钢厂供电系统电压波动及谐波问题研究

王鹏

摘 要：当前，钢厂供电系统最大的问题是电压波动、过电压、谐波问题。基于此，本文首先分析钢铁企业负载的特点，然后分析钢铁企业电力系统普遍存在的问题，并提出解决方法，最后探讨钢厂的谐波分析及解决办法。

关键词：供配电系统;电压波动;谐波

中图分类号：TM744.1;TM727.3文献标识码：A 文章编号：1003-5168（2021）05-0130-02

Abstract： At present， the biggest problems of power supply system in steel plant are voltage fluctuation， over-voltage and harmonic. Based on this， this paper first analyzed the characteristics of the load of steel enterprises， then analyzed the problems existing in the power system of steel enterprises， and put forward solutions. Finally， the harmonic analysis and solutions of steel plants were discussed.

Keywords： power supply and distribution system;voltage fluctuation;harmonic

1 钢铁企业负载的特点

钢铁企业负载种类繁多，包括一类、二类、三类负载，也包括平稳、冲击、整流、变频负载。钢厂的负荷性质和特点是由钢厂的工艺特点决定的。

1.1 冲击负载多

钢铁企业主要的冲击负载有冶炼设备，如电弧炉、精炼炉、电渣炉、自耗炉、中频炉、矿热炉;加工设备，如棒线材轧机、开坯机、粗轧机、连轧机组;板带轧机，如管材轧机、穿孔机、轧管机、张力减径机组;大电机启动，电动机不是冲击性负载，但电动机在启动时是有冲击的，如炼铁鼓风机、氧气透平压缩机、煤气站增压机、水泵站电动机、电炉除尘电动机等[1]。

韶钢炼钢工序最大有功功率为38.059 MW，最大无功功率为40.344 Mvar，不冶炼时有功功率、无功功率基本为0。

1.2 谐波较大、功率因数较低的负载多

钢厂使用数量较多的电弧炉、轧机等。大容量的可逆开坯机如果是直流电动机拖动，最低的功率因数只有0.2，最高也就达到0.74，功率因数低时，谐波也很大。采用交-交变频的交流主传动轧机的功率因数也较低。采用交-直-交变频的交流主传动轧机的功率因数较高，一般为0.88～0.9。中频炉一般采用交-直-交变频器，功率因数较高，高压侧一般在0.9左右，但谐波很大，而且非特征谐波含量较高，也有间谐波，非常难治理。总之，电弧炉和轧机都是谐波较大、功率因数低的负载[2]。

1.3 装置容量大、计算负荷大、平均负荷相对较低

钢厂电气设备的安装容量很大，计算负荷也不小，但平均负荷较低。一个安装容量为20万kW的钢厂，平均负荷不到4万kW。这主要是由于设备的负载率低。电弧炉是间歇负载，轧机也是。横列式轧机比较突出，大剪、飞剪的负载率低，一般在0.2～0.7。钢厂负载率较高的设备大多在动力系统，如氧气站、空压站、水泵站、煤气站。

2 钢铁企业电力系统普遍存在的问题及解决方法

电压变动、电压波动大、电压闪变大、电压偏移大、电压骤降主要是由冲击负载和间歇断续负载造成的。电压波动一般在2%～10%，高的可达15%，超出电压波动范围。

2.1 电炉冲击性负荷产生电压波动

电压波动主要由无功冲击引起，有功负载冲击很小，一般只占5%，因此想要解决电压波动问题，必须补充冲击无功。电炉等负载所需的无功是由电源提供的，因此在线路、变壓器上产生较大的压降，引起电压波动。

解决办法：在设计前期尽量考虑周全，采用废钢预热工艺，并用液压剪将废钢剪碎，选择合适的极心圆，选择短路容量大的电源供电，采用直流电弧炉，选择性能优良的电极自动调节装置，串联适当的电抗器，采取安装动态无功补偿装置的方法对电压波动进行补偿等。

2.2 产生轧钢冲击性负荷

粗轧机产生的轧钢冲击性负荷最为严重，最低的功率因数只有0.2，因此基本上全是无功冲击。轧机咬钢时冲击最大，过钢时次之。

解决办法：前期设计时尽量采用短路容量大的电源供电，例如，选用35 kV电压供电，同时，安装动态无功补偿装置对电压波动进行补偿。

2.3 大电机起动产生电压降落

550 kW以上的电动机直接启动将引起较大的电压降落。

解决办法：通过在定子绕组电路中串联电阻启动，在电气回路加装自耦变压器、变频器启动，或者通过改变电机定子绕组接线方法，以减少电压降落。

3 钢厂的谐波分析及解决办法

3.1 谐波分析

3.1.1 电弧炉非线性负荷产生特征谐波和非特征谐波及间谐波。电弧炉的谐波是由于电弧的非线性特性产生的，主要以低次谐波为主，如2次、3次、4次、5次，另外还有间谐波。

3.1.2 整流设备、变频器设备产生的谐波。钢厂产生谐波的设备有轧机主传动的直流整流器、直流自耗炉的变流器、中频炉的中频变频器、飞剪、拉矫机等直流或交流传动设备。轧钢整流器的谐波一般是以6脉动、12脉动、24脉动主接线产生的谐波为主，主要以5次、7次、11次、13次、23次、25次为主，个别的也有37次以上的谐波，还有少量的3次谐波。

直流整流设备的谐波一般是特征谐波，6脉动整流器是5次和7次谐波含量高;12脉动整流器是11次和13次谐波含量高;24脉动整流器是23次和25次谐波含量高。但实际上，其都有非特征谐波，有的还有间谐波。高次谐波增加系统和设备的损耗，可能会产生谐振电压，继电保护误动，电机发热，干扰控制设备使其不能正常工作。

3.2 解决办法

解决钢厂谐波问题最直接的方法是加装滤波器和动态无功补偿，其中滤波器分无源滤波器和有源滤波器两种。

无源滤波器的主要功能是滤波，同时也能补偿功率因数。无源滤波器是利用电感和电容串联谐振原理对高次谐波进行滤波的[3]。

最常见的无源滤波器有两种：一种是单调谐滤波器，由电感和电容组成;另一种是高通滤波器，由电感、电容和电阻组成。单调谐滤波器的优点是滤波效果好，结构简单;缺点是通频带狭窄，对周围频次谐波的滤除作用较小。高通滤波器（宽频带滤波器）一般用于某次及以上次的谐波抑制。例如，13次高通滤波器，通过电感、电容和电阻参数的调整，可以形成该滤波器回路对13次及以上次谐波的低阻抗通路。此外，还有一种C型滤波器不常用，一般用于电弧炉滤波器上，属于电弧炉专用滤波器，用于滤除2次谐波[4]。

有源滤波器是利用可关断电力电子器件，产生与负荷电流中谐波分量大小相等、相位相反的电流来抵消谐波的滤波装置[5]。有源滤波器的优点是可以动态滤波，滤掉频率和大小都变化的谐波;在动态滤波的同时，可以提高功率因数;不存在谐振的风险;损耗比传统的无源滤波器小[6]。

钢厂常用的动态无功补偿装置主要有动态无功补偿SVC（TCR+FC）、SVG（SVG+FC）和MCR（MCR+FC）三種。其中，MCR（MCR+FC）基本已经不用了，主要原因是MCR响应速度慢，对补偿电压波动、电压闪变、三相不平衡基本不起作用。因此，钢厂在谐波方面主要采用动态无功补偿SVC（TCR+FC）和SVG（SVG+FC）两种。

4 结论

通过合适的方法对供配电系统中的电压波动及谐波进行控制及治理，也能为生产提供连续、稳定、可靠、优质的电能，对生产起到保驾护航的作用。

参考文献：

[1]苑舜.高压开关设备状态监测与诊断技术[M].北京：机械工业出版社，2001：12.

[2]上海电力公司.变电运行操作技能必读[M].北京：中国电力出版社，2001：52.

[3]孙卓新，朱永强，李传栋，等.基于灵敏度综合分析的含光伏配电网无功补偿位置选择[J].陕西电力，2013（12）：20-23.

[4]谢亦丰，卓放.STATCOM的厂用节能型调试方法[J].陕西电力，2013（11）：1-4，31.

[5]范雪峰，张中丹，杨昌海，等.大型风电基地动态无功补偿对风电外送动态稳定性的提升作用研究[J].电网与清洁能源，2013（10）：66-73.

[6]石进辉，郑伟，拜润卿.联合动态无功补偿系统在风电场中的应用研究[J].电网与清洁能源，2013（5）：97-101.