煉鋼電弧爐無功補償和諧波治理案例
1．概述
隨著煉鋼業和冶煉技術的發展，越來越多的電弧爐設備投入到生產當中，其容量越來越大。由於其自身的工作特性，造成了日益嚴重的諧波汙染問題，嚴重影響到了電能質量，對其諧波治理已經迫在眉睫。本文介紹了電弧爐的無功補償及諧波治理方案。研究了電弧爐係統的電氣模型、並對其產生的諧波電流進行了分析，結合實際電弧爐係統的諧波測試情況對該電弧爐係統諧波治理方案。
2．電弧爐的工作特點
電弧爐屬非線性負荷，在工作的過程中會產生高次諧波，而且電弧爐的用電量很大，電爐變壓器的容量從數兆伏安到數十兆伏安。從鋼鐵的冶煉工藝分，電弧爐的工作過程可分為三個階段：熔化期、氧化期和還原期。鋼鐵在熔化期的用電量很大，氧化期和還原期的用電量明顯降低。鋼鐵在熔化期內不僅電弧爐的用電量大，而且在這個階段由於下降電極起弧和爐料崩塌使電極接觸廢鋼而造成短路，其後快速提升電極又拉斷電弧造成斷路，短路期間內產生很大的電流，造成三相不平衡。在冶煉過程中由於電磁力和爐內氣流的作用以及鋼液和爐渣的流動，使電弧放電的路徑不斷變化和弧隙電離程度不斷變化，從而引起負荷電流變化大、變化速度快、變化頻繁而無規則。
3．用戶供電係統參數及考核指標
3.1主變壓器參數
型號：
額定容量：SE＝31.5MVA
電壓變比：110／10KV
短路阻抗百分數：UK＝10.47％
係統短路容量
110KV側：SDMAX＝870MVA
SKMIN1＝652MVA
3.210KV電弧爐的諧波發生量
表1電弧爐諧波發生量
| 諧波次數 | 2 | 3 | 4 | 5 | 7 | 11～23 |
| 諧波電流％ | 7 | 10 | 5 | 9 | 4 | |
| 諧波電流值（A） | 50.5 | 72.2 | 36.1 | 65 | 29 | |
3.3電弧爐供電係統圖
3.4考核的技術指標
3.4.1平均功率因數要求
10KV母線的月平均功率因數：COSφ≥0.95，不過補。
3.4.2閃變要求
滿足國家標準GB12326－2000《電能質量電壓允許波動和閃變》的要求：
10KV電壓波動：△U≦1.25％
閃變：PST＝0.9，PLT＝0.7
110KV電壓波動：△U≦1.0％
閃變：PST＝0.8，PLT＝0.6
3.4.3諧波電壓要求
按國標GB／T14549－93的規定，供電係統各電壓等級下允許的電壓畸變率如表二所示。
表2GB／T14549－93所規定的電壓畸變率限值
| 電網標稱電壓 KV | 電壓總諧波畸變率 ％ | 各次諧波電壓含有率，％ | |
| 奇次 | 偶次 | ||
| 10 | 4.0 | 3.2 | 1.6 |
| 110 | 2.0 | 1.6 | 0.8 |
3.4.4諧波電流要求
諧波電流允許值
按GB／T1459－93的要求，當考核點在110KV母線時，注入考核點110KV母線的各次諧波電流允許值在短路容量為870MVA時如表3。
表3短路容量為870MVA，注入110KV母線各次諧波電流允許值
次數 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13
電流（A） 13.9 11.1 6.96 11.1 4.64 7.88 3.48 3.7 2.78 4.98 2.32 4.29
次數 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25
電流（A） 1.97 2.2 1.74 3.25 1.51 2.9 1.39 1.62 1.27 2.44 1.16 2.2
表4短路容量為652MVA，注入110KV母線各次諧波電流允許值
次數 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13
電流（A） 10.4 8.3 5.21 8.3 3.47 5.9 2.6 2.77 2.08 3.73 1.73 3.2
次數 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25
電流（A） 1.47 1.64 1.3 2.43 1.13 2.17 1.04 1.21 0.95 1.82 0.87 1.64
4.基波補償容量的確定
正常運行時的自然功率因數值＝0.70
功率因數為0.70時，係統中存在的無功功率和有功功率相等，功率因數提高到0.95時，係統中存在的無功功率和有功功率的比值為1：3，則需補償的無功功率為
12.985÷3×2＝8.656MVAR
將功率因數提高到0.95以上，取10KV係統無功功率補償容量：Q＝10622KVAR
5.KYSVC高壓靜止型動態無功補償裝置的設計
5.1KYSVC高壓靜止型動態無功補償裝置的設計原則
1）KYSVC高壓靜止型動態無功補償裝置在濾除係統諧波的同時具有無功功率補償的作用；
2）KYSVC高壓靜止型動態無功補償裝置投入後保證PCC點的各項諧波指標滿足國家標準關於諧波限值的要求；
3）考核點月平均功率因數滿足平均功率因數≥0.95；
4）仿真計算KYSVC高壓靜止型動態無功補償裝置投入後不與係統發生並聯諧振，即在各種運行方式下諧振點不在主要次諧波頻率下；
5）對濾波器過電流、過電壓**性能進行校核；
6）以經濟的投資來實現本項目KYSVC高壓靜止型動態無功補償裝置的技術、**指標；
7）SVC濾波器的分組充分考慮負荷變動、而PCC點處又不允許無功倒送時能方便的切除部分濾波補償支路，同時保證各項諧波指標不超出規定的要求。
5.2KYSVC高壓靜止型動態無功補償裝置的配置
KYSVC高壓靜止型動態無功補償裝置主要由濾波電容器、濾波電抗器、控製器及保護裝置、投切濾波器的開關組成。針對係統的諧波情況分彆做四條無源濾波器，濾除係統中2次、3次、4次、5次諧波。
5.3濾波及補償裝置大輸出的基波無功功率：10622MVAR
5.4動態響應時間《100MS
5.5KYSVC高壓靜止型動態無功補償裝置的技術參數
A）根據諧波電流仿真計算濾波器的安裝容量：15600KVAR
B）基波容量：10622KVAR
C）係統電壓：10KV
5.6KYSVC高壓靜止型動態無功補償裝置參數確定
5.6.1根據各次諧波發生量的情況以及無功需求，經過計算機專用程序的優化仿真設計，確定濾波器組的支路設置及容量分配見下表五
表5濾波支路的配置及容量分配
| 序號 | 調諧次數 | 濾波器類型 | 安裝容量KVAR | 基波容量KVAR |
| 1 | 2 | 單調諧 | 3600 | 2176 |
| 2 | 3 | 單調諧 | 4200 | 3084 |
| 3 | 4 | 單調諧 | 3600 | 2506 |
| 4 | 5 | 高通 | 4200 | 2856 |
| 合計 | | | 15600 | 10622 |
5.6.2KYSVC高壓靜止型動態無功補償裝置主設備參數
表6KYSVC高壓靜止型動態無功補償裝置各主要元件的基本參數
| 元件 | 參數 | 組彆 | |
| H2 | | ||
| 濾波電容器 | 單台容量，KVAR | 200 | |
| 台數 | 18 | | |
| 單台額定電壓KV | 9.0 | | |
| 單台額定電流A | 22.22 | | |
| 單台額定電容μF | 47.157 | | |
| 絕緣水平KV | AC42／LI75 | ||
| 濾波電抗器 | 額定電感MH | 53.742 | |
| 基波電流A | 94.22 | | |
| 額定電流A | 133.3 | | |
| 基波品質因數 | 25 | | |
| 調諧頻率下品質因數 | 46.5 | | |
| 絕緣水平KV | AC42／LI75 | ||
| 繞組結構 | 乾式空心，膜包鋁線 | ||
| 調節範圍 | ±5％，無級可調 | ||
6.KYSVC高壓靜止型動態無功補償裝置投入運行後的濾波效果
6.1諧波電壓
KYSVC高壓靜止型動態無功補償裝置投入前後，PCC點母線的電壓畸變率以及各支路電容器的諧波電壓見下表。
表7KYSVC高壓靜止型動態無功補償裝置投入前後PCC點諧波電壓變化
| 諧波 次數 | 各支路電容器諧波電壓，V | 小運行方式下PCC點電壓畸變率，％ | ||||
| H2 | H3 | H4 | H5 | 未投入濾波器 | 投入濾波器 | |
| 1 | 7698 | 6495 | 6158 | 6014 | — | — |
| 2 | 778 | 30 | 22 | 20 | 0.416 | 0.145 |
| 3 | 14 | 875 | 39 | 27 | 0.92 | 0.093 |
| 4 | 2 | 9 | 406 | 19 | 0.595 | 0.047 |
| 5 | 2 | 5 | 17 | 507 | 1.377 | 0.086 |
| 合計 | 8494 | 7414 | 6642 | 6587 | 2.046 | 0.442 |
諧波電壓畸變率滿足PCC點電壓畸變率的要求。
6.2諧波電流計算結果
| 諧波 次數 | 流入各濾波支路的諧波電流，A | 小運行方式下注入10KV點諧波電流，A | ||||
| H2 | H3 | H4 | H5 | 未投入濾波器 | 投入濾波器 | |
| 2 | 47.2 | 1.49 | 0.95 | 0.99 | 50.5 | 23.06 |
| 3 | 0.6 | 65.39 | 2.51 | 2.0 | 72.2 | 32.7 |
| 4 | 0.13 | 0.86 | 34.65 | 1.86 | 36 | 9.6 |
| 5 | 0.13 | 0.68 | 1.85 | 63.09 | 65 | 11 |
| 7 | 1.15 | 4.2 | 5.51 | 20.2 | 29 | 11 |
| 合計 | 49.21 | 72.62 | 45.47 | 88.14 | 252.7 | 87.36 |
表8小運行方式下流入係統及各濾波支路的諧波電流
諧波電流滿足國家標準GB／T1459－93的要求
6.3平均功率因數要求
KYSVC高壓靜止型動態無功補償裝置投入運行後10KV母線的月平均功率因數：COSφ＝0.97，不過補。
6.4電壓閃變達到國家標準GB12326－2000《電能質量電壓允許波動和閃變》的要求：
10KV電壓波動：△U﹤1.25％
閃變：PST＝0.9，PLT＝0.7
110KV電壓波動：△U﹤1.0％
閃變：PST＝0.8，PLT＝0.6
6.5KYSVC高壓靜止型動態無功補償裝置投入運行後，濾波效果良好，在各種運行方式下未與係統發生並聯諧振。
7．結論
該電弧爐安裝KYSVC高壓靜止型動態無功補償裝置後，通過KYSVC高壓靜止型動態無功補償裝置投入前和投入後對測量結果的分析，有以下結論：
7.1KYSVC高壓靜止型動態無功補償裝置投入運行後，濾波效果滿足國標GB／T1459－93的有關規定。
7.2電壓閃變達到國家標準GB12326－2000《電能質量電壓允許波動和閃變》的要求。
7.3測量點的功率因數從0.70提高到0.97，節能效果明顯。
7.4KYSVC高壓靜止型動態無功補償裝置運行穩定，滿足KYSVC高壓靜止型動態無功補償裝置的設計要求。
