精煉爐（LF爐)負荷無功補償及諧波治理

徐云亭 （天津鋼鐵集團有限公司，天津 300301)

精煉爐（LF爐)負荷無功補償及諧波治理

徐云亭 （天津鋼鐵集團有限公司，天津 300301)

精煉爐（以下稱LF爐)在冶煉過程中產生電壓波動、電壓閃變、諧波及負序電流，同時功率因數較低，構成了電網公害。概述了該類負荷的危害及治理方法，并以天津鋼鐵集團有限公司二期工程的35 kV LF爐為例，詳細介紹了治理裝置的原理及設計方法，并通過系統仿真進一步確認了該設計的正確性和可行性。

無功功率 補償 諧波 濾波器 電壓 波動 閃變

1 引言

天津鋼鐵集團有限公司二期工程有2臺110 t LF爐，采用35 kV供電，爐變均為20 MVA，額定電壓比 35 kV/330～290～230 V，阻抗電壓 7.5%，過載能力20%。由于LF爐在生產時將會產生一系列影響電能質量的問題，因此，必須對此類負荷進行治理。

2 LF爐在冶煉過程中造成的電網公害

LF爐是一種電弧性質的負荷，由于冶煉工藝（加入爐內的為鋼水)的因素，相對于電爐來講，其對弧時電流比較平穩，沒有熔化期，所以對電網的影響沒有電爐大，但對供電質量及煉鋼用電設備也存在著很大隱患。

（1) LF爐在冶煉過程中主要含有2～7次諧波電流分量，同時還包含低頻分量，低頻分量將造成電網供電電壓的快速波動并引起閃變。

（2) LF爐從系統中吸收有功、無功功率的變化將引起電壓降落和電壓波動，降低了輸入LF爐的有功功率（因為輸入LF爐的有功功率與電壓的平方成正比)，將直接影響鋼產量。

（3) LF爐在整個冶煉過程中的自然功率因數為0.8左右，使電網浪費大量能源，不能滿足電力部門的相關要求。

（4) 增加供電線路的損失，而為了減少損失則必須增大供電線路的導線截面，增加投資。

（5) 增加線路上的電壓損失，降低了電壓質量。

（6) 降低了供電設備的有效利用率。

（7) 增加了供配電系統的電能損耗及企業的電費支出，生產成本加大，降低了企業的經濟效益。

3 治理方案的確定

3.1 無功補償兼濾波裝置（FC)具備的功能

該裝置具備的功能包括：短路保護;過流保護;不平衡電流保護;保護整定和參數顯示;故障報警;通訊。

3.2 補償容量確定

對于此類的LF爐負荷，可采取無功補償兼濾波裝置（FC)進行治理。FC裝置的主要功能有兩個，一是補償LF爐運行時消耗的無功功率，提高功率因數;二是吸收LF爐運行時產生的諧波，避免其污染電網。

無功補償計算的公式為：

式中：Q為補償的無功功率;P為LF爐的有功功率;?1、?2分別為補償前的功率因數角和補償后的功率因數角。

對于LF爐負荷來說，自然功率因數為0.8，補償后的功率因數按0.92計算，則2臺LF爐需要補償的無功功率為：

考慮LF爐運行長期過載1.2倍，因此，最終的補償容量定為11.197 kvar。

3.3 諧波電流的估算

LF爐屬于電弧性質的負荷，是典型的諧波源，其主要產生2～7次的全頻譜諧波。由于LF爐電弧的不穩定性，其產生的諧波電流無法像整流裝置那樣可以進行精確的理論計算，因此LF爐負荷的諧波電流只能通過在線測試或根據長期積累的工程經驗進行統計估算。

表1、表2列出了根據同類型諧波源的統計規律修整后的LF爐諧波電流發生量。

表1中，LF爐基波電流為考慮過載1.2倍的值，I1=420 A;基波電流 I1=1.2×20 000/1.73×33=420 A;因LF爐諧波電流的不確定性，其疊加值按均方根取。

4 濾波器設計

比較各表可知，流入35 kV系統的2、3、4次諧波電流超標，濾波器設置H2、H3、H4后濾波通道后，根據仿真曲線觀察，諧波電流均被良好的濾除。濾波器參數見表3。

表1 精煉爐負荷注入35 kV母線諧波電流數值

表2 注入35 kV母線諧波電流允許值（按基準短路容250 MVA)

表3 濾波器參數

5 投運后的技術指標

5.1 諧波電流

濾波后流入35 kV系統中的諧波電流值如表4所示。可以看出，諧波電流完全滿足國標的要求。

表4 流入35 kV系統中的諧波電流值

5.2 月平均功率因數

經補償后，35 kV母線的月平均功率因數≥0.92。

5．3 電壓波動

5．4 電壓閃變

Pst≤0.47，P1t≤0.35（滿足 220 kV 站電壓閃變限值)。

5．5 電壓不平衡度

5．6 FC濾波電抗器損耗

6 仿真結果

6.1 濾波后的諧波電流值（見表5)

表5 濾波后的諧波電流值

6.2 濾波后的諧波放大曲線（見圖1)

圖1 濾波后的諧波放大曲線

根據以上的校核表格以及仿真曲線可以看出，諧波電流均被有效濾除，沒有發生諧波電流放大情況，濾波器不會與系統產生并聯諧振。因此，系統及所有濾波器均能安全、可靠的運行。

7 結束語

從以上的例子可以看出，FC裝置對于LF爐這類非線性負荷產生的諧波電流以及功率因數低的電能質量問題具有較好的治理效果。對于一般的煉鋼企業來說，是可以滿足企業自身的需要以及電業部門考核的，而且比較經濟。但需要指出的是，FC裝置仍屬于一種靜態的補償設備，其本身不能隨負荷的變化而變化。如果要全面解決負荷對電網產生的影響，例如電壓波動、電壓閃變等，就必須選擇動態的無功補償裝置，例如SVC、SVG等，這也是我國電網發展以及企業技術改革的一個新的階段。

[1]《鋼鐵企業電力設計手冊》編委會.鋼鐵企業電力設計手冊[M].北京：冶金工業出版社，1996.

[2]GB/T14549—1993電能質量公用電網諧波[S].

[3]GB12326—1990電能質量電壓允許波動和閃變[S].

[4]吳競昌，孫樹勤，宋文南，等.供電系統諧波[M].北京：中國電力出版社，1998.

LF Load Reactive Power Compensation and Harmonics Control

Xu Yunting

Voltage fluctuation,voltage flicker,harmonic and negative current with low power factor,which are harmful for power grid,generate during LF melting.The thesis describes the harm and control approach for the load,with 35 kV LF at second phase project at TISCO as an example,explains in detail the principle and design method of compensation and harmonics control equipment and confirms the correctness and feasibility of the design further by system simulation.

reactive power,compensation,harmonic,filter,voltage,fluctuation,flicker

（收稿 2011－07－13 責編 潘娜)

徐云亭，畢業于天津河北職工大學電氣自動化專業，電氣工程師。