高鈦渣直流電弧爐無功補償裝置

雷 瑋

(昆明有色冶金設計研究院股份公司，云南昆明650051)

高鈦渣直流電弧爐無功補償裝置

雷 瑋

(昆明有色冶金設計研究院股份公司，云南昆明650051)

通過分析云南新立有色金屬有限公司80 kt/a高鈦渣工程大功率直流電弧爐產生大量的諧波和沖擊負荷對電網的危害性，闡述了靜止型動態無功補償裝置的工作原理及在該工程項目中的應用。

高鈦渣;大功率直流電弧爐;諧波;沖擊負荷;無功補償

0 引言

高鈦渣電爐熔煉工藝具有工藝成熟，生產流程短，設備處理能力大，不產生固體和液體廢物，廢氣易處理和綜合利用，副產品生鐵可直接用于煉鋼等優點。電爐的型式有半密閉交流電弧爐、全密閉交流電弧爐和全密閉直流電弧爐。通過比較，全密閉交、直流電弧爐較半密閉交流電弧爐指標要好;全密閉交流與全密閉直流電弧爐相比，技術經濟指標相差無幾，但全密閉直流電弧爐還原直接電耗及電極消耗較低，自然功率因數較高，并具有較低的閃爍效應和噪聲，其閃爍效應只有交流電弧爐的50% ～70%，埋弧操作的噪聲比交流電弧爐低200 db以上。

云南新立有色金屬有限公司武定鈦業分公司80 kt/a高鈦渣工程，引進南非Bateman公司先進的生產工藝技術，采用德國Demag公司30 MW全密閉大功率直流電弧爐1臺，達到高鈦渣(氯化渣)80.634 kt/a，副產品生鐵70.330 kt/a和高鈦渣(酸溶渣)20 kt/a的建設規模。改善了目前國內高鈦渣生產工藝技術及設備落后、生產規模小的現狀，提升高鈦渣產業整體水平。

1 直流電弧爐電源及其不良影響

直流電弧爐20世紀70年代末80年代初發展起來的新技術。由于大功率可控硅技術的迅速發展，為大功率直流電弧爐配套用可控硅整流電源成套設備創造了條件。近10年來，隨著直流電弧爐結構的發展，熔煉工藝提高，使大功率直流電弧爐被世界各國大力推廣，逐漸成為電弧爐熔煉的節能型設備。

1.1 直流電弧爐電源

直流電弧爐電源由整流變壓器、可控硅整流器及其控制系統、直流電抗器和其它輔助設備構成。該工程全套引進ABB公司產品。

(1)整流變壓器

整流變壓器引進德國ABB公司產品，容量2×22 MVA。變壓器一次電壓110 kV，29級有載調壓。二次側最大電壓727 V，最小電壓394 V，變壓器短路阻抗8.5%(在最高分接點)，過載能力10%(每天1次，持續時間1h)。

(2)可控硅整流器

可控硅整流器引進瑞士ABB公司產品。整流器共2套，直流電壓800 V，每套直流電流80 kA，橋式接線，每套6脈波，2套整流器通過整流變壓器移相，構成等效12脈波整流。整流器由ABB配套的AC 800PEC型控制柜控制。

(3)直流電抗器

直流電抗器為瑞士ABB公司產品，雙電抗器設計在2套裝置間，使用了磁耦合效應，減小了機械尺寸和電損耗，可降低電壓波動，減小工藝過程對電弧的干擾。

電抗器電流2×40 kA，額定電抗800 mH，材質為鋁，去離子水冷卻，電損耗約 1100kW(在50℃)。

(4)大電流直流隔離開關

大電流直流隔離開關ABB配套選用法國Ferraz公司產品，2臺40 kA開關用于爐底正母線，1臺80 kA開關用于爐頂負母線。直流工作電壓等級1 500 V，額定電流時的壓降40 mV。

(5)大電流母線

大電流母線包括交流低壓母線和直流母線。交流低壓母線采用帶軟連接的鋁母線，用于連接整流變壓器與整流器。直流母線為水冷鋁母線。母線截面16 000 mm2，理論電流密度2.5 A/mm2。

1.2 直流電弧爐主要影響及危害

直流電弧爐運行過程中，會產生大量的諧波和沖擊負荷。其主要危害為:

(1)諧波電流產生的危害

1)對旋轉電機的主要影響是產生附加損耗機械振動、噪聲和諧波過電壓。

2)對供電變壓器的影響主要是產生附加損耗、溫升增加、出力下降、影響絕緣壽命。

3)對電纜及并聯電容器的影響，當產生諧波放大時，并聯電容器將因過電流及過電壓而損壞，嚴重時將危及整個供電系統的安全運行。

4)對通信產生干擾，使電度計量產生誤差。

5)對繼電保護自動裝置和計算機等也將產生不良影響。

(2)無功沖擊產生的不良影響

1)使供電母線的電壓產生波動，降低了機電設備的運行效率，供電母線電壓產生波動時，將使用戶的異步電機負荷轉矩隨之變化，輸入負荷的有功功率下降，影響生產和設備的出力。特別是電爐的輸出功率與電壓平方成正比，當電壓降低時，大大降低了電爐的熔煉效率，延長了熔煉時間，生產效率下降的同時增加熔煉成本。

2)快速無功沖擊引起母線電壓波動劇烈，嚴重時影響自動化裝置的正常工作，閃變對人眼造成刺激，增加疲勞。

3)大量無功使系統功率因數降低，浪費大量能源。

直流電弧爐產生的大量諧波電流、無功沖擊導致的電壓波動及閃變，嚴重影響用戶本身及電網用電設備的安全運行，降低了供電電網的電能質量，必須按電能質量有關標準的規定，采取綜合治理措施。

2 電爐的濾波和補償

2.1 諧波分析

根據國標《GB 14549－93電能質量公用電網諧波》對公用電網PCC點的諧波要求，并根據滇東電業局提供的PCC點的最小短路容量為850 MVA，供電容量180 MVA，該項目協議容量56.5 MVA以及ABB公司提供的諧波量，計算結果如表1。

從表1可以看出，諧波超標的主要是11、13次，其他 8、9、10、12、14、15、16、18、23、25 次諧波也有不同程度的超標。

2.2 電壓波動分析

根據國標《GB 12326－2000電能質量電壓波動和閃變》對公用電網PCC點對電壓波動和閃變的要求，并根據滇東電業局提供的PCC點的電網參數及本廠協議容量計算，本廠的無功沖擊允許值為12.75 MVA，短時閃變限值為0.544，0.408。

根據 ABB公司提供的資料，最大無功42 Mvar，額定無功 17.14 Mvar，無功沖擊量 24.86 Mvar，電壓波動值達到了2.92%，遠遠超過了規范要求的1.5%的要求。

表1 諧波超標參數表Tab.1 Parameter of Harmonic Over－Standard

從以上分析可以看出，由于直流電爐引起的諧波和電壓波動均超出了國家規范的要求，必須采取治理措施。設置濾波器和靜止型動態無功補償裝置。

2.3 靜止型動態無功補償裝置

靜止型動態無功補償裝置，簡稱靜止補償器(英文縮寫為SVC)是一種可以控制的無功功率補償裝置。通常由并聯電容器組(或濾波器)和一個可調節電感量的電感元件組成。SVC與一般并聯電容器補償裝置的區別是能夠跟蹤電網或負荷的波動無功，進行隨機性適時補償，從而維持電壓穩定。

SVC裝置主要分為:晶閘管控制電抗器(TCR)、晶閘管投切電容器(TSC)以及混合式(TCR+TSC)等類型。SVC的補償原理就是通過控制晶閘管觸發角，改變接入系統中的SVC等效電納的大小，使SVC達到調節輸出無功功率的目的。在目前的工程實際應用中，晶閘管控制電抗器+濾波器組(TCR+FC)構成的無功補償裝置占據了大多數。因為TCR+FC可以進行連續無功功率的控制，三相平衡能力和改善閃變能力更好，有限制過電壓的能力，無功調節容量大，在功率因素較低、負荷波動特別快的無功補償場合具有很高的應用價值，而且能得到較好的補償效果。

根據ABB公司提供的諧波參數及電力系統參數，經仿真計算，該工程配置1套35 kV靜止型動態無功補償裝置(SVC)和1套110 kV高壓靜補裝置(FC)，用于對系統進行無功補償，平衡電壓和消除諧波。

(1)電氣主結線

1)SVC裝置連接在變壓器35 kV側母線上，TCR單獨采用1臺斷路器供電;H3、H5、H7共用1臺斷路器供電，進線端加裝隔離開關。TCR為三角形接線，容量為36 Mvar;H3、H5、H7濾波器均為雙星型接線，總安裝容量為25.68 Mvar。如圖1所示。

2)110 kV母線上設置1套 FC裝置，H6.5、H8、H10、H114個濾波補償通道，進線側加裝隔離開關。濾波補償器均為星型接線，總安裝容量為28.08 Mvar。由于TCR回路不能做到110 kV電壓，因此設了1臺濾波變壓器，將TCR回路降壓到35 kV電壓調節。所以共有5個110 kV支路。如圖2所示。

圖1 SVC電氣主結線圖Fig.1 Main Wiring Diagram for SVC Electrical

圖2 FC電氣主結線圖Fig.2 Main Wiring Diagram for FC Electrical

(2)主要電氣設備

1)35 kV SVC:35 kV晶閘管閥組3組、35 kV相控電抗器3臺、35 kV濾波電抗器9臺、35 kV電容器組3組、35 kV電流互感器12臺、35 kV隔離開關3臺、35 kV氧化鋅避雷器9支、電阻器6臺、SVC控制柜和脈沖柜各1面、微機保護柜2面、高壓開關柜3面。

2)110 kV FC:110 kV濾波電抗器12臺、110 kV電容器組4組、110 kV電流互感器8臺、110 kV隔離開關5臺、110 kV氧化鋅避雷器3支、110 kV變壓器1臺。

(3)保護配置

1)35 kV SVC:1QF、2QF回路保護型號PMC6510:設速斷、過流保護;測控裝置型號:PMC530A;濾 波支 路 H3、H5、H7保 護型號PMC6510:設速斷、過流、過壓、低壓、不平衡電流保護。

2)110 kV FC:濾波通道 H6.5、H8、H10、H11保護采用SEL－351A。

3)主變差動保護采用SEL－587;后備保護采用SEL－351A;高壓側測控裝置采用PMC570;低壓側測控采用PMC530A。

(4)監控系統

SVC遠程監控系統能與站內微機監控系統聯網實現遠方控制、監測、保護和通訊功能，能有效的及時反映并記錄整個系統的正常、異常及故障，協調整個系統中多個設備或過程的運行，從而實現SVC的整體優化。

SVC控制系統設計為3層:第1層為直接監控級，由基于全數字控制系統開發的DSP控制系統和保護系統構成，完成實時監控任務;第2層為過程優化級，由SVC上位機組成。完成信息收集、集中顯示、集中操作、SVC各子系統的控制、設定和修改參數和控制過程的優化等功能，同時還具有非實時的控制功能，減輕了直接控制級的負擔。具有良好的人機界面，可以通過計算機網絡實現與生產管理級調度中心的通信;第3層為生產管理級，是1臺位于遠程調度室的中央主機，為調度員提供信息，對異地SVC系統進行監控，做到現場無人值守，大大降低了設備的運行成本。

3 結語

從成本的角度來看，直流電弧爐的初期投資，由于增加可控硅整流設備及SVC補償裝置，比交流電弧爐高30% ～40%，但運行時的電能消耗降低、維修費用減少，經1～2 a后運行費用的節省就可以抵付早期超額投資，長期總體的經濟效益高。

Reactive Power Compensator for DC Arc Furnace of High－Ti Slag

LEI Wei
(Kunming Engineering ＆ Research Institute of Nonferrous Metallurgy Co.Ltd，Kunming 650051，China)

Based on analyzing disturbance of harmonics and shock loads to power system which generated by high－power DC arc furnace in Yunnan Xinli Non－Ferrous Metals Co.Ltd.80kt/a high－Ti slag project，the work principle of static－type dynamic reactive power compensator and its application were expounded.

High－Ti slag;high power DC arc furnace;harmonics;shock loads;reactive power compensation

TM924.4

A

1004－2660(2011)04－0035－05

2011－09－27.

雷瑋(1972－)，女，湖南人，高級工程師.主要研究方向:電氣儀表及控制系統的設計.