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 SVC（TCR+FC）在精煉爐上的設(shè)計及應(yīng)用

    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(wǎng)造成無功沖擊、功率因數(shù)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(xì)論述了解決以上問題的所采取的方案。
關(guān)鍵詞：精煉爐 功率因數(shù)  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?yōu)?5kv 20MVA。精煉爐在加熱鋼水時會對電網(wǎng)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(shù)低等不利影響。其功率因數(shù)僅為0.75，２次、３次諧波超標(biāo)，對電網(wǎng)造成了極大危害而且多次出現(xiàn)高壓斷路器和供電電纜出現(xiàn)絕緣故障。因此，必須對該供電系統(tǒng)進(jìn)行采取動態(tài)無功補(bǔ)償措施，對電網(wǎng)進(jìn)行治理。
二、  供電系統(tǒng)基本情況
１、三煉鋼廠精煉爐供電系統(tǒng)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(tǒng)的基本參數(shù)
l  系統(tǒng)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(shù)
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(shù)參數(shù)：
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(tǒng)情況。
平均功率因數(shù)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(biāo)準(zhǔn)，其它諧波電流不超標(biāo)。其它參數(shù)不超標(biāo)。
４、應(yīng)達(dá)到的指標(biāo)
根據(jù)國家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和三煉鋼廠的實(shí)際情況，要求達(dá)到下列指標(biāo)。
l  諧波電壓：
電網(wǎng)標(biāo)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  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(shù)：0.95（按２臺精煉爐考慮）
三、 SVC方案的確定
根據(jù)對三煉鋼廠35KV電網(wǎng)電能質(zhì)量的實(shí)際測試和三煉鋼廠的實(shí)際生產(chǎn)情況，決定在35KV母線安裝一套SVC（靜止型動態(tài)無功補(bǔ)償裝置）。補(bǔ)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(bǔ)償，１＃精煉爐和３＃精煉爐任意補(bǔ)償一臺（見圖１虛框中SVC系統(tǒng)）。SVC系統(tǒng)采用TCR+FC型補(bǔ)償方式,根據(jù)精煉爐的工作特點(diǎn)必須滿足分相調(diào)節(jié)要求。考慮到日常的維護(hù)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(tǒng)設(shè)計
１、SVC系統(tǒng)一次回路設(shè)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(tǒng)中，濾波器FC提供固定的容性無功，補(bǔ)償電抗器提供感性無功。只要能做到QN=QV-QC+QTCR=常數(shù)（或0），就能實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)功率因數(shù)=常數(shù)，電網(wǎng)電壓幾乎不波動。
式中：QN為系統(tǒng)公共連接點(diǎn)（35KV進(jìn)線）的無功功率；
QV為精煉爐所需的無功，它隨著生產(chǎn)的節(jié)奏隨時變化；
QC為電容器補(bǔ)償裝置發(fā)出的無功功率，它是固定不變的。始終在向系統(tǒng)注入容性無功。
QTCR為可調(diào)(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(xù)可調(diào)， 響應(yīng)速度快（約為10ms），可以分相調(diào)節(jié)，補(bǔ)償不對稱負(fù)荷的能力。
３、系統(tǒng)的組成
３.1、補(bǔ)償功率因數(shù)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(bǔ)償前、后功率因數(shù)的正切值 。兩臺為：18.172 Mvar。
　　考慮到留有一定余量，選取補(bǔ)償容量為２０Mvar。
３.2、晶閘管控制電抗器)TCR部分
l  TCR動態(tài)補(bǔ)償系統(tǒng)的主要組成部分為：
— 電抗器，由于保護(hù)原因每相分為兩部分
— 反并聯(lián)連接的晶閘管閥
— 電子控制及觸發(fā)電路
電抗器采用D形連接，在對稱運(yùn)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(tài)補(bǔ)償系統(tǒng)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(tǒng)信號經(jīng)內(nèi)部計算處理后發(fā)出觸發(fā)脈沖，同時檢測可控硅擊穿、觸發(fā)脈沖丟失和TCR過流等。脈沖柜將觸發(fā)脈沖轉(zhuǎn)變?yōu)榉�合要求的脈沖信號，觸發(fā)可控硅。功率單元串入電抗器回路，通過控制晶閘管的觸發(fā)
角使電抗器產(chǎn)生補(bǔ)償所需的電流。通過在α=180º和α=90º之間調(diào)節(jié)觸發(fā)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(xù)正弦波形，當(dāng)控制角大于90º時，由于對電流正弦波形的切割作用會產(chǎn)生諧波分量，其幅值與電流值大小(即控制角)有關(guān)。
補(bǔ)償電抗器電納值與導(dǎo)通角的關(guān)系如下：
Br=
其中：　　
α為電抗器觸發(fā)角；L為電抗器額定電感值
l  TCR容量的選取
根據(jù)220KV和35KV短路容量，三煉鋼廠精煉爐工作時實(shí)測電能情況和需達(dá)到的功率因數(shù)等指標(biāo)要求來選擇TCR的容量。同時考慮到防止無功倒送和調(diào)節(jié)三相不平衡，必須大于補(bǔ)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(jù)相關(guān)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(jìn)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(shè)計原則
ａ、濾波器發(fā)出的無功應(yīng)滿足補(bǔ)償功率因數(shù)、抑制電壓波動和閃變的要求
ｂ、濾波器的額定電壓應(yīng)能夠保證濾波器安全可*運(yùn)行
ｃ、濾波器分組應(yīng)滿足消除諧波電流的要求
l  根據(jù)以上原則，經(jīng)仿真計算，濾波器設(shè)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(bǔ)償容量為20178 Kvar。下表為電容和電抗的配置表：
諧波次數(shù) 2次 3次
總電容容量Kvar 18720 18720
基波補(bǔ)償電容Kvar 9953 10225
額定電感mH 3×137 3×49 
 
五、補(bǔ)償后效果
兩臺精煉爐同時補(bǔ)償時：
功率因數(shù)：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(jié)束語
該裝置于2005年8月在邯鋼三煉鋼廠投入使用，使電網(wǎng)功率因數(shù)由原來的0.75增加到0.98，電網(wǎng)供電質(zhì)量大大提高。既節(jié)約了容量費(fèi)，又降低了故障率。
該裝置投運(yùn)前，邯鋼04變電站運(yùn)行了兩臺120MVA的變壓器。該裝置投運(yùn)后，由于功率因數(shù)的提高，04變電站僅用1臺變壓器就能滿足生產(chǎn)要求。容量費(fèi)按18元/KVA計算，邯鋼每年節(jié)省容量費(fèi)為2592萬元，該項(xiàng)目投資為1360萬元，7個月即可收回投資。
另外，在該裝置投運(yùn)前，由于諧波含量超標(biāo)，35KV供電系統(tǒng)多次出現(xiàn)故障，35KV高壓真空斷路器每年都會出現(xiàn)2-3次滅弧室損壞，35KV電纜頭也曾經(jīng)損壞過一次。該裝置投運(yùn)后未出現(xiàn)過滅弧室損壞和電纜損壞故障。自投運(yùn)以來，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定。