炼钢电弧炉对电网的干扰及其抑制方法

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1、炼钢电弧炉对电网的干扰及其抑制方法　　　　　　　　　　　　　　武汉大学电气学院翁利民（430072）　　　　　　　　　　　　　武汉钢铁设计研究总院廖建强（430080）　　现代炼钢电弧炉的基本功能是将尽可能多的电功率输入到熔池内，以获得高的生产率和低的物料、能量消耗以及好的环保指标。炼钢电弧炉按其吨钢平均变压器额定容量或单位炉膛面积平均变压器额定容量分为普通功率（RP--RegularPower）、高功率（HP--HighPower）和超高功率（UHP--UltraHighPower）三种。超高功率电弧炉（UHP--EAF）概念自七十年代提出，目标在于极

2、大地提高炼钢电弧炉炼钢的生产率和降低成本，开创了电弧炉炼钢技术发展新纪元。但由于其生产时对电网影响与干扰是多方面的，实践中也发现了涉及到电能质量的所有方面。由于超高功率电弧炉的变压器功率水平高，变压器容量高达数十兆伏安，在其炼钢过程中对电网造成严重的冲击和干扰，这些"公害"必须加以控制和治理。1对电网的干扰1.1功率因数低　　电弧炉从电网获得电能，其中一部分转化为有用的热能，而另一部分则为无功能量。为了使电弧能稳定燃烧，电弧炉的功率因数不能取得太高。因电弧炉负载是高感性的，电弧炉的接入使供电电网的功率因数恶化。超高功率电弧炉运行在熔化期时，功率因数甚至低

3、到0.1，这样引起母线电压严重降低。电压降低又相应降低电弧炉的有功功率，使熔化期延长，生产率下降。1.2电压闪烁和波动　　超高功率电弧炉是供电电网的很大的负载，而且在运行中经常产生突然的、强烈的电池冲击，导致电网电压的快速波动，频率为0.1～30Hz。其中特别是频率在1～10Hz之间的电压波动会引起照明白炽灯和电视画面的闪烁，使人们感到烦躁，这类干扰称之为"闪烁"或"闪变"（Fluctuation）。强烈的闪烁会造成电机转动不稳定，电子装置误动作甚至损坏，也会使电网供电的用户（包括电弧炉本身）的实际功率减少，闪烁是对电网的一种公害。　　对于实际的、有限容

4、量的电网，电弧炉负载引起的电网电压波动百分数为：　　　　式（1）中，△Q为无功功率的冲击量（Mvar）：Sk为本电弧炉供电母线最小短路容量（MVA）。　　考虑到电弧炉的正常运行状态与短路状态之间的无功功率变动大致与炉子变压器的额定容量相当，即△Qmax≈Sf，故可以用下式来估算电网上最大波动百分数：　　　　电弧炉的冶炼过程依据其电气特性分为两个主要阶段：熔化期和精炼期。　　熔化期时，炉内废钢装入后，同时插入三相电极，则在电极与废钢之间产生工频大电流电弧，利用电弧热量开始熔化废钢。由于废钢与电极间存在着直接电弧，随废钢的熔化必然引起电弧长度的变化，进而导致

5、燃弧点的移动，电弧极不稳定。电弧电流的变化引起了电压闪变，由于燃弧点的移动导致电弧快速变动称周期闪变；由于电极短路引起的急剧变动称之为非常闪变。冶炼中，电弧电流变化的程度与废钢的大小有关。若熔材为轻质小块，电弧相对稳定，闪变问题相对轻些；若熔材为大块废钢，除引起电弧不稳定外，落下时引起电极短路，闪变问题相对严重。熔化中期过后，炉底有了相当的钢液，电弧相对稳定，闪变程度大大减轻。　　精炼期是在熔化完成后，边升温边加入铁矿石和氧，以便进行氧化精炼。之后，对钢渣进行还原性精炼，加石灰等进行脱硫、脱氧，这一时期，电弧非常稳定，电流也不变动了，闪变问题基本消失。国

6、标《电能质量·电压允许波动和闪变》（GB12326－2000）规定了电力系统公共连接点的电压波动和闪变电压允许值。超高功率电弧炉在其运行过程中产生的波动和闪变往往都超过这个规定值，必须加以抑制。1.3三相电压与电流不对称　　引起电网供电质量变差的另一个重要问题是电弧炉三相负载不对称引起的电网三相电压及三相电流的不对称。其后果是相关电网的所有用户（包括电弧炉）的经济性和生产率降低。分析表明，在公共连接处（PCC：PowerCommonContact）电网短路容量Sk比电弧炉变压器额定容量SF高50倍以上时，电弧炉三相负载不对称所造成的电网电压的不对称性未超

7、过国标《电能质量·三相电压允许不平衡度》（GB/T15543-1995）中规定的允许值。　　当前电弧炉大型化、更超高功率化，结果供电电网的容量往往只有电弧炉变压器容量的20～40倍或更低，故必须采用补偿。1.4高次谐波　　交流电弧炉在炼钢过程中其电流会产生非正弦畸变和各次谐波，对电网造成干扰。其主要原因有：　　（1）电弧的电阻值不恒定，并且在交流电弧的半个周期中电弧电阻也在变动，这造成电弧电流的非正弦畸变；　　（2）交流电的正负半周换相，石墨电极和钢交替作阴极和阳极，因不同材料的发射电子能力不一样，故使电流的正负两个半周的波形不对称，造成偶次谐波；　　（

8、3）三相电弧不均衡，导致三次谐波；　　（4）供电系统连接的各种谐波源导致各种谐波