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电弧炉对电网及自身的影响和抑制方案

1 引言
现代大型功率炼钢电弧炉，由于其容量大，是用电大户，对电网的影响具有举足轻重的作用。它具有功率因数低，无功波动负荷大且急剧变动，产生有害的高次谐波电流，三相负荷严重不平衡产生负序电流等对电网不利的因素，使得电网电能质量恶化，危及发配电和大量用户，也影响电炉自身的产量、质量，使电耗、电极消耗增大，从而成为电网的主要公害之一。现在有关大型电弧炉对电网公害抑制的研究也正在深入开展，有必要对其不利影响和抑制对策作一概述性的分析。
2大型电弧炉对电网的影响
2.1引起电网电压急剧波动
大型电弧炉在熔化期电弧长度急剧变化，引起无功负荷急剧波动，其工作短路功率为电炉变压器额定功率的两倍左右，其最大波动无功为电炉变压器额定功率的1.5倍左右（具体倍数取决于短网阻抗、电炉变压器阻抗、供电系统阻抗之和的大小，总阻抗大则工作短路倍数小，反之则大）。无功的急剧波动，引起电网电压的急剧波动，其波动频率一般为1~15Hz，使灯光和电视机屏幕产生闪烁，使人视觉疲劳而感到烦躁，此外还影响到晶闸管设备和精密仪表等的稳定运行，甚至产生质量事故。国标GB12326-2000《电能质量 电压允许波动和闪变》规定了电力系统公共供电点各级电压等级的电压波动和闪变允许值。
2.2使电网电压波形产生畸变
电弧炉在熔化期，电弧电流是不规则的，且急剧变化，其电流波形不是正弦波，可分解为2次和2次以上的各次谐波电流，主要为2~7次，其中2次和3次最大，其平均值可达基波分量的5%~10%，最大可达15%~30%；4~7次平均值为2%~6%，最大值可达6%~15%。而电网中的铁磁元件也产生高次谐波，以3次和5次谐波电流较大，其中3次分量最大，而电炉刚好也是3次谐波电流很大，这对电网是极为不利的。谐波电流流入电网，使其电压波形发生畸变，引起电气设备发热、振动，增加损耗，干扰通信，使电力电缆局部放电绝缘损坏，电容器过载损坏等，国家标准GB/T14549-1993《电能质量 公用电网谐波》规定了电压波形畸变率限值。
2.3使电网电压产生负序分量
电弧炉在熔化期，特别是打孔期，各相电弧电压是独立变化的，三相电弧各自发生急剧无规则变化，故其三相电流是不对称的。在正常生产情况下，产生的负序电流约为电炉变压器额定电流的25%左右；在不正常情况下，如一相断弧时，可达56%左右，如两相短路的同时，第三相又断弧，此时可达86%左右。负序电流流入电网，使电网电压产生负序分量，影响发电机和用电设备使用效果，严重时可能造成损坏，还会使继电保护误动作，其严重程度一般用不平衡度（即负序电压与正序电压分量之比的百分数）表示，国标GB/T15543-1995《电能质量三相电压允许不平衡度》对于对称三相电网规定：负序电压不大于2%，短时不超过4%。一般来讲，在电网公共连接点上的短路容量为电炉变压器额定容量的30~40倍以上时，电网是允许的，否则应采取使三相达到平衡对称的补偿措施。
2.4 引起电网电压水平降低
电弧炉在熔化期功率因数低于0.7，在发生工作短路时甚至低到0.1，在精炼期大型电炉功率因数也不高，一般为0.8左右。由于功率因数低，感性无功功率大，从而引起电压水平降低，影响用电设备出力，增加电能损耗，按供用电规则的规定，必须采用无功补偿措施在高峰负荷时把功率因数提高到0.9以上，但又不得超前。
上述电弧炉对电网影响的四个方面，有时是单独作用的，有时是综合的。
3 大型电弧炉对自身及电气设备的影响
3.1对接在电弧炉供电电源电压等级上的发电机的影响
在电弧炉进行正常生产时，电气距离较近的小型电厂发电机有显著影响。不仅引起发电机振动，而且三相负荷不平衡还引起转子轴系产生曲扭，对轴产生不利影响，谐波电流使转子绕组铁心产生附加损耗，引起局部过热。出现频繁振动，定子三相电流幅值不平衡且波动很大。发电机出现这些情况是由电弧炉的无功波动、三相负荷不平衡、波形畸变综合作用形成的，而起主导作用的是无功波动。
3.2 对负序继电保护的影响，造成保护误动作
3.3 功率因数低，降低输送功率，增加网损
3.4 影响冶炼质量和效益
电弧炉炉况不稳定电极升降调节频繁，使电极消耗增加，电力单耗增加，影响电炉自身的电能质量，从而对冶炼质量不利，经济效益会降低。
4 抑制途径
抑制大型电弧炉对电网及其自身的影响的途径有：
① 提高供电电源的电压等级，以提高与电网公共连接点的短路容量，使其对电网和自身的影响在允许范围内；
② 采用SVC装置，使其对电网和自身的影响在允许范围内。
这两种途径相比，途径 ① 是治标的办法，因为电弧炉对电网和自身的影响的各种量值并未消除，而是送到更高电压等级的电网去扩散，随着电弧炉不断建设发展，这些量值在电网中增加积累，泛滥成灾，将会达到电网不能接受的程度，反而增加了对广大用户的影响，因此，使用范围越来越小；而途径② 是治本的办法，它使电弧炉对电网和自身的影响的各种量值大部分就地消除了，其应用前景广阔。
近年来发展起来的SVC装置是一种快速调节无功功率的装置，已成功地用于电力、冶金、采矿和电气化铁道等冲击性负荷的补偿上，它可使所需无功功率作随机调整，从而保持电弧炉等冲击性负荷连接点的系统电压水平的恒定。即
Qi=QD+QL-QC (1)
式中Qi为系统公共连接点的无功功率；QD为负荷所需的无功功率；QL为可调（可控）电抗器吸收的无功功率；QC为电容器补偿装置发出的无功功率，单位均为kvar。
当负荷产生冲击无功QD时，将引起
Qi = QD + QL + QC (2)
其中 QC =0欲保持Qi不变即 Qi =0则 QD = -QL即SVC装置中感性无功功率随冲击负荷无功功率作随机调整此时电压水平能保持恒定不变。
SVC由可控支路和固定（或可变）电容器支并联而成主要有四种型式其基本结构如图1所示

近几年来，用于电炉的SVC静补系统逐步得到改善，实践证明行之有效的有以下4种型式。
（1）晶闸管控制空芯电抗器型
即TCR型，见图1(a)，该类型SVC具有反应时间快（5~20ms），运行可靠、无级补偿、分相调节、能平衡有功、使用范围广、价格便宜等优点。因此工业发达国家的主要电气设备制造公司都生产和积极推广这种装置，应用最广，使用例子是大量的，是发展的主流，正如专家撰文所总结的“尤其在控制电弧炉负荷产生的闪烁时几乎都采用这种型式”。但是这种装置由于采用了先进的电子和光导纤维技术，对维护人员要专门培训以提高维护水平。并且设计时要预留一定的过载能力。
2）晶闸管阀控制高阻抗变压器型
即TCT型，见图1(b)，该类型SVC优点与TCR型差不多，但高阻抗变压器制造复杂，谐波分量也略大一些（因阻抗最大只能做到85%，起始控制角较TCR型大，不能达到谐波量较小的起始控制角），并约有50dB左右的噪声，由于有油，要求一级防火，只宜布置在一层房子内或户外，容量在30Mvar以上时价格较贵，而不能得到广泛应用，故最早研究推广应用TCT型的国外电气商现在也不推荐TCT型了。
（3）晶闸管开关控制电容器型
即TSC型，见图1(c)，这种类型SVC的特点是反应时间快（10~20ms），能分相调节、直接补偿、装置本身不产生谐波、损耗小，但是它是有级调节，综合价格较高，因而也未得到广泛应用。在380V低压配电系统中应用较多。
（4）自饱和电抗器型
即SSR型，见图1(d)，SSR型SVC装置由于原材料消耗大，噪声大，补偿不对称电炉负荷自身产生较多谐波电流，不具备平衡有功负荷的能力，加上制造复杂等因素，在近阶段的应用日趋减少。
5 滤波装置
该装置由电容器、电抗器，有时还包括电阻器等无源元件组成，以对某次及以上次谐波形成低阻抗通路，达到抑制高次谐波的作用。由于SVC的调节范围要由感性区扩大到容性区，所以滤波器与动态控制的电抗器一起并联，这样既满足无功补偿、改善功率因数，又能消除高次谐波的影响。
国际上用于大型炼钢电弧炉的滤波器种类有：各阶次单调谐滤波器、双调谐滤波器、二阶宽频带与三阶宽频带高通滤波器等。
（1）单调谐滤波器
一阶单调谐滤波器见图2(a)，优点是滤波效果好，结构简单；缺点是电能损耗比较大，但随着品质因数的提高而减少，同时又随谐波次数的减少而增加，而电炉正好是低次谐波，主要是2~7次，因此，基波损耗较大。二阶单调谐滤波器见图2(b)，当品质因数在50以下时，基波损耗可减少20%~50%，属节能型，滤波效果与二阶单调谐滤波器等效。三阶单调谐滤波器见图2(c)，是损耗最小的滤波器，但组成复杂，投资也高，用于电弧炉系统中，2次滤波器选用三阶滤波器为好，其它次选用二阶单调谐滤波器。
（2）高通（宽频带）滤波器
一般用于某次及以上次的谐波抑制，见图2(b)。当在电弧炉系统中采用，对5次以上起滤波作用时，通过参数调整，可形成该滤波器回路对5次及以上次谐波形成低阻抗通路。

用于大型电炉的滤波器组合最基本的有两类： ① 用3~5组单调谐滤波器组成； ② 由2~4组单调谐滤波器和一组二阶宽频带滤波器组成。第 ① 类组合对高次谐波滤波效果要差一些，但电能损耗低些；第 ② 类组合对高次数滤波效果好，分工也明确，设计也简单容易些。两者组合各有优缺点，总的发展趋势是在滤波效果好的前提下减少组数以节省占地和投资，又要尽可能优化组合以节省电能损耗。
除了在扰动严重的场合必须采取以上外部抑制措施外，还可在闪变水平并不很高的许多情况下，通过改善电弧炉的运行条件即可对电压闪变进行有效控制，如优化电弧炉的电气参数；在关键时刻修订电力使用计划；在一定时期改变电弧长度；改善废钢装载作法；采取预热、吹氧、添加助燃物质等措施。
结语
综上所知，TCR型SVC是在电弧炉上得到广泛应用的主流型式，是发展的主流。我国SVC在电弧炉的应用情况也是如此，在全国各大型炼钢电弧炉全是不谋而合地引进了TCR型SVC，在电弧炉上采用国产SVC装置，且现已投入运行的也有部分炼钢厂。