電弧爐濾波補(bǔ)償暨諧波治理
1、概述
隨著煉鋼業(yè)和冶煉技術(shù)的發(fā)展，越來越多的電弧爐設(shè)備投入到生產(chǎn)當(dāng)中，其容量越來越大。由于其自身的工作特性，造成了日益嚴(yán)重的諧波污染問題，嚴(yán)重影響到了電能質(zhì)量，對其諧波治理已經(jīng)迫在眉睫。電弧爐的無功補(bǔ)償及諧波治理方案。研究了電弧爐系統(tǒng)的電氣模型、并對其產(chǎn)生的諧波電流進(jìn)行了分析，結(jié)合實(shí)際電弧爐系統(tǒng)的諧波測試情況對該電弧爐系統(tǒng)諧波給出了治理方案。
2、電弧爐的工作特點(diǎn)
電弧爐屬非線性負(fù)荷，在工作的過程中會(huì)產(chǎn)生高次諧波，而且電弧爐的用電量很大，電爐變壓器的容量從數(shù)兆伏安到數(shù)十兆伏安。從鋼鐵的冶煉工藝分,電弧爐的工作過程可分為三個(gè)階段：熔化期、氧化期和還原期。鋼鐵在熔化期的用電量很大，氧化期和還原期的用電量明顯降低。鋼鐵在熔化期內(nèi)不僅電弧爐的用電量*大，而且在這個(gè)階段由于下降電極起弧和爐料崩塌使電極接觸廢鋼而造成短路,其后快速提升電極又拉斷電弧造成斷路,短路期間內(nèi)產(chǎn)生很大的電流,造成三相不平衡。在冶煉過程中由于電磁力和爐內(nèi)氣流的作用以及鋼液和爐渣的流動(dòng)，使電弧放電的路徑不斷變化和弧隙電離程度不斷變化，從而引起負(fù)荷電流變化大、變化速度快、變化頻繁而無規(guī)則。
3、用戶供電系統(tǒng)參數(shù)及考核指標(biāo)
3.1主變壓器參數(shù)
額定容量：Se=31.5MVA
電壓變比：110/10kV
短路阻抗百分?jǐn)?shù)：UK=10.47%
系統(tǒng)短路容量
110kV側(cè)：Sdmax=870MVA
Skmin1=652MVA
3.210KV電弧爐的諧波發(fā)生量
表1電弧爐諧波發(fā)生量
諧波次數(shù) | 2 | 3 | 4 | 5 | 7 | 11~23 |
諧波電流含有率% | 7 | 10 | 5 | 9 | 4 |
|
諧波電流值（A） | 50.5 | 72.2 | 36.1 | 65 | 29 |
|
3.3電弧爐供電系統(tǒng)圖
3.4考核的技術(shù)指標(biāo)
3.4.1平均功率因數(shù)要求
10kV母線的月平均功率因數(shù)：cosφ≥0.95，不過補(bǔ)。
3.4.2閃變要求
滿足國家標(biāo)準(zhǔn)GB12326-2000《電能質(zhì)量電壓允許波動(dòng)和閃變》的要求：
10kV電壓波動(dòng)：△U?1.25%
閃變：Pst=0.9，Plt=0.7
110kV電壓波動(dòng)：△U?1.0%
閃變：Pst=0.8，Plt=0.6
3.4.3諧波電壓要求
按國標(biāo)GB/T14549-93的規(guī)定，供電系統(tǒng)各電壓等級下允許的電壓畸變率如表二所示。
表2GB/T14549－93所規(guī)定的電壓畸變率限值
電網(wǎng)標(biāo)稱電壓 kV | 電壓總諧波畸變率 % | 各次諧波電壓含有率，% | |
奇次 | 偶次 | ||
10 | 4.0 | 3.2 | 1.6 |
110 | 2.0 | 1.6 | 0.8 |
3.4.4諧波電流要求
諧波電流允許值
按GB/T1459-93的要求，當(dāng)考核點(diǎn)在110kV母線時(shí)，注入考核點(diǎn)110kV母線的各次諧波電流允許值在短路容量為870MVA時(shí)如表3。
表3短路容量為870MVA，注入110kV母線各次諧波電流允許值
次數(shù) | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 10 | 11 | 12 | 13 |
電流（A） | 13.9 | 11.1 | 6.96 | 11.1 | 4.64 | 7.88 | 3.48 | 3.7 | 2.78 | 4.98 | 2.32 | 4.29 |
次數(shù) | 14 | 15 | 16 | 17 | 18 | 19 | 20 | 21 | 22 | 23 | 24 | 25 |
電流（A） | 1.97 | 2.2 | 1.74 | 3.25 | 1.51 | 2.9 | 1.39 | 1.62 | 1.27 | 2.44 | 1.16 | 2.2 |
表4短路容量為652MVA，注入110kV母線各次諧波電流允許值
次數(shù) | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 10 | 11 | 12 | 13 |
電流（A） | 10.4 | 8.3 | 5.21 | 8.3 | 3.47 | 5.9 | 2.6 | 2.77 | 2.08 | 3.73 | 1.73 | 3.2 |
次數(shù) | 14 | 15 | 16 | 17 | 18 | 19 | 20 | 21 | 22 | 23 | 24 | 25 |
電流（A） | 1.47 | 1.64 | 1.3 | 2.43 | 1.13 | 2.17 | 1.04 | 1.21 | 0.95 | 1.82 | 0.87 | 1.64 |
4、基波補(bǔ)償容量的確定
正常運(yùn)行時(shí)的自然功率因數(shù)值=0.70
功率因數(shù)為0.70時(shí),系統(tǒng)中存在的無功功率和有功功率相等,功率因數(shù)提高到0.95時(shí),系統(tǒng)中存在的無功功率和有功功率的比值為1:3，則需補(bǔ)償?shù)臒o功功率為
12.985÷3×2=8.656Mvar
將功率因數(shù)提高到0.95以上,取10KV系統(tǒng)無功功率補(bǔ)償容量：Q=10622Kvar
5、濾波器的設(shè)計(jì)
5.1濾波器的設(shè)計(jì)原則
1）濾波器在濾除系統(tǒng)諧波的同時(shí)具有無功功率補(bǔ)償?shù)淖饔茫?br> 2）濾波器投入后保證PCC點(diǎn)的各項(xiàng)諧波指標(biāo)滿足國家標(biāo)準(zhǔn)關(guān)于諧波限值的要求；
3）考核點(diǎn)月平均功率因數(shù)滿足平均功率因數(shù)≥0.95；
4）仿真計(jì)算濾波器投入后不與系統(tǒng)發(fā)生并聯(lián)諧振，即在各種運(yùn)行方式下諧振點(diǎn)不在主要次諧波頻率下；
5）對濾波器過電流、過電壓**性能進(jìn)行校核；
6）以*經(jīng)濟(jì)的投資來實(shí)現(xiàn)本項(xiàng)目濾波器的技術(shù)、**指標(biāo)；
7）濾波器的分組充分考慮負(fù)荷變動(dòng)、而PCC點(diǎn)處又不允許無功倒送時(shí)能方便的切除部分濾波補(bǔ)償支路，同時(shí)保證各項(xiàng)諧波指標(biāo)不超出規(guī)定的要求。
5.2濾波補(bǔ)償裝置的配置
濾波補(bǔ)償裝置主要由濾波電容器、濾波電抗器、控制器及保護(hù)裝置、投切濾波器的開關(guān)組成。針對系統(tǒng)的諧波情況分別做四條無源濾波器，濾除系統(tǒng)中2次、3次、4次、5次諧波。
5.3濾波及補(bǔ)償裝置*大輸出的基波無功功率：10622Mvar
5.4動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間<100ms
5.5濾波器的技術(shù)參數(shù)
a) 根據(jù)諧波電流仿真計(jì)算濾波器的安裝容量：15600kvar
b) 基波容量：10622kvar
c) 系統(tǒng)電壓：10kV
5.6濾波器參數(shù)確定
5.6.1根據(jù)各次諧波發(fā)生量的情況以及無功需求，經(jīng)過計(jì)算機(jī)專用程序的優(yōu)化仿真設(shè)計(jì)，確定濾波器組的支路設(shè)置及容量分配見下表五
表5濾波支路的配置及容量分配
序號 | 調(diào)諧次數(shù) | 濾波器類型 | 安裝容量kvar | 基波容量 kvar |
1 | 2 | 單調(diào)諧 | 3600 | 2176 |
2 | 3 | 單調(diào)諧 | 4200 | 3084 |
3 | 4 | 單調(diào)諧 | 3600 | 2506 |
4 | 5 | 高通 | 4200 | 2856 |
合計(jì) |
|
| 15600 | 10622 |
5.6.2濾波器主設(shè)備參數(shù)
表6濾波器各主要元件的基本參數(shù)
元件 | 參數(shù) | 組別 | |
H2 |
| ||
濾波電容器 | 單臺容量，kvar | 200 |
|
臺數(shù) | 18 |
| |
單臺額定電壓kV | 9.0 |
| |
單臺額定電流A | 22.22 |
| |
單臺額定電容μF | 47.157 |
| |
絕緣水平kV | AC42/LI75 | ||
濾波電抗器 | 額定電感mH | 53.742 |
|
基波電流A | 94.22 |
| |
額定電流A | 133.3 |
| |
基波品質(zhì)因數(shù) | 25 |
| |
調(diào)諧頻率下品質(zhì)因數(shù) | 46.5 |
| |
絕緣水平kV | AC42/LI75 | ||
繞組結(jié)構(gòu) | 干式空心，膜包鋁線 | ||
調(diào)節(jié)范圍 | ±5%，無級可調(diào) | ||
6、濾波器投入運(yùn)行后的濾波效果
6.1諧波電壓
濾波器投入前后，PCC點(diǎn)母線的電壓畸變率以及各支路電容器的諧波電壓見下表。
表7濾波器投入前后PCC點(diǎn)諧波電壓變化
諧波 次數(shù) | 各支路電容器諧波電壓,V | *小運(yùn)行方式下PCC點(diǎn)電壓畸變率，% | ||||
H2 | H3 | H4 | H5 | 未投入濾波器 | 投入濾波器 | |
1 | 7698 | 6495 | 6158 | 6014 | ? | ? |
2 | 778 | 30 | 22 | 20 | 0.416 | 0.145 |
3 | 14 | 875 | 39 | 27 | 0.92 | 0.093 |
4 | 2 | 9 | 406 | 19 | 0.595 | 0.047 |
5 | 2 | 5 | 17 | 507 | 1.377 | 0.086 |
合計(jì) | 8494 | 7414 | 6642 | 6587 | 2.046 | 0.442 |
諧波電壓畸變率滿足PCC點(diǎn)電壓畸變率的要求。
6.2諧波電流計(jì)算結(jié)果
表8*小運(yùn)行方式下流入系統(tǒng)及各濾波支路的諧波電流
諧波 次數(shù) | 流入各濾波支路的諧波電流,A | *小運(yùn)行方式下注入10kV點(diǎn)諧波電流,A | ||||
H2 | H3 | H4 | H5 | 未投入濾波器 | 投入濾波器 | |
2 | 47.2 | 1.49 | 0.95 | 0.99 | 50.5 | 23.06 |
3 | 0.6 | 65.39 | 2.51 | 2.0 | 72.2 | 32.7 |
4 | 0.13 | 0.86 | 34.65 | 1.86 | 36 | 9.6 |
5 | 0.13 | 0.68 | 1.85 | 63.09 | 65 | 11 |
7 | 1.15 | 4.2 | 5.51 | 20.2 | 29 | 11 |
合計(jì) | 49.21 | 72.62 | 45.47 | 88.14 | 252.7 | 87.36 |
諧波電流滿足國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T1459-93的要求
6.3平均功率因數(shù)要求
濾波器投入運(yùn)行后10kV母線的月平均功率因數(shù)：cosφ=0.97，不過補(bǔ)。
6.4電壓閃變達(dá)到國家標(biāo)準(zhǔn)GB12326-2000《電能質(zhì)量電壓允許波動(dòng)和閃變》的要求：
10kV電壓波動(dòng)：△U?1.25%
閃變：Pst=0.9，Plt=0.7
110kV電壓波動(dòng)：△U?1.0%
閃變：Pst=0.8，Plt=0.6
6.5濾波器投入運(yùn)行后，濾波效果良好，在各種運(yùn)行方式下未與系統(tǒng)發(fā)生并聯(lián)諧振。
7結(jié)論
該電弧爐安裝濾波器后，通過濾波器投入前和投入后對測量結(jié)果的分析，有以下結(jié)論：
7.1濾波器投入運(yùn)行后，濾波效果滿足國標(biāo)GB/T1459-93的有關(guān)規(guī)定。
7.2電壓閃變達(dá)到國家標(biāo)準(zhǔn)GB12326-2000《電能質(zhì)量電壓允許波動(dòng)和閃變》的要求。
7.3測量點(diǎn)的功率因數(shù)從0.70提高到0.97，節(jié)能效果明顯。
7.4濾波器運(yùn)行穩(wěn)定，滿足濾波器的設(shè)計(jì)要求。
