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摘要：超高功率電弧爐在正常生產(chǎn)時(shí)會(huì)對(duì)電網(wǎng)造成高次諧波、電壓閃變、電壓波動(dòng)、三相電壓及電流不平衡、功率因數(shù)低等不利影響，而且超過電能質(zhì)量各項(xiàng)指標(biāo)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。本文逐項(xiàng)進(jìn)行定性分析，并對(duì)幾種常見型式的SVC裝置作比較，無源與有源濾波的應(yīng)用和技術(shù)發(fā)展作了闡述，以形成一個(gè)完整的概念和防護(hù)方法。 
　　現(xiàn)代煉鋼電弧爐的基本功能是將盡可能多的電功率輸入到熔池內(nèi)，以獲得高的生產(chǎn)率和低的物料、能量消耗以及好的環(huán)保指標(biāo)。煉鋼電弧爐按其噸鋼平均變壓器額定容量,或單位爐膛面積平均變壓器額定容量分為普通功率(RP)、高功率(HP)和超高功率(UHP)三種。超高功率電弧爐概念自70年代提出，目標(biāo)在于極大地提高電弧爐煉鋼的生產(chǎn)率和降低成本，開創(chuàng)了電弧爐煉鋼技術(shù)發(fā)展新紀(jì)元。但由于生產(chǎn)時(shí)對(duì)電網(wǎng)影響與干擾是多方面的，實(shí)踐中也發(fā)現(xiàn)了涉及到電能質(zhì)量的所有方面。由于超高功率電弧爐的變壓器功率水平高，變壓器容量高達(dá)數(shù)十兆伏安，在煉鋼過程中對(duì)電網(wǎng)造成嚴(yán)重的沖擊和干擾，這些“公害”必須加以控制和治理。 
1　對(duì)電網(wǎng)的干擾 
1.1　功率因數(shù)低 
　　電弧爐從電網(wǎng)獲得電能，其中一部分轉(zhuǎn)化為有用的熱能，而另一部分則為無功能量。為了使電弧能穩(wěn)定燃燒，電弧爐的功率因數(shù)不能取得太高。因電弧爐負(fù)載是高感性的，電弧爐的接入使供電電網(wǎng)的功率因數(shù)惡化。超高功率電弧爐運(yùn)行在熔化期時(shí)，功率因數(shù)甚至低到0.1，這樣引起母線電壓嚴(yán)重降低。電壓降低又相應(yīng)降低電弧爐的有功功率，使熔化期延長(zhǎng)，生產(chǎn)率下降。 
1.2　電壓閃爍和波動(dòng) 
　　超高功率電弧爐是供電電網(wǎng)的很大的負(fù)載，而且在運(yùn)行中經(jīng)常產(chǎn)生突然的、強(qiáng)烈的電壓沖擊，導(dǎo)致電網(wǎng)電壓的快速波動(dòng)，頻率為0.1～30Hz。頻率在1～10Hz之間的電壓波動(dòng)會(huì)引起照明白熾燈和電視畫面的閃爍，使人們感到煩躁，這類干擾稱之為“閃爍”或“閃變”。強(qiáng)烈的閃爍會(huì)造成電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)不穩(wěn)定，電子裝置誤動(dòng)作甚至損壞，也會(huì)使電網(wǎng)供電的用戶(包括電弧爐本身)的實(shí)際功率減少，閃爍是對(duì)電網(wǎng)的一種公害。 
對(duì)于實(shí)際的、有限容量的電網(wǎng)，電弧爐負(fù)載引起的電網(wǎng)電壓波動(dòng)百分?jǐn)?shù)為 
ΔU％=ΔQ/Sk×100％　　 　(1) 
　　式中　ΔQ——無功功率的沖擊量，Mvar; 
Sk——本電弧爐供電母線最小短路容量，MVA。 
　　考慮到電弧爐的正常運(yùn)行狀態(tài)與短路狀態(tài)之間的無功功率變動(dòng)大致與爐子變壓器的額定容量相當(dāng)，即ΔQmax≈SF，故可以用下式來估算電網(wǎng)上最大波動(dòng)百分?jǐn)?shù) 
ΔUmax％=SF/Sk×100％　 　　(2) 
　　國(guó)標(biāo)《電能質(zhì)量·電壓允許波動(dòng)和閃變》(GB12326—2000)規(guī)定了電力系統(tǒng)公共連接點(diǎn)的電壓波動(dòng)和閃變電壓允許值。超高功率電弧爐在其運(yùn)行過程中產(chǎn)生的波動(dòng)和閃變往往都超過這個(gè)規(guī)定值，必須加以抑制。 
1.3　三相電壓與電流不對(duì)稱 
　　引起電網(wǎng)供電質(zhì)量變差的另一個(gè)重要問題是電弧爐三相負(fù)載不對(duì)稱引起的電網(wǎng)三相電壓及三相電流的不對(duì)稱。其后果是相關(guān)電網(wǎng)的所有用戶(包括電弧爐)的經(jīng)濟(jì)性和生產(chǎn)率降低。分析表明，在公共連接處電網(wǎng)短路容量Sk比電弧爐變壓器額定容量SF高50倍以上時(shí)，電弧爐三相負(fù)載不對(duì)稱所造成的電網(wǎng)電壓的不對(duì)稱性未超過國(guó)標(biāo)《電能質(zhì)量·三相電壓允許不平衡度》(GB/T15543—1995)中規(guī)定的允許值。 
　　當(dāng)前電弧爐大型化、更超高功率化，結(jié)果供電電網(wǎng)的容量往往只有電弧爐變壓器容量的20～40倍或更低，故必須采用補(bǔ)償。 
1.4　高次諧波 
　　交流電弧爐在煉鋼過程中其電流會(huì)產(chǎn)生非正弦畸變和各次諧波，對(duì)電網(wǎng)造成干擾。其主要原因有： 
(1)電弧的電阻值不恒定，并且在交流電弧的半個(gè)周期中電弧電阻也在變動(dòng)，這造成電弧電流的非正弦畸變。 
(2)交流電的正負(fù)半周換相，石墨電極和鋼交替作陰極和陽(yáng)極，因不同材料的發(fā)射電子能力不一樣，故使電流的正負(fù)兩個(gè)半周的波形不對(duì)稱，造成偶次諧波。 
(3)三相電弧不均衡，導(dǎo)致三次諧波。 
(4)供電系統(tǒng)連接的各種諧波源導(dǎo)致各種諧波的形成，如靜補(bǔ)裝置中的整流器等。 
　　電弧爐的諧波電流成份主要為2～7次，其中2、3次最大，其平均值可達(dá)基波分量的5％～10％，諧波電流流入電網(wǎng)，使電壓波形發(fā)生畸變，引起電氣設(shè)備發(fā)熱、振動(dòng)以及保護(hù)誤動(dòng)作等。國(guó)標(biāo)《電能質(zhì)量·公用電網(wǎng)諧波》(GB/T14549—93)對(duì)綜合電壓畸變率、諧波電流注入量均作了具體規(guī)定，為抑制電弧爐產(chǎn)生的諧波提供了依據(jù)和標(biāo)準(zhǔn)。

2　抑制電弧爐對(duì)電網(wǎng)和自身影響的途徑 
　　抑制超高功率電弧爐干擾的途徑總的來講有二：一是提高供電電源的電壓等級(jí)，以提高與電網(wǎng)公共連接點(diǎn)的短路容量，使其對(duì)電網(wǎng)和自身的影響在允許范圍內(nèi)；二是采用SVC裝置，使其多項(xiàng)指標(biāo)限制在允許范圍內(nèi)。兩種途徑相比，途徑一是治標(biāo)的方法，因?yàn)殡姞t對(duì)電網(wǎng)和自身影響的各種量值并未消除，而是送到更高電壓級(jí)的電網(wǎng)去擴(kuò)散，隨著電爐不斷建設(shè)發(fā)展，這些量值在電網(wǎng)中增加積累，泛濫成災(zāi)，將會(huì)形成電網(wǎng)所不能接受的程度，而增加了對(duì)廣大用戶的影響，因此，使用范圍越來越小。途徑二是治本的辦法，它使電爐對(duì)電網(wǎng)和自身影響的各種量值大部分就地消除了，故其使用范圍越來越大，前途廣闊。  

 
2.1　SVC裝置 
　　近些年來發(fā)展起來的SVC裝置是一種快速調(diào)節(jié)無功功率的裝置，已成功地用于電力、冶金、采礦和電氣化鐵道等沖擊性負(fù)荷的補(bǔ)償上，它可使所需無功功率作隨機(jī)調(diào)整，從而保持在電弧爐等沖擊性負(fù)荷連接點(diǎn)的系統(tǒng)水平的恒定 
Qi=QD＋QL－QC　　　 (3) 
　　式(3)中Qi、QD、QL、QC分別為系統(tǒng)公共連接點(diǎn)的無功功率、負(fù)荷所需的無功功率、可調(diào)(可控)電抗器吸收的無功功率、電容器補(bǔ)償裝置發(fā)出的無功功率，單位均為kvar。 
　　當(dāng)負(fù)荷產(chǎn)生沖擊無功ΔQD時(shí)，將引起 
ΔQi=ΔQD＋ΔQL－ΔQC　　 　(4) 
　　式中ΔQC=0，欲保持Qi不變，即ΔQi=0，則ΔQD=－ΔQL，即SVC裝置中感性無功功率隨沖擊負(fù)荷無功功率作隨機(jī)調(diào)整，此時(shí)電壓水平能保持恒定不變。
SVC由可控支路和固定(或可變)電容器支路并聯(lián)而成，主要有四種型式。 
(1)可控硅閥控制空芯電抗器型(稱TCR型)　它用可控硅閥控制線性電抗器實(shí)現(xiàn)快速連續(xù)的無功功率調(diào)節(jié)，它具有反應(yīng)時(shí)間快(5～20ms)、運(yùn)行可靠、無級(jí)補(bǔ)償、分相調(diào)節(jié)、能平衡有功、適用范圍廣、價(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn)。TCR裝置還能實(shí)現(xiàn)分相控制，有較好的抑制不對(duì)稱負(fù)荷的能力，因而在電弧爐系統(tǒng)中采用最廣泛，但這種裝置采用了先進(jìn)的電子和光導(dǎo)纖維技術(shù)，對(duì)維護(hù)人員要專門培訓(xùn)提高維護(hù)水平。 
(2)可控硅閥控制高阻抗變壓器型(TCT型)　優(yōu)點(diǎn)與TCR型差不多，但高阻抗變壓器制造復(fù)雜，諧波分量也略大一些。由于有油，要求一級(jí)放火，只宜布置在一層平面或戶外，容量在30Mvar以上時(shí)價(jià)格較貴，而不能得到廣泛采用。 
(3)可控硅開關(guān)控制電容器型(TSC型)　分相調(diào)節(jié)，直接補(bǔ)償，裝置本身不產(chǎn)生諧波，損耗小，但是它是有級(jí)調(diào)節(jié)，綜合價(jià)格比較高。 
(4)自飽和電抗器型(SSR型)　維護(hù)較簡(jiǎn)單，運(yùn)行可靠，過載能力強(qiáng)，響應(yīng)速度快，降低閃變效果好，但其噪聲大，原材料消耗大，補(bǔ)償不對(duì)稱電爐負(fù)荷自身產(chǎn)生較大諧波電流，無平衡有功負(fù)荷能力。 
2.2　無源濾波裝置 
　　該裝置由電容器、電抗器，有時(shí)還包括電阻器等無源元件組成，以對(duì)某次諧波或以上次諧波形成低阻抗通路，以達(dá)到抑制高次諧波的作用。由于SVC的調(diào)節(jié)范圍要由感性區(qū)擴(kuò)大到容性區(qū)，所以濾波器與動(dòng)態(tài)控制的電抗器一起并聯(lián)，這樣既滿足無功補(bǔ)償、改善功率因數(shù)，又能消除高次諧波的影響。 
　　國(guó)際上用于大型煉鋼電弧爐的濾波器種類有：各階次單調(diào)諧濾波器、雙調(diào)諧濾波器、二階寬頻帶與三階寬頻帶高通濾波器等。 
(1)單調(diào)諧濾波器　一階單調(diào)諧濾波器的優(yōu)點(diǎn)是濾波效果好，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，缺點(diǎn)是電能損耗比較大，但隨著品質(zhì)因數(shù)的提高而減少，同時(shí)又隨諧波次數(shù)的減少而增加，而電爐正好是低次諧波，主要是2～7次，因此，基波損耗較大。二階單調(diào)諧濾波器當(dāng)品質(zhì)因數(shù)在50以下時(shí)，基波損耗可減少20％～50％，屬節(jié)能型，濾波效果等效。三階單調(diào)諧濾波器是損耗最小的濾波器，但組成復(fù)雜些，投資也高些，用于電弧爐系統(tǒng)中，2次濾波器選用三階濾波器為好，其他次選用二階單調(diào)諧濾波器。 
(2)高通(寬頻帶)濾波器　一般用于某次及以上次的諧波抑制。當(dāng)在電弧爐系統(tǒng)中采用時(shí)，對(duì)5次以上起濾波作用時(shí)，通過參數(shù)調(diào)整，可形成該濾波器回路對(duì)5次及以上次諧波形成低阻抗通路。 
　　用于大型電爐的濾波器組合最基本的有兩類：一是用3～5組單調(diào)諧濾波器組成，二是由2～4組單調(diào)諧濾波器和一組二階寬頻帶濾波器組成。第一類組合對(duì)高次諧波濾波效果要差一些，但電能損耗低些；第二類組合對(duì)高次數(shù)濾波效果好，分工也明確，設(shè)計(jì)也簡(jiǎn)單容易些。兩者組合各有優(yōu)缺點(diǎn)，總的發(fā)展趨勢(shì)是在濾波效果好的前提下減少組數(shù)，以節(jié)省占地和投資，又要盡可能優(yōu)化組合以節(jié)省電能損耗。