冶金企业典型负荷电压波动的计算与抑制分析

张莉1 翁利民1,2

（ 1武汉钢铁设计研究总院电力室 湖北武汉 430080

2武汉大学电气工程学院 湖北武汉 430072 ）

Computing and Restraining of voltage Fluctuation of Metallurgy Power Network

Weng Limin 1 Zhangli 2

( 1College of Electric Power Engineering of Wuhan University, WuHan HuBei, 430072

2Wuhan Iron & Steel Design & Research Institute , WuHan HuBei, 430080 )

[摘要] 炼钢电弧炉、轧钢机、电阻性电焊机、及高压电动机启动时会对电网产生电压波动等不利影响,文章结合工程实际，分别对这四种冶金典型负荷的电压波动的计算方法和抑制措施进行了详细分析，并指出SVC 是现阶段抑制其不利影响的实际应用最广、最有效和最经济的措施之一；文章还结合工艺和炼钢的技术发展，说明改进电弧炉炼钢工艺、优化电弧炉的设计参数、合理选用供电电源和改进电弧炉供电设备等措施均可以减小电弧炉的不利影响。文章还对谐波治理与无功综合补偿的新技术-配电用静止补偿器与有源滤波器作了概述，以形成一个对冶金电力网典型负荷进行综合补偿的完整概念，并充分地了解其防护方法和抑制措施及其今后的发展走向，以利新技术的应用与推广。

[关键词] 电压波动 SVC DSTATCOM 电弧炉

[Abstracts] Steel-making arc furnace, steel-rolling motor, resistance welding, and starting voltage motor, will produce harmful influences to power network such as voltage fluctuation. The article analyses the computing method and restraining measures of voltage fluctuation produced by the four representative loads, points out that SVC is applied extensively, explains that to improve steel-making

technology, optimize the design parameter of arc furnace, choose the power source rationally, ameliorate power supply equipment, will decrease the adverse effect .The paper summarizes the STATCOM and APF, so that the integrity conception of general compensation to these typical loads in metallurgy distribution network, will be formed. It is helpful to understand the developing direction of controlling measures and defending methods.

[Keywords] voltage fluctuation SVC DSTATCOM arc furnace

1.引言

广泛应用于现代钢铁企业的炼钢电弧炉和轧钢机等冲击性非线性负荷的波动电流，当其流过供电线路阻抗，将使供电电压出现相应的波动。此波动电压将传递到电网其他馈出线路上危害其他用户的电气设备，严重地影响电炉及轧钢机自身的产量与质量，并使得电网电能质量严重恶化，电网损耗增大，从而成为电网迫切需要“综合治理”的问题。

电压波动（Voltage Fluctuation）是指电压方均根值的一系列变动或连续的改变，其值d 常以调幅波的相邻的极值Umax 和Umin（均为方均根值）之差ΔU 相对额定值U N 的百分比表示： %100×Δ=N

U U d （1）

单位时间电压变动次数叫频度r，一般以min -1或s -1为单位。

电压频繁波动，对于联结在同一网络中的其他受电设备的运行是不利的。对于同步电动机，急剧的电压波动，可能产生振荡现象；对于照明则产生闪烁。由闪烁引起人们的烦躁，不但与电压变化的百分值有关，而且与电压波动的频率等因素有关。荧光灯和水银灯在电压变化时引起的闪烁比白炽灯轻微。

电力系统公共供电点，由冲击负荷产生的电压波动允许值，见表1

表1: 电力系统公共供电点电压波动允许值 额定电压（kV ）

电压波动允许值（%） 10及以下 2.5

35~110 2.0 220及以上 1.6

2、电弧炉产生的电压波动

2.1 电压波动估算

工作短路时，供电母线上的电压波动值，当无电炉变压器及短网参数时，可按下式估算

%100max ×+=T

bs T KS S KS Vt （2） 供电母线上接有同时工作的多座电弧炉时，上式中的S T 改用等量电弧炉变压器额定容量S Te 代替

]})[(1.0{(21

32121K ++=T T T T T Te S S S S S S （3）

式中S bs ——供电母线上的短路容量，MV A ；

S T ——电弧炉变压器的额定容量，MV A ；

V tmax ——最大电压波动，%

S T1、S T2…——按大小排列的电弧炉变压器的额定容量，MV A ；

K ——工作短路电流倍数，指电弧炉装置的工作短路电流与电弧炉变压器额定电流的比值。

如电压波动值允许为5%，在工作短路电流倍数不大于1.6~3（30t 及以下普通功率电弧炉K 约为2.5~3，40t 以及上超高功率和高功率电弧炉K 为1.6~2.5）时，从式（2）得

S bs ≥KS T （)105

.0111−=−（）T t KS V =19KS T =（30.4~57）S T （4）

因此要求供电母线短路容量为电弧炉变压器额定容量的30.4~57倍。

若已知电弧炉最大无功和有功波动量，则电压波动可按下式计算：

)%100](21max [2max ×Δ+Δ=bs t S P Sbs Q V （5）

Δ

Q

max

△P与对应的有功波动量，MW；

Δ

max

Q

S bs——所计算校验电压波动点的母线短路容量或最大运行方式短路容量乘以0.7，MV A；

由于电弧炉最大电压波动发生在工作短路时，其cosф小于0.1，故式（5）的第二项一般均忽略不计，如计算熔化期经常性电压波动时，则不宜忽略第二项。

2.2 电压波动的措施

通过长时间的摸索与实践检验，现阶段电弧炉引起的电压波动的主要技术措施有：

（1）采用静止型无功补偿装置（简称SVC）。大型的高功率、超高功率电弧炉所引起的电压波动和电压闪烁大，给电力系统带来不利影响。对此如采用SVC装置进行静止无功补偿则既可减少对电网的影响，又能提高冶率，缩短冶炼时间，提高产量，降低用电单耗，降低电极和耐火材料消耗，稳定炉况保证质量。

（2）采用专用直配线供电或用较高电压向电弧炉单独供电。采用较高电压向电弧炉单独供电，视电弧炉容量大小，设专用供电变压器供一座炉或多座炉，可减少对其它用电设备的影响，同时由于提高了供电电压，使电力系统公共供电点短路容量增大，有可能不装或减小SVC的容量。但不宜一味追求高电压，需经技术经济比较后确定。为了保证电弧炉的产量，电弧炉变压器应采用带负荷调压的变压器。

（3）改进炼钢工艺、优化电弧炉设计参数

废钢料预热 电弧炉炼钢时产生大量的高温烟气可用于预热废钢料，电弧炉安装废钢预热装置后，可将废钢料在装炉前预热到700℃左右。在高温下，一部分不导电的杂质被除吊，废钢变软且电阻率变大，熔化期电弧相对稳定，引起的电压波动和闪变相对降低。根据国外实测的数据，利用这种方法可降低电压波动和闪变5%左右，效果比较明显，是一种经济、实用的方法。

破碎工艺 大块的废钢在电弧炉内不易熔化，而且容易短接电极造成短路使电弧不稳定，增大了无功冲击，增加了冶炼时间、降低了效率。因此，现代炼钢工艺都逐步采用废钢破碎和净化技术来降低生产成本，同时也降低了熔化期的电压波动和闪变。

喷吹辅助燃料 欧洲一些国家的钢铁企业在熔化期喷入重油或天然气等辅助燃料，以此来降低炼钢综合成本。经过实测，这种炼钢工艺对降低电压波动和闪变有一定的作用，目前，我国在大容量超功率电弧炉上也开始采用这种炼钢工艺。

优化电弧炉的设计 提高电极调节系统的灵敏度和快速性，缩短响应时间；充分考虑电极系统的固有共振性，消除或减少机械共振对电弧的影响；合理选择三相电极的极心圆直径，提高电弧的稳定性；提高电弧炉二次短网的功率因数。

（4）改进电弧炉供电设备

在高压侧串联电抗器 近年来国外应用较多的是串联空芯电抗器，在高压侧串联电抗器，采用熔化期喷吹辅助燃料的措施，可使电压波动和闪变降低25%。

采用直流电源对电弧炉供电 大容量的直流电弧炉近十年来在国外较为流行。直流电弧炉和交流电弧炉相比，所产生的电压波动和闪变可降低40~50%左右；不产生负序电流；对二次短网和电极来说没有集肤效应；二次侧可采用不同的接线方式。

3、轧钢机产生的电压波动

现代轧钢机传动装置的机组容量日益增大，有的达数万千瓦，而且其负荷变动异常剧烈，特点是重复冲击，速度周期变化。有的机组工作时，有功尖峰负荷可达额定容量的180~300%，周期约为数秒。与激烈的有功功率变动相适应，无功功率亦以相同程度发生波动，而且这种负荷上升的时间约为0.2s左右。无功功率波动会引起工厂母线电压波动，并且根据工厂供电系统情况，对地区电力系统也有一定影响。

尤其是现代冷、热连轧机用电容量很大，其有功冲击负荷变化值可达数万千瓦。并且由于冷、热连轧机控制性能的要求，大部分设备都采用直流电动机或交流变频传动，而且供电多半采用晶闸管整流装置。这样，从电网方面看，增加了一些新的特点：

（1）与“电动-发电”变流机组不同，冲击负荷无缓冲地直接反映到电网中去。

（2）大幅度调速时，尤其是低电压调速时，无功消耗增大，功率因数降低，因而无功功率冲击造成的电压波动更大。

（3）由于晶闸管调相调压的非线性特点，产生高次谐波分量，造成电网电压波形畸变，使电压质量下降。

其电压波动大致按（5）式计算，从式可见，忽略电阻部分后，电压波动取决于无功功率变量△Q与短量容量S bs的比值。母线短路容量越大，则电压波动越小。

实践中，抑制轧钢机产生的电压波动的措施有：

（1）加大电源容量，提高抗冲击负荷的能力。电网电压波动值V t，近似等于无功功率波动量与该点短路容量之比。设计时一般首先设法加大企业电源的短路容量。是否需要采取无功补偿措施，应视电网及企业具体情况而定。

（2）提高进线电压，提高整流器初级电压。电压波动相对值与电压平方成反比。进线电压越高，电压波动相对值就越小，因之，冲击负荷引起的电压波动对系统的影响也就减少。所以现代大型轧钢厂，有的要求直接以110kV电压进入主电机室直接降压，以保证生产时电压波动值。

（3）自备电厂的发电机组，装设自动励磁调节装置（A VR或AQR），可有效抑制由于无功冲击负荷引起的电网电压。

（4）进行动态无功功率补偿。由冲击负荷引起的电压波动，主要限决于无功功率波动值△Q与计算点的系统短路容量S bs的比值。如果在交流侧母线上装设动态无功功率补偿装置（即SVC），就地及时供给所需的无功功率波动量△Q，而不再由电网电源供给，则电压波动可以及时有效地抑制下去。

4、电阻性焊机焊接时的电压波动

电阻性焊机的运行特点即，焊机尖峰电流频繁出现，而且持续时间甚短，那么即使变压器在使用中温升不高，也应使尖峰电流不超过变压器额定值的两部，以免变压器线圈结构在反复的电动力作用下加速损坏。

电阻焊机引起的电压波动的措施主要有：（1）单相焊机应尽量用线电压供电；多台焊机应尽量均匀地接在三相上。

（2）根据车间负荷情况，选用较大容量的变压器供电，相对可减小变压器阻抗，从而减少变压器电压损失。

（3）大容量焊机尽靠近变电所，减少线路的阻抗和电压损失。

（4）改进焊机的控制线路，对几台较大容量焊机的控制线路加入逻辑控制环节，3~4台一组，使一组内的电焊脉冲值互不重叠。

（5）大容量焊机在必要时可装设动态无功补偿装置。

5、高压电动机起动时的电压波动

大容量电动机起动时，会在配电母线上引起短时的电压波动，只要该波动不危及供电安全并能保证电动机正常起动，可以允许有比较大的电压波动值。在电动机起动时，配电母线上的电压应满足下列要求：

1）一般情况下，电动机频繁起动时不应低于母线额定电压的90%，电动机非频繁起动时，不宜低于额定电压的85%。

2）配电母线上未接照明负荷或其它对电压下降较敏感的设备且电动机非频繁起动时，不应低于母线额定电压的80%。

3）配电母线上未接其它用电设备时，可按保证电动机起动转矩的条件决定。对于低压电动机，还应保证接触器线圈电压不低于其释放电压。

为了电动机起动时引起的电压波动，通常采取降压起动方式，如电动机回路串联电抗器、自耦变压器、Y-△变换、以及装设软启动装置和变频器等。电动机起引起的电压波动可接下式进行估算：

δU

B %=（1-U

B

*）×100 (6)

式中：δU

B

%：电动机起动时，配电母线上电压波动或电压暂降；

U

B

*：电动机起动时配电母线的额定标么值，由等值阻抗分压原理求得。

计算表明，电动机端子到配电母线电压波动越小，电动机起动时电动机端电压越低，从这可知，在电动机供电回路上串接电抗器可以抑制母线的电压波动，但应注意电动机起动转矩的相应降低。

6．配电用静止补偿器与有源滤波器

配电用静止补偿器（DSTATCOM）与有源滤波器（APF）是电力系统DFACTS与CP（用户电力）技术的重要内容。DSTATCOM的工作原理与普通的SVC完全不同。它采用可关断的电力电子器件和基于坐标变换原理的瞬时无功理论进行控制，是一种能够兼顾谐波滤波无功补偿的装置，由于电弧炉和轧钢机等典型负荷在产生电压波动的同时，还产生谐波分量、引起功率因数的降低等不利影响，所以DSTATCOM将成为其抑制措施的发展方向。

DSTATCOM与普通的SVC相比，有以下优点：响应时间快，对电压波动、闪变补偿率高，可减小补偿容量；体积小、重量轻，消耗的材料少，运行损耗小，滤波效果好，不受电网频率影响，没有谐波放大作用和谐振问题运行稳定等。

DSTATCOM中的逆变器，一般采用脉宽调制（PWM）技术，换流器件一般采用可关断晶闸管（GTO）或绝缘栅双极晶闸管（IGBT），DSTATCOM对电压闪变有较强的抑制作用，根据ABB公司的资料，采用IGBT做换流器件组成的DSTATCOM 可使电压闪变降低3.5倍。

采用DSTATCOM装置抑制闪变是目前最好的办法，但由于目前大功率、快速的半导体元件制造在技术上还存在很多问题，应用在大容量电弧炉上的DSTATCOM还没有，随着GTC、IGBT等电力半导体器件技术性能的不断提高，价格不断下降，控制理论和控制器的不断完善，DSTATCOM在超高功率电弧炉上的应用将成为现实，因此，DSTATCOM将是今后电力系统补偿装置发展的方向。

现阶段已经广泛用于配电网的无源滤波器虽然具有投资少、效率高、结构简单及维护方便等优点，但由于滤波特性受系统参数影响大，只能消除特定的几次谐波，而对某些次谐波会产生放大作用，甚至谐振现象等因素，随电力电子技术的发展，人们将滤波研究方向逐步转向有源滤波器（Active Power Filter，缩写为APF）。

APF即利用可控的功率半导体器件向电网注入与谐波源电流幅值相等、相位相反的电流，使电源的总谐波电流为零，达到实时补偿谐波电流的目的。它与有源滤波器相比，有以下特点::

a.不仅能补偿各次谐波，还可抑制闪变，补偿无功，有一机多能的特点，在性价比上较为合理；

b.滤波特性不受系统阻抗等的影响，可消除与系统阻抗发生谐振的危险；

c.具有自适应功能，可自动跟踪补偿变化着的谐波，即具有高度可控性和快速响应性等特点；

APF作为改善供电质量的一项关键技术，在国外工业发达国家已得到高度重视和日益广泛的应用，在国内有限容量的APF也开始投入实际应用，因为它有着无源滤波器所不具备的技术优势。但目前要想在配电网中完全取代无源滤波器还不太现实。因为APF的成本现阶段仍然较高，随着电力电子技术的发展，器件的性价比将不断提高，APF必然会得到更广泛应用。

7 结语

炼钢电弧炉的综合补偿是电网电能质量管理的一项重点。SVC装置的应用已经在电弧炉补偿中显示了技术上的优势和良好的效果，给用户带来了巨大的经济效益，相信SVC在保证冲击性非线性负荷安全经济运行中发挥它的巨大作用，同时，随着电力电子技术的进步与发展，配电用静止补偿器（DSTATCOM）将显示出比SVC装置的补偿的优越性，有源滤波器也将显示出比LC无源滤波器的优越性，这是谐波治理与无功综合补偿的方向，必将加快我国电网电能质量改进的步伐。

参考文献

1．翁利民、陈允平、舒立平，大型炼钢电弧炉对电网及自身的影响及抑制方案，《电网技术》，2004年第2期；

2．翁利民，炼钢电弧炉对电网的干扰及其抑制方法，2002年电能质量国际研讨会论文集；

3．徐美生，电弧炉的动态无功补偿，《天津冶金》，1999年第4期，

4．翁利民等，超高功率电弧炉的补偿与运行问题分析，《工业加热》，2003年第5期；