陶 蓉，郭智文

(1.安徽冶金科技職業(yè)學(xué)院；2.中冶華天工程技術(shù)有限公司 安徽馬鞍山 243000)

某鋼廠80 T直流電弧爐由220 kV系統(tǒng)供電，主變?nèi)萘繛?20 MVA，電壓為220/33 kV，直流電弧爐整流變壓器容量為80 MVA。1999年投運(yùn)的33 kV濾波補(bǔ)償裝置作為直流電弧爐配套設(shè)備，配置為H2、H3、H4、H5、HP7和HP11六個(gè)濾波支路，自投運(yùn)以來，設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定，保障了十余年來直流電弧爐正常生產(chǎn)。但濾波補(bǔ)償裝置屬靜態(tài)補(bǔ)償類型，雖然具有設(shè)備簡(jiǎn)單、投資少的優(yōu)勢(shì)，由于自身的性能特點(diǎn)所限，在負(fù)載變化時(shí)其跟隨調(diào)節(jié)的能力較差，會(huì)出現(xiàn)輕載時(shí)濾波補(bǔ)償裝置無功倒送引起系統(tǒng)電壓過高的現(xiàn)象，會(huì)導(dǎo)致HP11支路濾波補(bǔ)償裝置過電壓跳閘，使11次及以上的諧波濾波效果和系統(tǒng)無功補(bǔ)償效果(功率因數(shù)指標(biāo))受到影響。同時(shí)，電壓波動(dòng)的電能質(zhì)量指標(biāo)不能滿足國(guó)標(biāo)的要求。隨著產(chǎn)能的增加，直流電弧爐的負(fù)荷越來越大，問題也越來越突出，甚至影響了正常的生產(chǎn)。因此，為了一并解決上列電能質(zhì)量問題，我們采用增設(shè)TCR裝置的方案，并且對(duì)原有濾波補(bǔ)償裝置進(jìn)行適當(dāng)?shù)母脑?，滿足了生產(chǎn)的需要。

1 直流電弧爐冶煉時(shí)存在的電能質(zhì)量問題

電弧爐生產(chǎn)時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量沖擊負(fù)荷，其沖擊負(fù)荷中具有有功分量和無功分量。無功沖擊負(fù)荷會(huì)產(chǎn)生系統(tǒng)電壓波動(dòng)。電壓頻繁波動(dòng)，對(duì)于連接在同一網(wǎng)絡(luò)的其他用電設(shè)備是不利的。國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《電能質(zhì)量——電壓波動(dòng)和閃變》GB/T 12326-2008規(guī)定了電壓波動(dòng)的限值，電弧爐負(fù)荷引起的33 kV母線電壓波動(dòng)國(guó)標(biāo)限值為3%。

實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)顯示，該直流電弧爐和精煉爐同時(shí)冶煉時(shí)，綜合沖擊無功約為63MVAR，在33kV母線引起的電壓波動(dòng)值約為8.5%，電壓波動(dòng)將大大超過國(guó)標(biāo)限值，對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生不良影響。

電弧爐在生產(chǎn)時(shí)，尤其是在電弧爐熔化期，電流變化劇烈，且三相電流不平衡，含有大量高次諧波電流。

根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，電弧爐和精煉爐同時(shí)冶煉時(shí)，產(chǎn)生的諧波造成33 kV母線電壓畸變率為15.36%，大大超過國(guó)家技術(shù)監(jiān)督局發(fā)布的《電能質(zhì)量 公用電網(wǎng)諧波》GB/T14549-93國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定3%的限值，各次諧波電流均超出國(guó)標(biāo)允許值。如果超標(biāo)的諧波全部注入電網(wǎng)，將會(huì)嚴(yán)重污染電網(wǎng)，形成公害，影響電氣設(shè)備安全運(yùn)行。為此，直流電弧爐配套了33 kV濾波補(bǔ)償裝置，有效地抑制了諧波對(duì)供電系統(tǒng)的危害。

2 直流電弧爐配套33kV濾波補(bǔ)償裝置改造為動(dòng)補(bǔ)方案

目前直流電弧爐系統(tǒng)存在的主要問題是電弧爐冶煉間隙時(shí)濾波補(bǔ)償裝置無功倒送引起系統(tǒng)電壓過高，造成HP11濾波補(bǔ)償裝置無法完全投入，導(dǎo)致11次及以上的諧波濾波效果降低。為此，對(duì)33 kV濾波補(bǔ)償裝置進(jìn)行改造，增設(shè)TCR裝置構(gòu)成SVC系統(tǒng)以抑制電壓波動(dòng)，并且對(duì)原有濾波補(bǔ)償裝置支路配置進(jìn)行調(diào)整，適應(yīng)動(dòng)補(bǔ)容量要求，提高功率因數(shù)。

2.1 TCR裝置容量的確定

圖1為冶煉負(fù)荷較大時(shí)實(shí)測(cè)的無功變化曲線，其中的最大無功(RMS)Qmax=75.91 MVAR是瞬時(shí)出現(xiàn)的尖峰值，不應(yīng)作為設(shè)計(jì)依據(jù)。考慮較大的冶煉負(fù)荷，取曲線中的較大值Q=63 MVAR作為設(shè)計(jì)依據(jù)。

圖1 直流電弧爐的無功功變化曲線

33 kV母線處允許的無功變化(33 kV系統(tǒng)短路容量為734 MVA)：

Qa=d%×SKmin33=0.03×734=22.02 MVAR

(1)

抑制33 kV母線處電壓波動(dòng)所需的無功容量：

Qb=ΣΔQmax-Qa=63-22.02=40.98 MVAR

(2)

考慮到TCR裝置的調(diào)節(jié)裕量，最終確定TCR裝置的容量為45 MVAR。

2.2 濾波器的配置

在滿足功率因數(shù)補(bǔ)償和電壓畸變率及流入系統(tǒng)各次諧波電流允許值在國(guó)標(biāo)限值以內(nèi)的前提下，濾波器的配置根據(jù)諧波發(fā)生量的次數(shù)和大小來決定，并且要避免產(chǎn)生并聯(lián)電流諧振，并保證濾波器的安全運(yùn)行。

根據(jù)上述分析的電弧爐和精煉爐同時(shí)冶煉時(shí)33 kV母線諧波發(fā)生量結(jié)果，同時(shí)考慮增設(shè)TCR裝置后，其運(yùn)行時(shí)也會(huì)產(chǎn)生一定的諧波，經(jīng)仿真計(jì)算，確定33kV濾波補(bǔ)償裝置在原有基礎(chǔ)上安裝容量增加到60.3 MVAR，有效容性基波補(bǔ)償容量約為45 MVAR，與TCR裝置感性容量平衡，濾波支路配置仍為H2、H3、H4、H5、HP7和HP11，具體支路配置(包含與原有配置對(duì)照)見表1：

由于TCR裝置是晶閘管控制的相控電抗器，在運(yùn)行時(shí)會(huì)發(fā)出諧波，當(dāng)同一段母線上存在多處諧波源(直流電弧爐和精煉爐以及TCR裝置)時(shí)，諧波電流合成總量必須進(jìn)行迭加計(jì)算。按國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《電能質(zhì)量 公共電網(wǎng)諧波》GB/T 14549-93中的計(jì)算方法，動(dòng)補(bǔ)TCR裝置投運(yùn)后，電弧爐和精煉爐同時(shí)冶煉時(shí)，在33 kV母線的綜合諧波發(fā)生量主要分布如表2所示：

表1 33kV濾波補(bǔ)償裝置配置

表2 33 kV母線綜合諧波發(fā)生量

可以看出，3和5次諧波電流增加較大，為了滿足諧波的濾波效果和無功補(bǔ)償效果，增加了H3和H5濾波支路的容量。同時(shí)，11次及以上的特征諧波發(fā)生量較大，且原有濾波補(bǔ)償裝置的濾波效果欠佳，因此將HP11濾波支路的容量增加到5200 kVAR/相。

2.3 改造效果

(1)諧波濾波

濾波補(bǔ)償裝置投運(yùn)后，最大負(fù)荷時(shí)的系統(tǒng)頻率阻抗曲線如圖2：

改造后的33kV動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償裝置在投運(yùn)前、后濾波效果見表3：

從仿真計(jì)算結(jié)果可以看出，33kV的諧波電壓畸變率為2.67%，低于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)3%的限值，濾波效果令人滿意。

圖2 濾波補(bǔ)償裝置頻率阻抗曲線

表3 33kV動(dòng)補(bǔ)裝置濾波效果

(2)電壓波動(dòng)

設(shè)計(jì)采用的冶煉時(shí)綜合沖擊無功約為63MVAR，仿真計(jì)算得出的濾波補(bǔ)償器基波有效容性無功輸出約45MVAR，可計(jì)算動(dòng)補(bǔ)裝置投運(yùn)后的電壓波動(dòng)為：

由上述計(jì)算可知，電壓波動(dòng)滿足國(guó)標(biāo)的要求。

(3)功率因數(shù)

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)測(cè)記錄，杭鋼直流電弧爐和精煉爐同時(shí)冶煉時(shí)，有功功率約63 MW，無功功率約57 MVAR，動(dòng)補(bǔ)裝置投運(yùn)后可輸出無功約45 MVAR，通過動(dòng)補(bǔ)裝置的無功調(diào)節(jié)，33 kV母線的功率因數(shù)可保證在0.98左右。

3 結(jié)論

直流電爐33動(dòng)補(bǔ)系統(tǒng)為節(jié)省投資，改造最大限度利用了原有設(shè)備，降低了施工難度，縮短了停產(chǎn)時(shí)間。33kV動(dòng)補(bǔ)系統(tǒng)投運(yùn)后解決了電爐冶煉時(shí)產(chǎn)生的電能質(zhì)量問題，滿足電爐冶煉的工藝要求。33kV動(dòng)補(bǔ)系統(tǒng)性能良好，實(shí)際設(shè)備投運(yùn)以后，與設(shè)計(jì)計(jì)算結(jié)果一致，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，為鋼廠帶來了可觀的經(jīng)濟(jì)效益。

參考文獻(xiàn)

[1] 編寫組.鋼鐵企業(yè)電力設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].北京：冶金工業(yè)出版社，1996

[2] 王兆安，等.諧波抑制和無功功率補(bǔ)償(第2版)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2005