

型式：三相有载调压变压器

容量：180MVA

额定电压：220±8×1.25%/37±2×2.5%

阻抗电压：Uk（1-2）=14%

接线组别：YN，yn0，d11

第三章、治理方案设计

根据现场参数可以看出，主要冲击性负荷集中供电与35kV侧，因此35kV侧谐波含量较大，电压波动严重，存在负序电流、闪变等严重的电能质量问题。

3.1、治理方案

通过计算机仿真和实际计算可以看出，交流电弧炉对供电系统造成的电能质量问题，尤其是熔炼过程中电流大、功率因数低，使电网产生很大的电压波动，使企业的电费支出增加，使输变电设备和输电线路上的损耗增大，因此必须进行治理。通过采用静止型动态无功补偿装置（SVC），可以很好的解决上述三个问题。

3.2.1、SVC的控制原理

（1）可调电抗器补偿无功

假设负荷消耗感性无功（一般工业用户都是如此）QL，负荷的最大感性无功为Qlmax，则若取QC=Qlmax，即系统先将负荷的最大感性无功用电容补偿。

当负荷变化时，电容与负载共同产生一个容性无功冲击，QP=QC-QL，这时，用一个可调电抗（电感）来产生相对应的感性无功QB，抵消容性无功冲击，这样在负荷波动过程中，就可以保证：QS=QC-QB-QL=0

（2）可调相控电抗器（TCR）产生连续变化感性无功的基本原理

U为交流电压，Th1、Th2为两个反并联晶闸管，控制这两个晶闸管在一定范围内导通，则可控制电抗器流过的电流i。

为Th1和Th2的触发角，则有

i的基波有效值为：

V：相电压有效值

ωL：电抗器的基波电抗

因此，可以通过控制电抗器L上串联的两只反并联晶闸管的触发角来控制电抗器吸收的无功功率的值。

3.2.2、治理方案设计

SVC投运前电弧炉正常生产造成的电能质量对220kV侧（PCC点）的影响进行仿真，电炉正常生产情况下（长期过载20%）造成的PCC点最大无功冲击为176.79Mvar。根据计算机仿真设计在35kV母线装设1套SVC补偿容量为180Mvar，其中TCR额定输出容量为190Mvar，FC基波补偿容量为180Mvar;

3.2.3、设计原则及参数设计

（1）滤波器发出的无功应满足补偿功率因数、抑制电压波动及闪变的要求;

（2）选取的滤波电容器的额定电压应保证滤波器的安全可靠运行;应考虑以下因素：

a）母线电压水平;

b）串联电抗器后电容器两端电压升高;

c）谐波电流通过电容器引起的谐波电压;

d）电网电压波动引起电压升高;

（3）滤波器的分组应满足滤除谐波电流的要求;

（4）滤波器设计时应进行充分的计算机仿真计算及数据库选优，经多个方案比较，选择最佳方案;

（5）对选定的滤波器应进行滤波器各种运行方式下的计算机仿真，避免与系统发生谐振;

（6）对滤波器的安全运行应进行仔细校验。

根据以上滤波器设计原则，谐波电流分析，经上机多个方案仿真计算比较择优，滤波器设H2、H3、H4、H5次共4组滤波通道。总基波补偿容量约180Mvar。

结 论

通过该供电系统装设TCR型高压静止型动态无功补偿装置（SVC）后，将交流电弧炉供电系统的功率因数提高到了0.95以上，系统的电压稳定，谐波引起的电缆发热等问题得到有效解决，从而增加了变压器和输、配电线路的有效容量，提高了設备的运行可靠性，减少了设备维护周期和运行成本，减少了功率因数调整电费的支出，具有良好的技术经济效益，值得大力推广应用。

参考文献：

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作者简介：

金博（1984—），男，汉族，辽宁鞍山，工程师，工学学士，研究方向：电力系统无功补偿与谐波治理。

（作者单位：辽宁荣信兴业电力技术有限公司）