許廣路 安世敏 劉海濤 高 磊
摘要：精煉爐在加熱鋼水時會對電網造成無功沖擊、功率因數低、諧波、電壓閃變、電壓波動、電壓及電流不平衡等不利影響。本文詳細論述了解決以上問題的所采取的方案。
關鍵詞：精煉爐 功率因數 諧波 電壓閃變 電壓波動
一、 問題的提出
邯鋼三煉鋼廠共有3座120噸的精煉爐，爐變為35kv 20MVA。精煉爐在加熱鋼水時會對電網造成無功沖擊、高次諧波、電壓閃變、電壓波動、三相電壓及電流不平衡、功率因數低等不利影響。其功率因數僅為0.75，２次、３次諧波超標，對電網造成了極大危害而且多次出現高壓斷路器和供電電纜出現絕緣故障。因此，必須對該供電系統進行采取動態無功補償措施，對電網進行治理。
二、供電系統基本情況
１、三煉鋼廠精煉爐供電系統的主接線圖：如圖１所示，三煉鋼廠的3座20MVA的精煉爐由邯鋼04變電站配出。
２、供電系統的基本參數
l 系統的短路容量：
220KVA母線：Skmax=8403MVA, Skmin=5882MVA
35KVA母線：Skmax=865MVA, Skmin=680MVA
l 1#、2#主變壓器基本參數
型號：SFPSZ8-120000/220
額定容量：120MVA
額定電壓：220+8×1.25%/37/11KV
短路阻抗：Ud(1-2)=13%, Ud(1-3)=23%, Ud(2-3)=8%
l 120噸精煉爐爐變基本技術參數：
型號：HJSSPZ-20000/35
額定容量： 20MVA
額定一次電壓：３５KV
二次電壓：320/311/302/294/278/264/251/229/207/188/170,共11級。294V以上為恒功率，以下為恒電流。
一次電流：330A
二次電流：39000A(294V時)
短路阻抗：６％(294V時)
３、未采用SVC時的系統情況。
平均功率因數僅為0.75左右，２次、３次諧波電流分別為49.78A和40.35A，均超過了國家標準，其它諧波電流不超標。其它參數不超標。
４、應達到的指標
根據國家相關標準和三煉鋼廠的實際情況，要求達到下列指標。
l 諧波電壓：
|
電網標稱電壓KV |
電壓總諧波畸變率％ |
奇次諧波％ |
偶次諧波％ |
|
35KV |
3.0％ |
2.4％ |
1.2％ |
|
220KV |
2.0％ |
1.6％ |
0.8％ |
l 諧波電流（單位：％）
標稱電壓35KV國標中注入公共連接點的諧波電流允許值(基準短路容量250MVA)見下表
|
諧波
次數 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
9 |
10 |
11 |
12 |
13 |
|
允許值 |
15 |
12 |
7.7 |
12 |
5.1 |
8.8 |
3.8 |
4.1 |
3.1 |
5.6 |
2.6 |
4.7 |
|
諧波
次數 |
14 |
15 |
16 |
17 |
18 |
19 |
20 |
21 |
22 |
23 |
24 |
25 |
|
允許值 |
2.2 |
2.5 |
1.9 |
3.6 |
1.7 |
3.2 |
1.6 |
1.8 |
1.4 |
2.7 |
1.3 |
2.5 |
由于考核點供電系統母線的最小短路容量不同于假定基準短路容量，根據中華人民共和國《電能質量—公用電網諧波》(GB/T 14549―93)標準中在假定基準短路容量下的各次諧波電流允許值首先要按照國標附錄B給定的方法進行換算，換算公式如下：
Ih=(Sk1/Sk2)Ihp
式中：Sk1---公共連接點可能出現的最小運行方式時的短路容（MVA）
Sk2-----假定的電網基準短路容量（MVA）
Ihp-----規定的第h次諧波電流允許值（A）
Ih------對應于短路容量Sk1時的第h次諧波電流允許值（A）
按照公式換算的諧波電流（單位：％）允許值列于下表(短路容量680MVA)
|
諧波
次數 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
9 |
10 |
11 |
12 |
13 |
|
允許值 |
40.8 |
32.6 |
20.9 |
32.6 |
13.9 |
23.9 |
10.3 |
11.2 |
8.43 |
15.2 |
7.07 |
12.8 |
|
諧波
次數 |
14 |
15 |
16 |
17 |
18 |
19 |
20 |
21 |
22 |
23 |
24 |
25 |
|
允許值 |
5.98 |
6.80 |
5.17 |
9.79 |
4.60 |
8.70 |
4.35 |
4.89 |
3.81 |
7.34 |
3.54 |
6.80 |
l 電壓波動及閃變
電壓波動限值：<2％；閃變：Pst<0.8％
l 三相電壓不平衡度
長期≤2％，瞬時小于≤4％。
l 月平均功率因數：0.95（按２臺精煉爐考慮）
三、 SVC方案的確定
根據對三煉鋼廠35KV電網電能質量的實際測試和三煉鋼廠的實際生產情況，決定在35KV母線安裝一套SVC（靜止型動態無功補償裝置）。補償容量按２臺120噸精煉爐同時工作考慮，其中２＃精煉爐長期補償，１＃精煉爐和３＃精煉爐任意補償一臺（見圖１虛框中SVC系統）。SVC系統采用TCR+FC型補償方式,根據精煉爐的工作特點必須滿足分相調節要求。考慮到日常的維護量和可*性，冷卻方式采用鞍山榮信熱管型冷卻方式。
四、SVC系統設計
１、SVC系統一次回路設計方案，見圖２
圖中： TCR部分采用三角型接法；
２、TCR+FC型SVC的控制原理
SVC如圖２接入系統中，濾波器FC提供固定的容性無功，補償電抗器提供感性無功。只要能做到QN=QV-QC+QTCR=常數（或0），就能實現電網功率因數=常數，電網電壓幾乎不波動。
式中：QN為系統公共連接點（35KV進線）的無功功率；
QV為精煉爐所需的無功，它隨著生產的節奏隨時變化；
QC為電容器補償裝置發出的無功功率，它是固定不變的。始終在向系統注入容性無功。
QTCR為可調(可控)電抗器吸收的無功功率，要求必須具備電流及無功功率連續可調， 響應速度快（約為10ms），可以分相調節，補償不對稱負荷的能力。
３、系統的組成
３.1、補償功率因數所需電容容量的選取
一臺精煉爐QC＝1.1P×(tgα1- tgα2)=9.086Mvar tgα1 、tgα2為補償前、后功率因數的正切值 。兩臺為：18.172 Mvar。
考慮到留有一定余量，選取補償容量為２０Mvar。
３.2、晶閘管控制電抗器)TCR部分
l TCR動態補償系統的主要組成部分為：
— 電抗器，由于保護原因每相分為兩部分
— 反并聯連接的晶閘管閥
— 電子控制及觸發電路
電抗器采用D形連接，在對稱運行時可以抵消3次諧波。三角形連接的三相交流控制器在諧波方面可以等效為6脈動電路(見圖２)。
l TCR動態補償系統控制原理
如圖3所示，SVC控制部分由控制柜、脈沖柜和功率單元組成。控制柜的作用是通過采集系統信號經內部計算處理后發出觸發脈沖，同時檢測可控硅擊穿、觸發脈沖丟失和TCR過流等。脈沖柜將觸發脈沖轉變為符合要求的脈沖信號，觸發可控硅。功率單元串入電抗器回路，通過控制晶閘管的觸發
角使電抗器產生補償所需的電流。通過在α=180º和α=90º之間調節觸發脈沖，可以使電抗器電流(即無功功率)在0～最大值之間變化。在α=90時，電流為連續正弦波形，當控制角大于90º時，由于對電流正弦波形的切割作用會產生諧波分量，其幅值與電流值大小(即控制角)有關。
補償電抗器電納值與導通角的關系如下：
Br=
其中：
α為電抗器觸發角；L為電抗器額定電感值
l TCR容量的選取
根據220KV和35KV短路容量，三煉鋼廠精煉爐工作時實測電能情況和需達到的功率因數等指標要求來選擇TCR的容量。同時考慮到防止無功倒送和調節三相不平衡，必須大于補償電容量。TCR的容量選取２２Mvar。
3.3、濾波器部分選擇
l 諧波電流的計算
根據相關理論資料，先計算每臺精煉爐的諧波量，然后對多個諧波源同次諧波電流進行疊加計算。公式如下：
In= (I1n2+ I2n2+2 I1n I2nCOSΦn)1/2
I1n第一個諧波源的n次諧波電流；
I2n第一個諧波源的n次諧波電流；
Φn兩個諧波源的諧波電流間的相位角；
l 濾波器設計原則
ａ、濾波器發出的無功應滿足補償功率因數、抑制電壓波動和閃變的要求
ｂ、濾波器的額定電壓應能夠保證濾波器安全可*運行
ｃ、濾波器分組應滿足消除諧波電流的要求
l 根據以上原則，經仿真計算，濾波器設２、３次兩個濾波通道，３次為高通濾波器。總安裝容量為37440Kvar，基波補償容量為20178 Kvar。下表為電容和電抗的配置表：
|
諧波次數 |
2次 |
3次 |
|
總電容容量Kvar |
18720 |
18720 |
|
基波補償電容Kvar |
9953 |
10225 |
|
額定電感mH |
3×137 |
3×49 |
五、補償后效果
兩臺精煉爐同時補償時：
功率因數：0.98；
2次諧波電流：11.09A; 3次諧波電流：17.51A
電壓畸變率:A相1.28%，B相1.15%，C相1.37%，
電壓波動值：<1.3％；
三相電壓不平衡度: <1.3％
六、結束語
該裝置于2005年8月在邯鋼三煉鋼廠投入使用，使電網功率因數由原來的0.75增加到0.98，電網供電質量大大提高。既節約了容量費，又降低了故障率。
該裝置投運前，邯鋼04變電站運行了兩臺120MVA的變壓器。該裝置投運后，由于功率因數的提高，04變電站僅用1臺變壓器就能滿足生產要求。容量費按18元/KVA計算，邯鋼每年節省容量費為2592萬元，該項目投資為1360萬元，7個月即可收回投資。
另外，在該裝置投運前，由于諧波含量超標，35KV供電系統多次出現故障，35KV高壓真空斷路器每年都會出現2-3次滅弧室損壞，35KV電纜頭也曾經損壞過一次。該裝置投運后未出現過滅弧室損壞和電纜損壞故障。自投運以來，系統運行穩定。 |
京公網安備11011102000836號
