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大容量電弧爐對電網干擾的抑制方法

日期:2021-06-01 03:50
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摘要:摘要:介紹了大容量電弧爐引起電網電壓波動和閃變等問題。提出了優化電弧爐結構設計,采用內部減少對電網的干擾和外部補償措施相結合的方法抑制電弧爐對電網的干擾,并介紹了目前國內外在該領域技術發展的動態。 關鍵詞:電能質量 電網 電壓波動
1 煉鋼電弧爐對電網的干擾分析
電弧波動是對電網產生干擾的根源。電弧爐在運行時電弧電流受電磁力作用、電極移動以及對流氣體的影響變化劇烈,并且具有很大的隨機性,特別在起爐、廢鋼熔化、打洞塌落、短接廢鋼、氣體噴出時尤為嚴重。劇烈的電弧電流變化,產生劇烈的無功、有功沖擊,以100 t交流電弧爐為例,*大的無功沖擊可達到150 Mvar。電弧爐煉鋼時產生以下現象:
(1)由于電弧電阻的非線性和瞬變性產生高次諧波;
(2)交流電弧爐運行時由于三相電弧不對稱,產生負序電流;
(3)在劇烈的無功、有功沖擊電流作用下,供電系統產生劇烈的電壓波動和閃變。
電弧爐在熔化期產生高次諧波、負序電流,從而引起電網電壓波動和閃變。
世界各國對高次諧波、負序電流注入電網的量,以及電壓波動、閃變的限制值都有明確規定,以保證電網的供電質量。我國于1990年制訂了標準,對電網的公害加以限制。目前,對于電弧爐產生的高次諧波采用濾波器可以有效地加以抑制。但對于電弧爐引起的電壓波動 、閃變的抑制從技術上來說比較因難,需從多方面綜合考慮加以抑制。

2 煉鋼電弧爐引起的電壓波動、閃變的抑制方法
2.1 改進煉鋼工藝、優化電弧爐設計參數
(1)廢鋼料預熱
電弧爐煉鋼時產生大量的高溫煙氣可用于預熱廢鋼料。電弧爐安裝廢鋼預熱裝置后,可將廢鋼料在裝爐前預熱到700℃左右。在高溫下,一部分不導電的雜質被除掉,廢鋼變軟且電阻率變大,熔化期電弧相對穩定,引起的電壓波動和閃變相對降低。根據國外實測的數據 ,利用這種方法可降低電壓波動和閃變約5%左右,效果比較明顯,是一種經濟、實用的方法 。
(2)破碎工藝
大塊的廢鋼在電弧爐內不易熔化,而且容易短接電極造成短路使電弧不穩定,增大了無功沖擊、增加了冶煉時間、降低了效率。因此,現代煉鋼工藝都逐步采用廢鋼破碎和凈化技術來降低生產成本,同時也降低了熔化期的電壓波動和閃變。
(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 合理選用供電電源
(1)采用專用直配線供電
采用專用高壓直配線供電*為合理,在電弧爐附近設置電弧爐專用降壓變電所。
(2)把電弧爐接到短路容量較大的電網上歐洲早在70年代就將220 kV電源由電網直配煉鋼廠的降壓變電所,以獲得較大的短路容量,減小電壓波動和閃變。我國在1992年將220 kV電源由電網直配至煉鋼廠降壓變電所。
電網的短路容量是決定大容量電弧爐是否允許運行的決定條件。以交流電弧爐為例,當供電系統在*小運行方式下三相短路容量大于電弧爐變壓器額定容量的80倍,即Sxmin/Se>80時,不采取任何補償措施,電弧爐在熔化期引起的電壓波動值可小于1.6%,閃變值可小于0.4%。當80>Sxmin/Se>56時,采取適當的補償措施可使電壓波動和閃變值降至允許值 。當Sxmin/Se<56時,采取補償措施也無法達到允許值。只能考慮減小電弧爐變壓器的額定容量,或在高壓側串聯限流電抗器的方式限制電壓波動和閃變。如果還不能達到允許值,則應考慮改用直流電弧爐或采取其它綜合措施加以解決。

2.3 改進電弧爐供電設備
(1)在高壓側串聯電抗器
近年來國外應用較多的是串聯空芯電抗器,例如意大利DAN公司生產的100 t交流電弧爐 ,變壓器額定容量為90 MVA+20%。在高壓側串聯阻抗為2Ω的空芯電抗器,采用熔化期噴吹輔助燃料的措施,可使電壓波動和閃變降低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為流行。直流電弧爐和交流電弧爐相比,所產生的電壓波動和閃變可降低40%~50%左右;不產生負序電流;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,有功損耗增大,維護量大,造價高。而且電極需要進口,加之交流電弧爐技術指標不斷提高,因而可能影響直流電弧爐的廣泛應用。
(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干擾。該整流器在比利時次使用。
應當指出,為了補償功率因數,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產生過補償,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 采用無功補償裝置
(1)采用SVC裝置進行補償
靜止無功補償裝置(SVC)有多種結構,如自飽和電抗器型(SR)、晶閘管投切電容器型(TSC)、晶閘管閥相控電抗器型(TCR)、晶閘管閥相控高阻抗變壓器型(TCT)等,選擇何種結構的動態調節裝置是根據被補償對象的特點決定的。對于電弧爐負荷,國內外目前公認的是采用TCR型動態調節器,并附加諧波濾波器(FC),組成TCR+FC補償裝置。它的作用有:補償功率因數;濾除高次諧波;補償中性點偏移;抑制電壓波動和閃變。但是,一般實用的SVC裝置對閃變的改善率均小于30%。TCR+FC補償測量,由于具有分相調節的性能。因此在電弧爐供電系統補償應用特別廣泛,是目前國內外電弧爐應用*多的補償裝置。如果SVC的額定容量小于25Mvar,從技術、經濟上考慮則不如采用TCR型。如果對閃變的補償率要求不高,可以采用降壓變壓器型式的TCR,將晶閘管閥運行電壓降到10 kV左右,從而減少晶閘管閥的串聯數量,和直掛式相比可以降低設備的投資。
(2)采用有源濾波裝置
有源濾波裝置國外稱配電用靜止補償器(DSTATCOM),近年美國、日本已開始應用。它的工作原理與普通的SVC完全不同。采用可關斷的電力電子器件和基于坐標變換原理的瞬時無功理論進行控制,是一種能夠兼顧諧波濾波無功補償的裝置。DSTATCOM和普通SVC相比較有以下優點:
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??;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中的逆變器,一般采用脈寬調制(PWM)技術。換流器件一般采用可關斷晶閘管(GTO)或絕緣柵雙極晶體管(IGBT),目前采用IGBT器件組成的輕型SVC裝置可做到20 Mvar左右,電壓*高為10.5 kV。大容量的補償裝置,一般采用和LC濾波器混合使用的辦法 ,諧波的高次部分(一般11次以上諧波)由LC濾波器吸收,這樣可以降低換流器件的容量和截止頻率,從而降低設備的造價。
DSTATCOM對電壓閃變有較強的抑制作用,根據瑞典ABB公司技術交流的資料介紹,采用IGBT做換流器件組成的DSTATCOM可使電壓閃變降低3.5倍。
采用DSTATCOM裝置抑制閃變是目前*好的辦法,但由于目前大功率、快速的半導體元件制造在技術上還有很多問題,加之控制理論還需進一步研究完善,影響了它的應用。目前只有少數國家開始應用,而且容量都較小。應用在大容量超高功率電弧爐上的DSTATCOM現在還沒有。隨著GTC、IGBT等電力半導體器件技術性能的不斷提高,價格不斷下降,控制理論和控制器的不斷完善,DSTATCOM在超高功率電弧爐上的應用將成為現實,因此,國內外專家普遍認為DSTATCOM是今后電力系統補償裝置發展的方向。

3 結論
煉鋼電弧爐引起的電網電壓波動和閃變是隨機性的,熔化期尤為嚴重。電壓波動和閃變的大小取決于電弧爐本身的結構型式和電弧爐變壓器的容量以及電網的短路容量。抑制電壓波動和閃變的措施應從項目的可研階段進行,先著眼于電弧爐本身的優化設計和運行工況的改善,從根本上降低電壓波動和閃變,其次是采取合適的補償措施以降低電壓波動和閃變 。如果計算結果不能達到要求,應考慮改換到短路容量更大的電網上,或改用直流電弧爐。從供電方面考慮,直流電弧爐較交流電弧爐有明顯優點,但從國內運行情況看直流電弧爐綜合經濟技術指標并不理想,應慎重決策,通過綜合比較,合理選擇電爐的結構型式、供電方式和高壓電源的電壓等級,以力求減少工程投資。

滬公網安備 31011302004101號

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