摘要：介紹了冶金企業中煉鋼電弧爐用靜止無功動態補償裝置的方案選擇、工作原理、電路結構及補償容量的計算方法，并給出了計算實例。關鍵詞：電弧爐；晶閘管；無功功率；諧波濾波器；電壓波動

1引言

在電力系統中，供電的質量指標、電網運行的安全可靠性和經濟性是最根本的問題。快速合理地調節電網無功功率，對交流電網的穩定和系統電壓的調節、合理分配潮流及限制電網過電壓方面有著十分重要的意義。特別是當鄰近交流系統發生故障時，如不迅速補償大幅度波動的無功功率，就會導致系統失控。近年來，隨著冶金、電氣化鐵道的飛速發展，諸如具有沖擊性負荷的電弧煉鋼爐、軋鋼機等不斷投入電網，導致電網功率因數下降、波形畸變、電壓波動、諧波干擾等公害。因此各工業發達國家都加強了對靜止無功動態補償裝置的研究，以取代響應速度慢、調節性能差、損耗大、維護不便的同步調相機。 目前，在電力系統中，靜止無功補償（StaticVarCompensation，簡稱SVC），主要用于穩定電網電壓，通常是按對稱三相形式來進行調節的。而在工業應用中，SVC裝置主要用于緩沖沖擊性負荷及恢復電力網絡的平衡[1]。

2冶金企業中靜止無功動態補償裝置

容量的選擇

在冶金企業中，煉鋼電弧爐具有非常滯后的功率因數和變化頻繁的不平衡負荷。無功電流波動幅度大和不穩定造成了系統中電壓的波動，若生活用電也接在同一電網上，系統電壓波動將會造成燈光閃爍并對電視機和其它用電設備產生干擾。

造成電弧電流隨機波動的主要因素有：

1）金屬熔液和爐渣的流動。

2）弧隙電離程度的變化。

3）電極的顫動。

4）在電磁力作用下電弧路徑的變動等。

弧長的不規則變化，引起電網電壓相應的波動。當斷弧時，取自電網的有效功率等于零；而當電極同爐料短路時，爐子主電路消耗的無功功率最大。在熔化期，由于每相電弧長度的變化在時間上不一致，所以造成三相負荷不對稱。此外，電弧本身弧壓與弧流的非線性也將產生出高次諧波電流，返回到電網中去，導致電網電壓波形畸變、中性點位移。而電弧爐采用靜止無功補償裝置就能克服上述問題，因為它能隨時提供電弧爐所需的瞬變無功功率，從而穩定其供電

系統。另外它給煉鋼工業本身也帶來了很大的效益，因為，供電電壓的穩定使電爐變壓器得到最有效的利用，并能提供穩定的熔化功率；消除無功電流的流動，可降低線路和變電所變壓器的損耗。系統功率因數也會得到顯著的改善。這些效益既減少電弧爐煉鋼設備的投資，也減少了它的運行費用。

關于電力系統的靜補裝置已有很多文獻進行了論述，但是電弧爐用靜補裝置的文章卻很少見到。下面專門討論電弧爐用靜補裝置及其容量的選擇方法。

電壓波動(Δu)的原因是由于無功功率的變化(ΔQ)。即[1]Δu=×100％（1）

式中：SDR——供電系統短路容量。

由此看來，利用無功發生裝置，就可補償電網電壓波動。由于晶閘管維護容易、可靠性高，并可以連續平滑調節，所以無功補償裝置的最佳方案是利用晶閘管控制電抗器電流，它與補償電容器并聯。圖1示出靜補裝置系統原理圖和無功功率變化示意圖。其工作原理是將電弧爐隨時變化的無功功率信號檢出，用來控制電抗器的無功功率，使

QF＋QL=常數（2）

式中：QF為電弧爐發生的無功功率；

QL為晶閘管控制電抗器的無功功率。

另外由于補償電容器的無功功率QC=QF＋QL，所以整個靜補裝置取自電網的總無功功率QΣ維持不變，并力圖使之趨近于零，即

QΣ=QF＋QL－QC=0（3）

總的無功功率維持不變，并且補償后，趨近于零，則電壓波動也趨近于零了。補償電容器實際上被分成三、五、七次和高通濾波器。

毋庸置疑，正確地選擇靜補裝置的容量，能減輕電弧爐電氣設備（電爐變壓器、高壓斷路器、電力電容器等）的負擔；能提高爐襯和電極的使用壽命，并可使前級供電變壓器的容量減少約20％，因此可以說，靜補裝置不僅能頗有成效地改善供電質量，而且還能提高冶金企業的技術經濟指標。

為了正確地選擇靜補裝置的容量，必須具體地分析電弧爐供電線路和擬定靜補裝置的技術條件。這些條件是

1）靜補裝置保證電爐供電母線上的電能質量達到國家電熱規范所規定的質量指標。

2）靜補裝置保證電爐供電母線上的功率因數平均值達到供電系統或國家電熱規范所規定的數值。

下面討論如圖2所示的煉鋼電弧爐的典型供電線路，這是二組供電線路，每組由二臺大型電弧爐組成，各組之間通過聯絡開關K1接通。當K1斷開時，電爐變壓器連接處（B點）的短路容量SB為SB=（4）

式中：SA為A點供電系統的短路容量；

ST為供電變壓器額定容量；

eK為供電變壓器短路電壓。

一臺電弧爐短路時的短路容量SL可由下式確定：SL=（5）

式中：k為電弧爐三相短路電流倍數，高功率電弧爐為1.7～2.1，普通功率為2.5～3.5；

SLB為電爐變壓器額定容量。

式（5）給出了系統短路容量和電弧爐短路容量之間的關系。那么，多大容量的電弧爐可以接到多大容量的電網上去呢？

首先，美國AIEE委員會提出了煉鋼電弧爐允許接到電網上的限制曲線1和1′，見圖3。該二曲線是根據

(b)無功功率變化示意圖

(a)靜補裝置系統原理圖

圖1靜補裝置工作原理

()

電弧爐煉鋼供電系統的無功動態補償

(a)整體電路圖

圖3電弧爐允許接到電網上限制曲線

(b)局部電路圖

圖2煉鋼電弧爐的典型供電線路

全美電力公司試驗發表的互降常數xmn得出的，即

xmn=SLB/SDR(6)

式中：SDR為在觀測點的系統短路容量。

如果xmn值位于曲線1下面，則電弧爐允許接入系統，不需要采取電壓波動補償措施。如果xmn值位于曲線1′上方，電弧爐不允許接入電網，或者采取電壓波動補償措施后，方可接入電網。如果xmn值在曲線1和1′之間時，是否需要采取電壓波動補償措施，取決于供電系統對電壓質量的要求程度，送電后，一旦發生不允許的現象時，可在用戶側采取電壓波動補償措施。在許多國家里，電壓波動允許值小于xmn值，因此通常均采用xmn=SLB/SDR作為電弧爐被允許接到電網上的技術條件。由圖3可以看出，對于1000kVA的電弧爐變壓器而言，當系統短路容量SDR大于電弧爐變壓器容量的100倍時，電弧爐可以無條件地接入到電網中去，如果上述條件得不到滿足，即xmn值位于圖3曲線1′上方或者1和1′之間時，則需裝設靜補裝置。

第二種方法是國際電熱委員會提出的高功率、超高功率電弧爐被允許接到電網上的限制曲線，見圖4。由圖4可以看出，電弧爐被允許接到電網上的條件決定于電爐變壓器容量以及電極短路容量與系統短路容量之比。在一般情況下，電極短路容量對臨界母線上短路容量的比值不超過0.02時，允許電弧爐接到電網上去。

圖中：SJD和SDR分別為電極短路容量和系統短路容量。

3相控型無功補償裝置容量的計算

根據我國國家標準《電力設計技術電熱裝置篇》第19條規定：三相電弧煉鋼爐工作短路時引起的供電母線上電壓波動值不應超過5％。另據冶金工業部《鋼鐵企業電力設計手冊》第五章電弧爐煉鋼車間中的規定：電弧爐工作短路引起的供電電壓波動限制在5％以下。按照上述規定，圖2中靜補裝置容量QSVC可由下式確定：Δu=0.05=（7）

式中：QSVC為靜補裝置無功變化范圍。

當多臺電弧爐同時工作時，電弧爐供電母線B、C點的合成電壓波動亦不應超過允許值5％。當圖2中母線uA上的電壓波動允許值給出之后，當K1斷開時，電爐母線uB上的電壓波動允許值由下式確定：ΔuB=ΔuA（8）

式中：ΔuA和ΔuB分別為系統母線上和電爐母線上的電壓波動允許值。

本文討論的靜補裝置原理圖示于圖2(b)，它由晶閘管控制電抗器（TCR）和固定濾波器組（FC）構成[2]。前者能夠將TCR消耗的無功功率由0改變到QTCR；

圖4電弧爐鋼爐被允許接到電網上的限制曲線

（1允許接入2邊緣區域3不允許接入）

圖5某鋼廠30t電弧爐供電系統圖

后者則由三次、五次、七次和高通濾波器組成，FC發生的基波無功功率是固定的，但它又是由各次諧波濾波器組成，即QFC=Q3＋Q5＋Q7＋Qhp。整個靜補裝置發出的無功功率QSVC=QFC－QTCR。

確定靜補裝置SVC的設備容量，即確定TCR和FC的容量，以及SVC的連接點是非常重要的。

為了提高負載功率因數，FC濾波電路中的電容器發生的容性無功功率應當等于為了提高功率因數達到規定值所必須的無功功率平均值和TCR電路消耗的感性無功功率平均值之和，即[3]

QFC=npa(tg?Lm－tg?LY)＋0.5QTCR（9）

式中：n為爐子臺數；

pa為熔化期一臺爐子消耗的有功功率平均值；

QTCR為靜補裝置中TCR消耗的無功功率；

?Lm為熔化期電爐母線上的基波電壓對于爐子基波電流之間的相角（平均值）； ?LY為電爐母線上非畸變電壓對于爐子基波電流之間的相角允許值。通常tg?LY≈0.2，相當于cos?≈0.98

日本富士電機公司撰文指出，靜補裝置的總容量一般選擇等于電弧爐三相短路時短路容量的50％左右。

4設計實例

作為實例，計算廣東某鋼廠30t超高功率電弧爐短路容量及其所需靜補裝置容量。供電系統圖示于圖5。已知數據

SA=900MVA

UA=110kV

ST=63MVA

UB=35kV

eK=0.07

SBL=20MVA

根據式（4），B點短路容量為SB==

=450MVA

根據式（5），一臺電弧爐短路時的短路容量為SL==

=38.4MVA

根據式（1），當這臺電弧爐發生運行短路時，引起B點的電壓波動值為Δu==×100％=8.5％

該值超過允許值5％的指標，因此必須裝設靜補裝置，其容量根據式（7）ΔuB=×100％=5％

可以求出

QSVC=SL－SB·ΔuB

=38.4－450×0.05

=16Mvar

可見，QSVC為這臺電弧爐短路容量SL的41.6％，接近富士電機公司提出的50％經驗數據，詳細計算從略。

5結語

1）為了正確選擇電壓波動補償裝置參數，必須根據被補償電弧爐的供電電路參數及其負荷特性，求出ΔQ值。然后根據供電系統短路容量求出Δu值。如果Δu值超出標準，則必須裝設SVC裝置。

2）本文給出的各公式業已經過實踐考驗，例如曾在大連鋼廠、西安鋼廠等冶金工廠驗證過，計算值同利用電壓閃變測試儀測出的結果相吻合。 參考文獻

[1]翁利民,陳允平,田智萍.電弧爐的電壓閃變與抑制[J].

工業加熱,2001（6）,26～28.

[2]同向前.電弧爐電壓閃變[J].工業加熱,1996（3）.

[3]陳祖賢.煉鋼電弧爐引起的電壓波動閃變及其抑制措施[J].

工業加熱,1994（4）.