炼钢电弧炉无功补偿和谐波治理案例
1．概述
随着炼钢业和冶炼技术的发展，越来越多的电弧炉设备投入到生产当中，其容量越来越大。由于其自身的工作特性，造成了日益严重的谐波污染问题，严重影响到了电能质量，对其谐波治理已经迫在眉睫。本文介绍了电弧炉的无功补偿及谐波治理方案。研究了电弧炉系统的电气模型、并对其产生的谐波电流进行了分析，结合实际电弧炉系统的谐波测试情况对该电弧炉系统谐波治理方案。
2．电弧炉的工作特点
电弧炉属非线性负荷，在工作的过程中会产生高次谐波，而且电弧炉的用电量很大，电炉变压器的容量从数兆伏安到数十兆伏安。从钢铁的冶炼工艺分，电弧炉的工作过程可分为三个阶段：熔化期、氧化期和还原期。钢铁在熔化期的用电量很大，氧化期和还原期的用电量明显降低。钢铁在熔化期内不仅电弧炉的用电量大，而且在这个阶段由于下降电极起弧和炉料崩塌使电极接触废钢而造成短路，其后快速提升电极又拉断电弧造成断路，短路期间内产生很大的电流，造成三相不平衡。在冶炼过程中由于电磁力和炉内气流的作用以及钢液和炉渣的流动，使电弧放电的路径不断变化和弧隙电离程度不断变化，从而引起负荷电流变化大、变化速度快、变化频繁而无规则。
3．用户供电系统参数及考核指标
3.1主变压器参数
型号：
额定容量：SE＝31.5MVA
电压变比：110／10KV
短路阻抗百分数：UK＝10.47％
系统短路容量
110KV侧：SDMAX＝870MVA
SKMIN1＝652MVA
3.210KV电弧炉的谐波发生量
表1电弧炉谐波发生量
| 谐波次数 | 2 | 3 | 4 | 5 | 7 | 11～23 |
| 谐波电流％ | 7 | 10 | 5 | 9 | 4 | |
| 谐波电流值（A） | 50.5 | 72.2 | 36.1 | 65 | 29 | |
3.3电弧炉供电系统图
3.4考核的技术指标
3.4.1平均功率因数要求
10KV母线的月平均功率因数：COSφ≥0.95，不过补。
3.4.2闪变要求
满足国家标准GB12326－2000《电能质量电压允许波动和闪变》的要求：
10KV电压波动：△U≦1.25％
闪变：PST＝0.9，PLT＝0.7
110KV电压波动：△U≦1.0％
闪变：PST＝0.8，PLT＝0.6
3.4.3谐波电压要求
按国标GB／T14549－93的规定，供电系统各电压等级下允许的电压畸变率如表二所示。
表2GB／T14549－93所规定的电压畸变率限值
| 电网标称电压 KV | 电压总谐波畸变率 ％ | 各次谐波电压含有率，％ | |
| 奇次 | 偶次 | ||
| 10 | 4.0 | 3.2 | 1.6 |
| 110 | 2.0 | 1.6 | 0.8 |
3.4.4谐波电流要求
谐波电流允许值
按GB／T1459－93的要求，当考核点在110KV母线时，注入考核点110KV母线的各次谐波电流允许值在短路容量为870MVA时如表3。
表3短路容量为870MVA，注入110KV母线各次谐波电流允许值
次数 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13
电流（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
次数 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25
电流（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短路容量为652MVA，注入110KV母线各次谐波电流允许值
次数 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13
电流（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
次数 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25
电流（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.基波补偿容量的确定
正常运行时的自然功率因数值＝0.70
功率因数为0.70时，系统中存在的无功功率和有功功率相等，功率因数提高到0.95时，系统中存在的无功功率和有功功率的比值为1：3，则需补偿的无功功率为
12.985÷3×2＝8.656MVAR
将功率因数提高到0.95以上，取10KV系统无功功率补偿容量：Q＝10622KVAR
5.KYSVC高压静止型动态无功补偿装置的设计
5.1KYSVC高压静止型动态无功补偿装置的设计原则
1）KYSVC高压静止型动态无功补偿装置在滤除系统谐波的同时具有无功功率补偿的作用；
2）KYSVC高压静止型动态无功补偿装置投入后保证PCC点的各项谐波指标满足国家标准关于谐波限值的要求；
3）考核点月平均功率因数满足平均功率因数≥0.95；
4）仿真计算KYSVC高压静止型动态无功补偿装置投入后不与系统发生并联谐振，即在各种运行方式下谐振点不在主要次谐波频率下；
5）对滤波器过电流、过电压**性能进行校核；
6）以经济的投资来实现本项目KYSVC高压静止型动态无功补偿装置的技术、**指标；
7）SVC滤波器的分组充分考虑负荷变动、而PCC点处又不允许无功倒送时能方便的切除部分滤波补偿支路，同时保证各项谐波指标不超出规定的要求。
5.2KYSVC高压静止型动态无功补偿装置的配置
KYSVC高压静止型动态无功补偿装置主要由滤波电容器、滤波电抗器、控制器及保护装置、投切滤波器的开关组成。针对系统的谐波情况分别做四条无源滤波器，滤除系统中2次、3次、4次、5次谐波。
5.3滤波及补偿装置大输出的基波无功功率：10622MVAR
5.4动态响应时间《100MS
5.5KYSVC高压静止型动态无功补偿装置的技术参数
A）根据谐波电流仿真计算滤波器的安装容量：15600KVAR
B）基波容量：10622KVAR
C）系统电压：10KV
5.6KYSVC高压静止型动态无功补偿装置参数确定
5.6.1根据各次谐波发生量的情况以及无功需求，经过计算机专用程序的优化仿真设计，确定滤波器组的支路设置及容量分配见下表五
表5滤波支路的配置及容量分配
| 序号 | 调谐次数 | 滤波器类型 | 安装容量KVAR | 基波容量KVAR |
| 1 | 2 | 单调谐 | 3600 | 2176 |
| 2 | 3 | 单调谐 | 4200 | 3084 |
| 3 | 4 | 单调谐 | 3600 | 2506 |
| 4 | 5 | 高通 | 4200 | 2856 |
| 合计 | | | 15600 | 10622 |
5.6.2KYSVC高压静止型动态无功补偿装置主设备参数
表6KYSVC高压静止型动态无功补偿装置各主要元件的基本参数
| 元件 | 参数 | 组别 | |
| H2 | | ||
| 滤波电容器 | 单台容量，KVAR | 200 | |
| 台数 | 18 | | |
| 单台额定电压KV | 9.0 | | |
| 单台额定电流A | 22.22 | | |
| 单台额定电容μF | 47.157 | | |
| 绝缘水平KV | AC42／LI75 | ||
| 滤波电抗器 | 额定电感MH | 53.742 | |
| 基波电流A | 94.22 | | |
| 额定电流A | 133.3 | | |
| 基波品质因数 | 25 | | |
| 调谐频率下品质因数 | 46.5 | | |
| 绝缘水平KV | AC42／LI75 | ||
| 绕组结构 | 干式空心，膜包铝线 | ||
| 调节范围 | ±5％，无级可调 | ||
6.KYSVC高压静止型动态无功补偿装置投入运行后的滤波效果
6.1谐波电压
KYSVC高压静止型动态无功补偿装置投入前后，PCC点母线的电压畸变率以及各支路电容器的谐波电压见下表。
表7KYSVC高压静止型动态无功补偿装置投入前后PCC点谐波电压变化
| 谐波 次数 | 各支路电容器谐波电压，V | 小运行方式下PCC点电压畸变率，％ | ||||
| H2 | H3 | H4 | H5 | 未投入滤波器 | 投入滤波器 | |
| 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 |
| 合计 | 8494 | 7414 | 6642 | 6587 | 2.046 | 0.442 |
谐波电压畸变率满足PCC点电压畸变率的要求。
6.2谐波电流计算结果
| 谐波 次数 | 流入各滤波支路的谐波电流，A | 小运行方式下注入10KV点谐波电流，A | ||||
| H2 | H3 | H4 | H5 | 未投入滤波器 | 投入滤波器 | |
| 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 |
| 合计 | 49.21 | 72.62 | 45.47 | 88.14 | 252.7 | 87.36 |
表8小运行方式下流入系统及各滤波支路的谐波电流
谐波电流满足国家标准GB／T1459－93的要求
6.3平均功率因数要求
KYSVC高压静止型动态无功补偿装置投入运行后10KV母线的月平均功率因数：COSφ＝0.97，不过补。
6.4电压闪变达到国家标准GB12326－2000《电能质量电压允许波动和闪变》的要求：
10KV电压波动：△U﹤1.25％
闪变：PST＝0.9，PLT＝0.7
110KV电压波动：△U﹤1.0％
闪变：PST＝0.8，PLT＝0.6
6.5KYSVC高压静止型动态无功补偿装置投入运行后，滤波效果良好，在各种运行方式下未与系统发生并联谐振。
7．结论
该电弧炉安装KYSVC高压静止型动态无功补偿装置后，通过KYSVC高压静止型动态无功补偿装置投入前和投入后对测量结果的分析，有以下结论：
7.1KYSVC高压静止型动态无功补偿装置投入运行后，滤波效果满足国标GB／T1459－93的有关规定。
7.2电压闪变达到国家标准GB12326－2000《电能质量电压允许波动和闪变》的要求。
7.3测量点的功率因数从0.70提高到0.97，节能效果明显。
7.4KYSVC高压静止型动态无功补偿装置运行稳定，满足KYSVC高压静止型动态无功补偿装置的设计要求。
