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大容量電弧爐對電網幹擾的抑制方法

日期:2019-07-08 11:10
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摘要:摘要:介绍了大容量电弧炉引起电网电压波动和闪变等问题。提出了优化电弧炉结构设计,采用内部减少对电网的干扰和外部补偿措施相结合的方法抑制电弧炉对电网的干扰,并介绍了目前国内外在该领域技術发展的动态。 关键词:電能質量 电网 电压波动
1 煉鋼電弧爐對電網的幹擾分析
电弧波动是对电网产生干扰的根源。电弧炉在运行时电弧电流受电磁力作用、电极移动以及对流气体的影响变化剧烈,并且具有很大的随机性,特别在起炉、废钢熔化、打洞塌落、短接废钢、气体喷出时尤为严重。剧烈的电弧电流变化,产生剧烈的无功、有功冲击,以100 t交流电弧炉为例,*大的无功冲击可达到150 Mvar。电弧炉炼钢时产生以下现象:
(1)由于電弧電阻的非線性和瞬變性産生高次諧波;
(2)交流電弧爐運行時由于三相電弧不對稱,産生負序電流;
(3)在劇烈的無功、有功沖擊電流作用下,供電系統産生劇烈的電壓波動和閃變。
電弧爐在熔化期産生高次諧波、負序電流,從而引起電網電壓波動和閃變。
世界各国对高次谐波、负序电流注入电网的量,以及电压波动、闪变的限制值都有明确规定,以保证电网的供电质量。我国于1990年制订了标准,对电网的公害加以限制。目前,对于电弧炉产生的高次谐波采用滤波器可以有效地加以抑制。但对于电弧炉引起的电压波动 、闪变的抑制从技術上来说比较因难,需从多方面综合考虑加以抑制。

2 炼钢电弧炉引起的电压波动、闪变的抑制方法
2.1 改进炼钢工艺、优化电弧炉设计参数
(1)廢鋼料預熱
电弧炉炼钢时产生大量的高温烟气可用于预热废钢料。电弧炉安装废钢预热装置后,可将废钢料在装炉前预热到700℃左右。在高温下,一部分不导电的杂质被除掉,废钢变软且电阻率变大,熔化期电弧相对稳定,引起的电压波动和闪变相对降低。根据国外实测的数据 ,利用这种方法可降低电压波动和闪变约5%左右,效果比较明显,是一种经济、实用的方法 。
(2)破碎工藝
大块的废钢在电弧炉内不易熔化,而且容易短接电极造成短路使电弧不稳定,增大了无功冲击、增加了冶炼时间、降低了效率。因此,现代炼钢工艺都逐步采用废钢破碎和净化技術来降低色哥哥久久热成人视频成本,同时也降低了熔化期的电压波动和闪变。
(3)噴吹輔助燃料
歐洲一些國家的鋼鐵企業在熔化期噴入重油或天然氣等輔助燃料,以此降低煉鋼綜合成本。經過實測,這種煉鋼工藝對降低電壓波動和閃變有一定的作用,目前,我國在大容量超高功率電弧爐上也開始采用這種煉鋼工藝。
(4)優化電弧爐的設計
通過對國外大容量超高功率電弧爐的資料分析,優化電弧爐的設計對降低煉鋼時對電網的沖擊作用很大。主要從以下方面進行優化:
1)提高電極調節系統的靈敏度和快速性,縮短響應時間;
2)充分考慮電極系統的固有共振性,消除或減小機械共振對電弧穩定性的影響;
3)合理選擇三相電極的極心圓直徑,提高電弧的穩定性;
4)提高電弧爐二次短網的功率因數。
在引進國外電弧爐時,要注意電弧爐結構設計問題。通過優化電弧爐本體的設計降低電壓波動和閃變是*有效的方法,可以降低補償容量,減小工程投資。

2.2 合理选用供电电源
(1)采用專用直配線供電
采用專用高壓直配線供電*爲合理,在電弧爐附近設置電弧爐專用降壓變電所。
(2)把电弧炉接到短路容量较大的电网上欧洲早在70年代就将220 kV电源由电网直配炼钢厂的降压变电所,以获得较大的短路容量,减小电压波动和闪变。我国在1992年将220 kV电源由电网直配至炼钢厂降压变电所。
电网的短路容量是决定大容量电弧炉是否允许运行的决定条件。以交流电弧炉为例,当供电系统在*小运行方式下三相短路容量大于电弧炉变压器额定容量的80倍,即Sxmin/Se>80时,不采取任何补偿措施,电弧炉在熔化期引起的电压波动值可小于1.6%,闪变值可小于0.4%。当80>Sxmin/Se>56时,采取适当的补偿措施可使电压波动和闪变值降至允许值 。当Sxmin/Se<56时,采取补偿措施也无法达到允许值。只能考虑减小电弧炉变压器的额定容量,或在高压侧串联限流電抗器的方式限制电压波动和闪变。如果还不能达到允许值,则应考虑改用直流电弧炉或采取其它综合措施加以解决。

2.3 改进电弧炉供电设备
(1)在高压侧串联電抗器
近年来国外应用较多的是串联空芯電抗器,例如意大利DAN公司色哥哥久久热成人视频的100 t交流电弧炉 ,变压器额定容量为90 MVA+20%。在高压侧串联阻抗为2Ω的空芯電抗器,采用熔化期喷吹辅助燃料的措施,可使电压波动和闪变降低25%。
(2)采用直流電源對電弧爐供電
大容量的直流電弧爐近十年來在國外較爲流行。直流電弧爐和交流電弧爐相比,所産生的電壓波動和閃變可降低40%~50%左右;不産生負序電流;對二次短網和電極來說沒有集膚效應;二次側可采取不同的接線方式。
但由于增加了整流器,使其可靠性降低,有功损耗增大,维护量大,造价高。而且电极需要进口,加之交流电弧炉技術指标不断提高,因而可能影响直流电弧炉的广泛应用。
(3)采用特殊接線方式降低電壓波動和閃變法國西技來克公司(CEGELEC)研制了一種在直流電弧爐上采用特殊接線型式的整流器,可以進一步降低對電網的幹擾。該整流器在比利時次使用。
應當指出,爲了補償功率因數,濾除特征諧波和非特征諧波,該裝置必須在高壓側安裝固定容量的濾波器,當電弧爐在停爐加料或負荷電流很小時會産生過補償,此時濾波器發出的容性無功返送至電網,造成電壓升高。該裝置目前在我國還沒有應用的實例。

2.4 采用无功補償裝置
(1)采用SVC裝置進行補償
静止无功補償裝置(SVC)有多种结构,如自饱和電抗器型(SR)、晶闸管投切電容器型(TSC)、晶闸管阀相控電抗器型(TCR)、晶闸管阀相控高阻抗变压器型(TCT)等,选择何种结构的动态调节装置是根据被补偿对象的特点决定的。对于电弧炉负荷,国内外目前公认的是采用TCR型动态调节器,并附加谐波滤波器(FC),组成TCR+FC補償裝置。它的作用有:补偿功率因数;滤除高次谐波;补偿中性点偏移;抑制电压波动和闪变。但是,一般实用的SVC装置对闪变的改善率均小于30%。TCR+FC补偿测量,由于具有分相调节的性能。因此在电弧炉供电系统补偿应用特别广泛,是目前国内外电弧炉应用*多的補償裝置。如果SVC的额定容量小于25Mvar,从技術、经济上考虑则不如采用TCR型。如果对闪变的补偿率要求不高,可以采用降压变压器型式的TCR,将晶闸管阀运行电压降到10 kV左右,从而减少晶闸管阀的串联数量,和直挂式相比可以降低设备的投资。
(2)采用有源濾波裝置
有源濾波裝置国外称配电用静止补偿器(DSTATCOM),近年美国、日本已开始应用。它的工作原理与普通的SVC完全不同。采用可关断的电力电子器件和基于坐标变换原理的瞬时无功理论进行控制,是一种能够兼顾谐波滤波无功补偿的装置。DSTATCOM和普通SVC相比较有以下优点:
響應時間快,對電壓波動、閃變補償率高,可減小補償容量;體積小,重量輕,消耗材料少,運行損耗小;濾波效果好,不受電網頻率影響,沒有諧波放大作用和諧振問題運行穩定;控制強,能實現控制電壓波動、閃變,穩定電壓作用,同時也能有效地濾除高次諧波,補償功率因數。
DSTATCOM中的逆变器,一般采用脉宽调制(PWM)技術。换流器件一般采用可关断晶闸管(GTO)或绝缘栅双极晶体管(IGBT),目前采用IGBT器件组成的轻型SVC装置可做到20 Mvar左右,电压*高为10.5 kV。大容量的補償裝置,一般采用和LC滤波器混合使用的办法 ,谐波的高次部分(一般11次以上谐波)由LC滤波器吸收,这样可以降低换流器件的容量和截止频率,从而降低设备的造价。
DSTATCOM对电压闪变有较强的抑制作用,根据瑞典ABB公司技術交流的资料介绍,采用IGBT做换流器件组成的DSTATCOM可使电压闪变降低3.5倍。
采用DSTATCOM装置抑制闪变是目前*好的办法,但由于目前大功率、快速的半导体元件制造在技術上还有很多问题,加之控制理论还需进一步研究完善,影响了它的应用。目前只有少数国家开始应用,而且容量都较小。应用在大容量超高功率电弧炉上的DSTATCOM现在还没有。随着GTC、IGBT等电力半导体器件技術性能的不断提高,价格不断下降,控制理论和控制器的不断完善,DSTATCOM在超高功率电弧炉上的应用将成为现实,因此,国内外专家普遍认为DSTATCOM是今后电力系统補償裝置发展的方向。

3 结论
炼钢电弧炉引起的电网电压波动和闪变是随机性的,熔化期尤为严重。电压波动和闪变的大小取决于电弧炉本身的结构型式和电弧炉变压器的容量以及电网的短路容量。抑制电压波动和闪变的措施应从项目的可研阶段进行,先着眼于电弧炉本身的优化设计和运行工况的改善,从根本上降低电压波动和闪变,其次是采取合适的补偿措施以降低电压波动和闪变 。如果计算结果不能达到要求,应考虑改换到短路容量更大的电网上,或改用直流电弧炉。从供电方面考虑,直流电弧炉较交流电弧炉有明显优点,但从国内运行情况看直流电弧炉综合经济技術指标并不理想,应慎重决策,通过综合比较,合理选择电炉的结构型式、供电方式和高压电源的电压等级,以力求减少工程投资。

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