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直流電弧爐流諧波的測試及數(shù)據(jù)處理

日期：2025-07-25 08:42

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摘要：

　　1. 概述

　　電弧爐的大型化和超高功率化促進了直流電弧爐和高阻抗交流電弧爐的發(fā)展，隨著大容量整流器和底電極等技術(shù)難題的突破，使直流電弧爐得以進入工業(yè)化投產(chǎn)階段。超高功率直流電弧爐冶煉工藝與超高功率交流電爐類似，而直流電弧爐具有電弧穩(wěn)定，噪音小、電極消耗低等諸多優(yōu)點，在工業(yè)發(fā)達國家獲得迅猛的發(fā)展，尤其是大容量(70～150t)超高功率直流電爐[1]。

　　與交流電弧爐相比而言，直流爐在電源系統(tǒng)及爐底電極的維護方面較為麻煩，但在降低電網(wǎng)污染及電極消耗等方面仍較交流爐優(yōu)越[2]，采用先進的整流器供電系統(tǒng)及控制技術(shù)后，非常適合在弱電網(wǎng)的情況下運行[3]，有時可以不安裝TCR等動態(tài)補償裝置。直流電弧爐通過控制電弧電流和無功功率，可明顯減少電網(wǎng)電壓波動和閃變；由三相交流電源分擔負載，基本消除了負序?qū)﹄娋W(wǎng)三相不平衡的影響。直流爐的低次諧波電流遠比交流爐小，但高次諧波電流則比交流爐高，一般均裝設(shè)無源濾波器治理諧波，但由于電弧電流的快速波動性，使用不同測試方法和儀器的測試結(jié)果差異較大，可能影響治理方案的制定、治理效果的評價。本文通過對某臺70t超高功率直流電弧爐用不同測量儀器實測諧波數(shù)據(jù)的對比，分析產(chǎn)生差異的原因。

　　2. 測試及數(shù)據(jù)處理的基本方法

　　70噸直流電弧爐供電系統(tǒng)主接線如圖1所示，供電主變壓器容量為70MVA。分別采用ACE2000、TOPAS1000、PS-2三種電能質(zhì)量分析儀進行了測試，儀器輸入信號取自220kV母線PT二次側(cè)相電壓和總進線CT二次側(cè)電流。

　　測試按照諧波國家標準要求，選擇在電網(wǎng)正常供電時可能出現(xiàn)的*小運行方式，在電爐熔化期進行；測量的諧波次數(shù)為第2到第19次；測量間隔時間小于2min，記錄數(shù)據(jù)遠大于30組，測量結(jié)果取測量時段內(nèi)各相實際測量值的95%概率大值中*大的一相值，即將實測值由大到小次序排列，舍棄前面5%的大值，取剩余實測值中的*大值。為了區(qū)別暫態(tài)現(xiàn)象和諧波，每次測量結(jié)果為3s內(nèi)所測值的平均值，采用下式計算：

　　(1)

　　式中：Uhk—3s內(nèi)第k次測得的h次諧波的方均根值；

　　m —3s內(nèi)所取均勻間隔的測量次數(shù)，m≥6。

　　濾波器投入后，除了濾除電弧爐和精煉爐運行時產(chǎn)生的諧波電流外，還會吸收電網(wǎng)的背景諧波，從220kV側(cè)測得的諧波是電爐諧波電流經(jīng)濾波器濾波后的所剩下的分量與濾波器從電網(wǎng)吸收的諧波電流的總和，因此應對*終的測試數(shù)據(jù)進行了背景諧波扣除。根據(jù)諧波國標中的公式C6還可以采用式(2)進行計算：

　　 (2)

　　式中：α—相位疊加系數(shù)，按表1取值。

　　表1 各次諧波Kh系數(shù)和α系數(shù)

h	3	5	7	11	13	9/>13/偶次
Kh	1.62	1.28	0.72	0.18	0.08	0
α	1.1	1.2	1.4	1.8	1.9	2

　　3. 主要測試結(jié)果

　　3.1. ACE2000的測量結(jié)果

　　該測試儀可以設(shè)置“采樣窗口”長度，測試時設(shè)置為320ms?？倻y試時間達25個小時，在此期間電弧爐煉鋼大約25爐，共采集40000多組數(shù)據(jù)。按照規(guī)定方法統(tǒng)計出諧波電壓、諧波電流結(jié)果分別如表2、表3所列，背景電壓總諧波畸變率為1.24%，電壓總諧波畸變率為1.5%；這里電弧爐諧波電流的相位角是隨機變化的，按式(2)進行合成計算。

　　前4小時的有功功率變化曲線如圖2所示，220kV總進線的5次諧波電流變化曲線如圖3所示，從有功負荷和5次諧波電流的劇烈變動可以看出直流爐的快速變化特性。

　　圖2 電弧爐煉鋼時的功率變化曲線

　　圖3 220kV總進線的5次諧波電流變化曲線

　　3.2. TOPAS1000的測量結(jié)果

　　該電能質(zhì)量分析儀測量采樣窗口為固定值320ms，每次結(jié)果為3s平均值?？偟闹C波電壓的測量，是連續(xù)測量6爐次，每爐次取前7min期間條件*差的打孔期，進行數(shù)據(jù)采集處理，然后取6爐次的平均值，將各次諧波值選出*大的值，作為總諧波電壓的測量值。背景諧波電壓的測量，是在上面連續(xù)的6爐次中間的3個停止冶煉期進行測量，將測出的值選出*大的值，作為每次諧波的背景值。所有的值均取的是95%的概率大值，按公式(2)進行背景諧波扣除，*后，進行計算導出爐子的實際諧波電壓值見表4。同諧波電壓導出方法一樣可以導出爐子注入電網(wǎng)的諧波電流值見表4。

　　圖4是濾波器全投入時，停止冶煉時測出的背景諧波3秒值的平均電流值；圖5是濾波器全投入時，5小時內(nèi)測出的3秒值的平均諧波電流值的情況。

　　圖4 背景諧波電流

圖5 總諧波電流

　　3.3. PS-2的測量結(jié)果

　　該電能質(zhì)量分析儀基于1個周期采樣后進行傅立葉分解得出各次諧波含量，每次結(jié)果為3s平均值。測試結(jié)果見表5。

　　4. 造成測量差異的原因分析

　　三臺儀器的諧波電流測量結(jié)果互有差異，其中前兩臺測試結(jié)果基本接近(起碼在一個數(shù)量級上)，基本滿足工程允許誤差范圍；而第三臺儀器的測試結(jié)果明顯偏大，并且相差數(shù)倍，尤其是低次、偶次諧波很大，如果用來評價工程治理效果，必然“超標”；如果以此作為治理方案的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，必然增加工程投資。

　　究其根源，主要是在同樣工況下所使用的儀器不一樣，不同儀器在軟件、硬件處理方面不一樣，諧波國標中關(guān)于諧波測量方法的規(guī)定較為簡單，并未涉及各種不同負荷諧波的窗口選擇。

　　采用快速傅立葉變換(FFT)要求采集點數(shù)必須是整周波或整周波的倍數(shù)，當儀器采集頻率與電網(wǎng)不同步、沒有進行整周波采集時，會造成采集值的積分與實際整周波的積分值之間存在偏差，使測量結(jié)果偏離實際值[7]。可以采用以下方法來滿足測量精度的要求：

　　(1)按IEC61000-4-7:1991標準選用矩形窗插值算法和漢寧窗插值算法進行修正，該方法對低次諧波(11次以下)精度提高較明顯，對高次諧波精度提高不多；

　　(2)修正理想采樣頻率，該方法只能減少50%的泄漏；

　　(3)采用鎖相器(PLL)使信號頻率和采樣頻率同步，該方法實時性較好，同時可以解決頻譜泄漏問題。

　　IEC61000-4-7:1991標準按變化性態(tài)將諧波分為三類：準穩(wěn)態(tài)(慢變化)、波動、快速變化，并對測量用FFT的儀器取樣窗口寬度提出了基本要求(80～500ms不等)，而且對波動諧波和快速變化的諧波要求連續(xù)測量(即窗口間沒有間隔)，而國標中沒有這些規(guī)定。

　　文獻8對由于取樣窗口寬度造成儀器測量誤差的原因進行了分析，主要是一些諧波分析儀器似乎約定俗成，窗寬均取工頻的1個周期，這樣的儀器在測量一般帶有次諧波分量的波動性負荷諧波時會造成附加誤差，因為次諧波分量會造成工頻1個周期的波形上下偏移，也就是前半周和后半周的大小和形狀發(fā)生變化，分析結(jié)果中低次諧波，特別是偶次諧波(2次、4次)較大；而用寬窗口測得的諧波含量明顯減小。這是因為用寬窗口取樣，基波變?yōu)楦叽沃C波(例如400ms窗口相當于20個工頻周期，則工頻為分析結(jié)果的20次諧波)，主要的次諧波成分(即1/20次以上)不可能影響基波或更高次諧波的分析結(jié)果。

　　實際上有些儀器是按照圖6所示，累積一定的波形周期數(shù)量(叫做采樣窗口)，計算出一個平均周期并執(zhí)行諧波解析得出結(jié)果，這也是一種處理波動量的方法。不過，應該視不同負荷的變化性態(tài)采用合適的窗寬，因為采樣窗口的選擇并不是越長越好，當然相對寬的采樣窗口會有過濾的影響，以便平滑可能的暫態(tài)過程或波形中非標準的諧波。但這種方法不可能分析間諧波成分，且其計算誤差高，應做進一步探討。

　　儀器各通道的同步采樣十分重要，有的儀器默認為儀器的通道，如果該通道不接入被試信號，儀器測試數(shù)據(jù)將不正確(甚至儀器根本就無法正常工作)；有的儀器會自動識別尋找接入儀器的個有效被試信號并以此同步，當輸入信號太弱時會影響測量準確性或變得完全不可信；有的儀器則提供可選項，可選值可能有：(1)電壓通道L1，采樣速率可以從L1電壓輸入信號的鎖定相循環(huán)中得到，正常功率和諧波測量宜選此項；(2)電流通道L1，采樣速率可以從L1電流輸入信號的鎖定相循環(huán)中得到，選擇這個選項一般為了獲得非常**的電流測量，特別是諧波測量；(3)50Hz(或60Hz)計時器，只有當L1電壓或電流信號不能正確使用時(不可靠或在PLL界線以下的低水平信號)選用；(4)交流電力線路，采樣速率可以從交流電力線路頻率中得到，選擇這些選項只有當L1電壓或電流信號不能正確使用(不可靠或在PLL界線以下的低水平信號)并且被測線路頻率與電力線路相同時選用。