電弧爐煉鋼供電系統的無功動態補償

摘要：介紹了冶金企業中煉鋼電弧爐用靜止無功動態補償裝置的方案選擇、工作原理、電路結構及補償容量的計算方法，并給出了計算實例。關鍵詞：電弧爐；晶閘管；無功功率；諧波濾波器；電壓波動

1引言

在電力系統中，供電的質量指標、電網運行的安全可靠性和經濟性是最根本的問題。快速合理地調節電網無功功率，對交流電網的穩定和系統電壓的調節、合理分配潮流及限制電網過電壓方面有著十分重要的意義。特別是當鄰近交流系統發生故障時，如不迅速補償大幅度波動的無功功率，就會導致系統失控。近年來，隨著冶金、電氣化鐵道的飛速發展，諸如具有沖擊性負荷的電弧煉鋼爐、軋鋼機等不斷投入電網，導致電網功率因數下降、波形畸變、電壓波動、諧波干擾等公害。因此各工業發達國家都加強了對靜止無功動態補償裝置的研究，以取代響應速度慢、調節性能差、損耗大、維護不便的同步調相機。 目前，在電力系統中，靜止無功補償（StaticVarCompensation，簡稱SVC），主要用于穩定電網電壓，通常是按對稱三相形式來進行調節的。而在工業應用中，SVC裝置主要用于緩沖沖擊性負荷及恢復電力網絡的平衡[1]。

2冶金企業中靜止無功動態補償裝置

容量的選擇

在冶金企業中，煉鋼電弧爐具有非常滯后的功率因數和變化頻繁的不平衡負荷。無功電流波動幅度大和不穩定造成了系統中電壓的波動，若生活用電也接在同一電網上，系統電壓波動將會造成燈光閃爍并對電視機和其它用電設備產生干擾。

造成電弧電流隨機波動的主要因素有：

1）金屬熔液和爐渣的流動。

2）弧隙電離程度的變化。

3）電極的顫動。

4）在電磁力作用下電弧路徑的變動等。

弧長的不規則變化，引起電網電壓相應的波動。當斷弧時，取自電網的有效功率等于零；而當電極同爐料短路時，爐子主電路消耗的無功功率最大。在熔化期，由于每相電弧長度的變化在時間上不一致，所以造成三相負荷不對稱。此外，電弧本身弧壓與弧流的非線性也將產生出高次諧波電流，返回到電網中去，導致電網電壓波形畸變、中性點位移。而電弧爐采用靜止無功補償裝置就能克服上述問題，因為它能隨時提供電弧爐所需的瞬變無功功率，從而穩定其供電

系統。另外它給煉鋼工業本身也帶來了很大的效益，因為，供電電壓的穩定使電爐變壓器得到最有效的利用，并能提供穩定的熔化功率；消除無功電流的流動，可降低線路和變電所變壓器的損耗。系統功率因數也會得到顯著的改善。這些效益既減少電弧爐煉鋼設備的投資，也減少了它的運行費用。

關于電力系統的靜補裝置已有很多文獻進行了論述，但是電弧爐用靜補裝置的文章卻很少見到。下面專門討論電弧爐用靜補裝置及其容量的選擇方法。

電壓波動(Δu)的原因是由于無功功率的變化(ΔQ)。即[1]Δu=×100％（1）

式中：SDR——供電系統短路容量。

由此看來，利用無功發生裝置，就可補償電網電壓波動。由于晶閘管維護容易、可靠性高，并可以連續平滑調節，所以無功補償裝置的最佳方案是利用晶閘管控制電抗器電流，它與補償電容器并聯。圖1示出靜補裝置系統原理圖和無功功率變化示意圖。其工作原理是將電弧爐隨時變化的無功功率信號檢出，用來控制電抗器的無功功率，使

QF＋QL=常數（2）

式中：QF為電弧爐發生的無功功率；

QL為晶閘管控制電抗器的無功功率。

另外由于補償電容器的無功功率QC=QF＋QL，所以整個靜補裝置取自電網的總無功功率QΣ維持不變，并力圖使之趨近于零，即

QΣ=QF＋QL－QC=0（3）

總的無功功率維持不變，并且補償后，趨近于零，則電壓波動也趨近于零了。補償電容器實際上被分成三、五、七次和高通濾波器。

毋庸置疑，正確地選擇靜補裝置的容量，能減輕電弧爐電氣設備（電爐變壓器、高壓斷路器、電力電容器等）的負擔；能提高爐襯和電極的使用壽命，并可使前級供電變壓器的容量減少約20％，因此可以說，靜補裝置不僅能頗有成效地改善供電質量，而且還能提高冶金企業的技術經濟指標。

為了正確地選擇靜補裝置的容量，必須具體地分析電弧爐供電線路和擬定靜補裝置的技術條件。這些條件是

1）靜補裝置保證電爐供電母線上的電能質量達到國家電熱規范所規定的質量指標。

2）靜補裝置保證電爐供電母線上的功率因數平均值達到供電系統或國家電熱規范所規定的數值。

下面討論如圖2所示的煉鋼電弧爐的典型供電線路，這是二組供電線路，每組由二臺大型電弧爐組成，各組之間通過聯絡開關K1接通。當K1斷開時，電爐變壓器連接處（B點）的短路容量SB為SB=（4）

式中：SA為A點供電系統的短路容量；

ST為供電變壓器額定容量；

eK為供電變壓器短路電壓。