雷 瑋

(昆明有色冶金設(shè)計(jì)研究院股份公司，云南昆明650051)

高鈦渣直流電弧爐無功補(bǔ)償裝置

雷 瑋

(昆明有色冶金設(shè)計(jì)研究院股份公司，云南昆明650051)

通過分析云南新立有色金屬有限公司80 kt/a高鈦渣工程大功率直流電弧爐產(chǎn)生大量的諧波和沖擊負(fù)荷對電網(wǎng)的危害性，闡述了靜止型動態(tài)無功補(bǔ)償裝置的工作原理及在該工程項(xiàng)目中的應(yīng)用。

高鈦渣;大功率直流電弧爐;諧波;沖擊負(fù)荷;無功補(bǔ)償

0 引言

高鈦渣電爐熔煉工藝具有工藝成熟，生產(chǎn)流程短，設(shè)備處理能力大，不產(chǎn)生固體和液體廢物，廢氣易處理和綜合利用，副產(chǎn)品生鐵可直接用于煉鋼等優(yōu)點(diǎn)。電爐的型式有半密閉交流電弧爐、全密閉交流電弧爐和全密閉直流電弧爐。通過比較，全密閉交、直流電弧爐較半密閉交流電弧爐指標(biāo)要好;全密閉交流與全密閉直流電弧爐相比，技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)相差無幾，但全密閉直流電弧爐還原直接電耗及電極消耗較低，自然功率因數(shù)較高，并具有較低的閃爍效應(yīng)和噪聲，其閃爍效應(yīng)只有交流電弧爐的50% ～70%，埋弧操作的噪聲比交流電弧爐低200 db以上。

云南新立有色金屬有限公司武定鈦業(yè)分公司80 kt/a高鈦渣工程，引進(jìn)南非Bateman公司先進(jìn)的生產(chǎn)工藝技術(shù)，采用德國Demag公司30 MW全密閉大功率直流電弧爐1臺，達(dá)到高鈦渣(氯化渣)80.634 kt/a，副產(chǎn)品生鐵70.330 kt/a和高鈦渣(酸溶渣)20 kt/a的建設(shè)規(guī)模。改善了目前國內(nèi)高鈦渣生產(chǎn)工藝技術(shù)及設(shè)備落后、生產(chǎn)規(guī)模小的現(xiàn)狀，提升高鈦渣產(chǎn)業(yè)整體水平。

1 直流電弧爐電源及其不良影響

直流電弧爐20世紀(jì)70年代末80年代初發(fā)展起來的新技術(shù)。由于大功率可控硅技術(shù)的迅速發(fā)展，為大功率直流電弧爐配套用可控硅整流電源成套設(shè)備創(chuàng)造了條件。近10年來，隨著直流電弧爐結(jié)構(gòu)的發(fā)展，熔煉工藝提高，使大功率直流電弧爐被世界各國大力推廣，逐漸成為電弧爐熔煉的節(jié)能型設(shè)備。

1.1 直流電弧爐電源

直流電弧爐電源由整流變壓器、可控硅整流器及其控制系統(tǒng)、直流電抗器和其它輔助設(shè)備構(gòu)成。該工程全套引進(jìn)ABB公司產(chǎn)品。

(1)整流變壓器

整流變壓器引進(jìn)德國ABB公司產(chǎn)品，容量2×22 MVA。變壓器一次電壓110 kV，29級有載調(diào)壓。二次側(cè)最大電壓727 V，最小電壓394 V，變壓器短路阻抗8.5%(在最高分接點(diǎn))，過載能力10%(每天1次，持續(xù)時間1h)。

(2)可控硅整流器

可控硅整流器引進(jìn)瑞士ABB公司產(chǎn)品。整流器共2套，直流電壓800 V，每套直流電流80 kA，橋式接線，每套6脈波，2套整流器通過整流變壓器移相，構(gòu)成等效12脈波整流。整流器由ABB配套的AC 800PEC型控制柜控制。

(3)直流電抗器

直流電抗器為瑞士ABB公司產(chǎn)品，雙電抗器設(shè)計(jì)在2套裝置間，使用了磁耦合效應(yīng)，減小了機(jī)械尺寸和電損耗，可降低電壓波動，減小工藝過程對電弧的干擾。

電抗器電流2×40 kA，額定電抗800 mH，材質(zhì)為鋁，去離子水冷卻，電損耗約 1100kW(在50℃)。

(4)大電流直流隔離開關(guān)

大電流直流隔離開關(guān)ABB配套選用法國Ferraz公司產(chǎn)品，2臺40 kA開關(guān)用于爐底正母線，1臺80 kA開關(guān)用于爐頂負(fù)母線。直流工作電壓等級1 500 V，額定電流時的壓降40 mV。

(5)大電流母線

大電流母線包括交流低壓母線和直流母線。交流低壓母線采用帶軟連接的鋁母線，用于連接整流變壓器與整流器。直流母線為水冷鋁母線。母線截面16 000 mm2，理論電流密度2.5 A/mm2。

1.2 直流電弧爐主要影響及危害

直流電弧爐運(yùn)行過程中，會產(chǎn)生大量的諧波和沖擊負(fù)荷。其主要危害為:

(1)諧波電流產(chǎn)生的危害

1)對旋轉(zhuǎn)電機(jī)的主要影響是產(chǎn)生附加損耗機(jī)械振動、噪聲和諧波過電壓。

2)對供電變壓器的影響主要是產(chǎn)生附加損耗、溫升增加、出力下降、影響絕緣壽命。

3)對電纜及并聯(lián)電容器的影響，當(dāng)產(chǎn)生諧波放大時，并聯(lián)電容器將因過電流及過電壓而損壞，嚴(yán)重時將危及整個供電系統(tǒng)的安全運(yùn)行。

4)對通信產(chǎn)生干擾，使電度計(jì)量產(chǎn)生誤差。

5)對繼電保護(hù)自動裝置和計(jì)算機(jī)等也將產(chǎn)生不良影響。

(2)無功沖擊產(chǎn)生的不良影響

1)使供電母線的電壓產(chǎn)生波動，降低了機(jī)電設(shè)備的運(yùn)行效率，供電母線電壓產(chǎn)生波動時，將使用戶的異步電機(jī)負(fù)荷轉(zhuǎn)矩隨之變化，輸入負(fù)荷的有功功率下降，影響生產(chǎn)和設(shè)備的出力。特別是電爐的輸出功率與電壓平方成正比，當(dāng)電壓降低時，大大降低了電爐的熔煉效率，延長了熔煉時間，生產(chǎn)效率下降的同時增加熔煉成本。

2)快速無功沖擊引起母線電壓波動劇烈，嚴(yán)重時影響自動化裝置的正常工作，閃變對人眼造成刺激，增加疲勞。

3)大量無功使系統(tǒng)功率因數(shù)降低，浪費(fèi)大量能源。

直流電弧爐產(chǎn)生的大量諧波電流、無功沖擊導(dǎo)致的電壓波動及閃變，嚴(yán)重影響用戶本身及電網(wǎng)用電設(shè)備的安全運(yùn)行，降低了供電電網(wǎng)的電能質(zhì)量，必須按電能質(zhì)量有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，采取綜合治理措施。

2 電爐的濾波和補(bǔ)償

2.1 諧波分析

根據(jù)國標(biāo)《GB 14549－93電能質(zhì)量公用電網(wǎng)諧波》對公用電網(wǎng)PCC點(diǎn)的諧波要求，并根據(jù)滇東電業(yè)局提供的PCC點(diǎn)的最小短路容量為850 MVA，供電容量180 MVA，該項(xiàng)目協(xié)議容量56.5 MVA以及ABB公司提供的諧波量，計(jì)算結(jié)果如表1。

從表1可以看出，諧波超標(biāo)的主要是11、13次，其他 8、9、10、12、14、15、16、18、23、25 次諧波也有不同程度的超標(biāo)。

2.2 電壓波動分析

根據(jù)國標(biāo)《GB 12326－2000電能質(zhì)量電壓波動和閃變》對公用電網(wǎng)PCC點(diǎn)對電壓波動和閃變的要求，并根據(jù)滇東電業(yè)局提供的PCC點(diǎn)的電網(wǎng)參數(shù)及本廠協(xié)議容量計(jì)算，本廠的無功沖擊允許值為12.75 MVA，短時閃變限值為0.544，0.408。

根據(jù) ABB公司提供的資料，最大無功42 Mvar，額定無功 17.14 Mvar，無功沖擊量 24.86 Mvar，電壓波動值達(dá)到了2.92%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了規(guī)范要求的1.5%的要求。

表1 諧波超標(biāo)參數(shù)表Tab.1 Parameter of Harmonic Over－Standard

從以上分析可以看出，由于直流電爐引起的諧波和電壓波動均超出了國家規(guī)范的要求，必須采取治理措施。設(shè)置濾波器和靜止型動態(tài)無功補(bǔ)償裝置。

2.3 靜止型動態(tài)無功補(bǔ)償裝置

靜止型動態(tài)無功補(bǔ)償裝置，簡稱靜止補(bǔ)償器(英文縮寫為SVC)是一種可以控制的無功功率補(bǔ)償裝置。通常由并聯(lián)電容器組(或?yàn)V波器)和一個可調(diào)節(jié)電感量的電感元件組成。SVC與一般并聯(lián)電容器補(bǔ)償裝置的區(qū)別是能夠跟蹤電網(wǎng)或負(fù)荷的波動無功，進(jìn)行隨機(jī)性適時補(bǔ)償，從而維持電壓穩(wěn)定。

SVC裝置主要分為:晶閘管控制電抗器(TCR)、晶閘管投切電容器(TSC)以及混合式(TCR+TSC)等類型。SVC的補(bǔ)償原理就是通過控制晶閘管觸發(fā)角，改變接入系統(tǒng)中的SVC等效電納的大小，使SVC達(dá)到調(diào)節(jié)輸出無功功率的目的。在目前的工程實(shí)際應(yīng)用中，晶閘管控制電抗器+濾波器組(TCR+FC)構(gòu)成的無功補(bǔ)償裝置占據(jù)了大多數(shù)。因?yàn)門CR+FC可以進(jìn)行連續(xù)無功功率的控制，三相平衡能力和改善閃變能力更好，有限制過電壓的能力，無功調(diào)節(jié)容量大，在功率因素較低、負(fù)荷波動特別快的無功補(bǔ)償場合具有很高的應(yīng)用價值，而且能得到較好的補(bǔ)償效果。

根據(jù)ABB公司提供的諧波參數(shù)及電力系統(tǒng)參數(shù)，經(jīng)仿真計(jì)算，該工程配置1套35 kV靜止型動態(tài)無功補(bǔ)償裝置(SVC)和1套110 kV高壓靜補(bǔ)裝置(FC)，用于對系統(tǒng)進(jìn)行無功補(bǔ)償，平衡電壓和消除諧波。

(1)電氣主結(jié)線

1)SVC裝置連接在變壓器35 kV側(cè)母線上，TCR單獨(dú)采用1臺斷路器供電;H3、H5、H7共用1臺斷路器供電，進(jìn)線端加裝隔離開關(guān)。TCR為三角形接線，容量為36 Mvar;H3、H5、H7濾波器均為雙星型接線，總安裝容量為25.68 Mvar。如圖1所示。

2)110 kV母線上設(shè)置1套 FC裝置，H6.5、H8、H10、H114個濾波補(bǔ)償通道，進(jìn)線側(cè)加裝隔離開關(guān)。濾波補(bǔ)償器均為星型接線，總安裝容量為28.08 Mvar。由于TCR回路不能做到110 kV電壓，因此設(shè)了1臺濾波變壓器，將TCR回路降壓到35 kV電壓調(diào)節(jié)。所以共有5個110 kV支路。如圖2所示。

圖1 SVC電氣主結(jié)線圖Fig.1 Main Wiring Diagram for SVC Electrical

圖2 FC電氣主結(jié)線圖Fig.2 Main Wiring Diagram for FC Electrical

(2)主要電氣設(shè)備

1)35 kV SVC:35 kV晶閘管閥組3組、35 kV相控電抗器3臺、35 kV濾波電抗器9臺、35 kV電容器組3組、35 kV電流互感器12臺、35 kV隔離開關(guān)3臺、35 kV氧化鋅避雷器9支、電阻器6臺、SVC控制柜和脈沖柜各1面、微機(jī)保護(hù)柜2面、高壓開關(guān)柜3面。

2)110 kV FC:110 kV濾波電抗器12臺、110 kV電容器組4組、110 kV電流互感器8臺、110 kV隔離開關(guān)5臺、110 kV氧化鋅避雷器3支、110 kV變壓器1臺。

(3)保護(hù)配置

1)35 kV SVC:1QF、2QF回路保護(hù)型號PMC6510:設(shè)速斷、過流保護(hù);測控裝置型號:PMC530A;濾 波支 路 H3、H5、H7保 護(hù)型號PMC6510:設(shè)速斷、過流、過壓、低壓、不平衡電流保護(hù)。

2)110 kV FC:濾波通道 H6.5、H8、H10、H11保護(hù)采用SEL－351A。

3)主變差動保護(hù)采用SEL－587;后備保護(hù)采用SEL－351A;高壓側(cè)測控裝置采用PMC570;低壓側(cè)測控采用PMC530A。

(4)監(jiān)控系統(tǒng)

SVC遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)能與站內(nèi)微機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)方控制、監(jiān)測、保護(hù)和通訊功能，能有效的及時反映并記錄整個系統(tǒng)的正常、異常及故障，協(xié)調(diào)整個系統(tǒng)中多個設(shè)備或過程的運(yùn)行，從而實(shí)現(xiàn)SVC的整體優(yōu)化。

SVC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)為3層:第1層為直接監(jiān)控級，由基于全數(shù)字控制系統(tǒng)開發(fā)的DSP控制系統(tǒng)和保護(hù)系統(tǒng)構(gòu)成，完成實(shí)時監(jiān)控任務(wù);第2層為過程優(yōu)化級，由SVC上位機(jī)組成。完成信息收集、集中顯示、集中操作、SVC各子系統(tǒng)的控制、設(shè)定和修改參數(shù)和控制過程的優(yōu)化等功能，同時還具有非實(shí)時的控制功能，減輕了直接控制級的負(fù)擔(dān)。具有良好的人機(jī)界面，可以通過計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)與生產(chǎn)管理級調(diào)度中心的通信;第3層為生產(chǎn)管理級，是1臺位于遠(yuǎn)程調(diào)度室的中央主機(jī)，為調(diào)度員提供信息，對異地SVC系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控，做到現(xiàn)場無人值守，大大降低了設(shè)備的運(yùn)行成本。

3 結(jié)語

從成本的角度來看，直流電弧爐的初期投資，由于增加可控硅整流設(shè)備及SVC補(bǔ)償裝置，比交流電弧爐高30% ～40%，但運(yùn)行時的電能消耗降低、維修費(fèi)用減少，經(jīng)1～2 a后運(yùn)行費(fèi)用的節(jié)省就可以抵付早期超額投資，長期總體的經(jīng)濟(jì)效益高。

Reactive Power Compensator for DC Arc Furnace of High－Ti Slag

LEI Wei
(Kunming Engineering ＆ Research Institute of Nonferrous Metallurgy Co.Ltd，Kunming 650051，China)

Based on analyzing disturbance of harmonics and shock loads to power system which generated by high－power DC arc furnace in Yunnan Xinli Non－Ferrous Metals Co.Ltd.80kt/a high－Ti slag project，the work principle of static－type dynamic reactive power compensator and its application were expounded.

High－Ti slag;high power DC arc furnace;harmonics;shock loads;reactive power compensation

TM924.4

A

1004－2660(2011)04－0035－05

2011－09－27.

雷瑋(1972－)，女，湖南人，高級工程師.主要研究方向:電氣儀表及控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì).