电弧炉供电系统的冲击负荷和电压闪变现象浅析

何美生

摘 要 电弧炉的供配电系统主要就是利用动态无功补偿的方法来抑制电弧炉负荷引起的供电系统电压波动和闪变。实际上是有效控制无功。采用电弧炉的无功补偿装置可以实时跟随电弧炉无功变化并提供其所需要的无功功率，因此动态无功补偿装置对电弧炉负荷进行补偿，抑制供电系统的冲击负荷和电压闪变。

关键词 电弧炉；供电系统；配电系统；分析

电力电子技术工业是当今经济技术发展的重要基础性产业之一，在很大程度上反映了世界工业经济发展的快慢和人们现代化生活水平的高低程度。如今，社会进步和经济发展以及电力电子市场的发展，第一，促进了大区电网之间的互联，因为电网之间通过互联后形成越来越大的电力系统，但是电力系统与电网结构的逐步扩大，使电力系统的是否可靠运行对于社会生活、生产等各个方面都会带来很大的影响，因此确保电力系统的安全稳定运行是非常重要。第二，从20世纪90年代开始，全球先后发生了很多大规模的电网崩溃停电事故，这些事故大部分是在大型互联电网内发生的。然而这些事故基本上是因为一个小故障导致大面积电网故障或者崩溃；因此造成了很大的经济损失。所以保障电力系统能够安全、稳定运行确实是一个困难且艰巨的任务[1]。

但是随着现代工业技术与智能电子信息技术的快速发展，各种冲击负荷对电网的供电质量影响很大。比如说电网中的无功功率急剧快速变化和波动将导致电网电压波动、闪变；有功功率波动、冲击将使得发电机组转子发生扭振；而谐波将会影响电网中的变压器和电容器组及智能设备等。

那些在运行时无功和有功会发生急剧变化就是所说的冲击负荷，这样会对电网会产生很大冲击的负荷，钢铁公司的电弧炉就是最典型的代表。现代工业炼钢的主要设备是电弧炉，交流电弧炉就是采用电源是三相交流电供电，而直流电弧炉则采用的是直流电源供电。相对交流电源来说直流电弧炉对钢铁公司供电系统的危害还是较小，但是直流电源供电成本较高，在实际生产中使用也很少。交流电弧炉虽然严重危害电网安全，但是广泛存在，各国每年因电能质量相关的电力系统故障引发的大小事故很多，带来了很大的经济损失甚至人员伤亡。而电能质量问题中表现得最为严重的是电压波动及闪变，根据统计，由此引发的事故占到了电力事故总数的80%以上。所以说，电网极其危险的公害就是闪变，对许多用户用电的可靠性造成威胁。

电弧炉在运行过程中因为电弧电流急剧变化，从而引发强烈的无功冲击最终导致电压快速波动，波动频率一般在0.1～30Hz之间。因为电压波动而引起的白炽灯照度不稳定，造成人眼视感反应，使人感觉不舒服、出现烦躁情绪等，这种现象叫作闪变，电压闪变是由电压快速波动导致的不良后果之一，这是一种电磁现象。强烈的闪变导致其他设备工作不正常；其他电子设备误动作严重造成损坏；使设备利用的有用功率减少，对电弧炉来说就影响冶炼质量及效益。

然而电弧炉在熔化是产生电弧截断和短路现象，致使其他各项电流不平衡和電压闪变，造成功率因数低下等，产生2、3、4、5、7高次谐波，致使电能质量变差。 电弧炉在工作中的电流含有快速、不规则变化的无功功率以及高次谐波，造成电压、电流冲激现象。致使供电电压、电流波形畸变，使线损和用电设备的损耗增加了，电能质量下降。由电压、电流冲激引起的设备事逐渐增加[2]。

因为电弧炉炼钢的时候，常常处在起弧、灭弧状态，这时候功率因数较低，但是电流却很大，所以造成电能的很大损耗，同时还极大的冲击电网，造成电网电压马上下降，同时产生的极强高次谐波会严重污染电网，造成电网上其他设备尤其是用电子元器件（含计算机）控制的设备不能正常运行。

交流电弧炉在运行的时候会造成电压波动，同时还会产生各次谐波电流，对电弧炉的效率造成影响，造成其他用电设备因发热不能正常运行，而交流电弧炉产生各次谐波电流的原因主要有：

（1）电弧炉在熔化期间因为各种原因使电弧电阻成非线性，使电弧电流容易产生畸变；

（2）因为物质本身的性质造成了物质发射电子的能力各不一样，交流电源在正半周及负半周交替工作时，电极、炉料就交替作为发射电子的一方，因此造成了电弧电流正半周及负半周的波形就不对称，这样就产生了偶次谐波电流；

（3）因为材料和供电质量等其他原因造成电弧三相不平衡，就会出现三次谐波电流；

（4）其他和电弧炉连接在同一供电系统上的设备会产生谐波电流。

根据对电弧炉的测试数据，其谐波电流含有量如下表所示：

谐波电流含有量：（In/I1）

谐波次数 2 3 4 5 6 7

理论计算 0.20 0.11 0.08 0.08 0.06 0.05

电弧炉在运行过程中，出现较多的谐波，针对电弧炉的测试及计算结果可以看出，特征谐波主要以2次为最大，3次，4次，5次谐波电流大，电压电流畸变严重。

如果要有效治理电弧炉对电网的诸多危害，那么治理方法主要有二种，改进炼钢工艺技术和改进供电设备

首先，把电空芯抗器串联在电弧炉变压器高压侧部，同时增加其他相关设备，在熔化期将其他辅助燃料喷吹到炉内，这种方法可以降低电压波动的闪变程度，靠近原来的1/2；

其次，因为直流电弧炉对供电系统的影响较小，可以把交流电弧炉改造成直流电弧炉，这样也可以降低电压波动及闪变程度到原来的1/2左右。

再次，加入无功补偿装置。

电弧炉工作特性决定了它会对供电系统造成很大的冲击，从而引起电网中的无功急剧波动，造成一系列电能质量问题。减少其对供电系统的损害可以加入无功补偿装置，改善电能质量，这样还能提高电弧炉的工作效率和降低损耗，确保质量[3]。

电弧炉的供配电系统和其他工业负荷系统中所需要研究解决的问题就是利用动态无功补偿的方法来抑制电弧炉负荷引起的供电系统电压波动及闪变。而抑制电压波动和闪变的关键在于有效控制无功，向电网准确快速地提供负载所需的无功。因为电弧炉的无功是随机动态变化的，所以电弧炉的无功补偿装置应具有实时跟随电弧炉无功变化的同时能够实时提供其所需要的无功的能力，因此必须采用动态无功补偿装置对电弧炉负荷进行补偿才能达到预期的目的。

参考文献

[1] 石先红.电弧炉供配电方式的改进[J].轨道交通装备与技术，2004， （2）：7-11.

[2] 张锐.浅谈SVC在企业电弧炉供配电系统中的应用[J].山西科技， 2013，28（1）：59-61.

[3] 李冬冬.试析工厂供配电系统的方案比选[J].科学技术创新，2012， （7）：64-64.