印度BSP鋼包精煉爐濾波器特性及配置選擇

王奇民

（中冶南方工程技術有限公司，湖北武漢430223）

供用電

印度BSP鋼包精煉爐濾波器特性及配置選擇

王奇民

（中冶南方工程技術有限公司，湖北武漢430223）

根據多年來實際工程對鋼包精煉爐諧波特性的分析，其產生的諧波電流除整數次諧波較大外，同時含有0.1～30 Hz的低頻分量（次諧波）和非基波（50 Hz）頻率整數倍的諧波分量（間諧波），僅配置一般的單調諧濾波器不能起到很好的濾波作用，反而會造成某些諧波放大。設置一個C型阻尼濾波器支路,可以拓寬頻帶，增加阻尼和減少電阻基波功率損耗，實際應用效果明顯。

鋼包精煉爐；諧波；C型濾波器

1 引言

中冶南方工程技術有限公司2011年承接的印度國家鋼鐵公司比萊鋼鐵廠（Bhilai Steel Plant，簡稱BSP）二次精煉項目內容包括3座165 tLF爐、3座165噸吹氬站、1座165 tRH真空處理裝置，以及相應配套設施的設計、供貨和安裝。

精煉爐屬于典型的非線性沖擊負荷，為了治理鋼包爐正常冶煉過程中產生的諧波、提高供配電系統功率因數，保證電網和用戶設備安全穩定運行，需在精煉爐所在的11 kV母線側裝設一套諧波吸收兼無功補償裝置（FC）。

2 系統參數

2.1 全廠負荷

LF爐負荷參數如下：

額定容量：35 MVA(可長期超載20%運行)額定頻率：50 Hz

一次電壓：11 kV

二次電壓：480 V～450 V～320 V

LF爐11 kV系統負荷的功率因數約為0.79。

2.2 電網參數

LF爐11 kV開關站11 kV系統為單母線不分段接線，11 kV系統為中性點不直接接地系統。

系統額定電壓：11 kV

最高工作電壓：12 kV

系統電壓偏移：+6%,-9%系統額定頻率：50 Hz

系統頻率偏移：+4%；-6%

系統短路參數：最大短路水平：40 kA/3 s

11 kV系統短路容量為Sdmax＝463 MVA，Sdmin=193.8 MVA.

2.3 諧波數據

根據LF爐廠家提供的數據，諧波電流發生量

如表1。

表1 LF爐諧波電流發生量

3 應達到的技術指標

本工程鋼包精煉爐工作中產生大量的高次諧波電流。為了減少損耗，保證電壓質量，根據合同附件要求在LF爐11 kV母線上裝設兩組諧波濾波裝置，同時兼作無功功率補償。

3.1 功率因數

根據合同附件要求，LF爐11 kV母線月平均功率因數≥0.98。

3.2 無功輸出

經計算安裝在LF爐11 kV系統的無功補償容量為9.5 Mvar，補償后月平均功率因數達到0.98。即濾波器總輸出基波有效容量9.5 Mvar，安裝容量不小于1.4倍基波容量。

3.3 諧波指標

（1）諧波電壓

LF爐11 kV母線處諧波電壓限值如下：總的諧波電壓畸變率：3.2%奇次諧波電壓畸變率：2.4%偶次諧波電壓畸變率：1.2%（2）諧波電流

LF爐11kV母線諧波電流限值按國標GB/T 14549－93的規定。

4 濾波補償裝置設計方案

4.1 濾波補償裝置支路選擇

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根據系統資料及負荷參數以及FC容量計算結果，通過計算分析確定LF爐配套的FC裝置設置2次和3次濾波支路。濾波支路設置方案如下：

（1）2次濾波支路——采用C型濾波器；

（2）3次濾波支路——采用單調諧濾波器。

根據以上配置濾波補償裝置一次原理主接線如圖1所示。

圖1 濾波補償裝置一次主接線示意圖

4.2 濾波補償裝置支路參數

根據用戶負荷產生的諧波含量和無功功率情況，同時考慮以下幾方面的影響：

a.母線的電壓水平；

c.諧波電流加在電容器兩端的諧波電壓；

d.串聯電抗器后電容器兩端電壓的升高；

e.電壓波動使電容器兩端電壓升高。

（1）電容器容量選擇計算

電容器安裝容量是指電容器的銘牌額定值，電容器實際發出的容量和電容器的端電壓的平方成正比，由于電容器的運行電壓要高于電容器的銘牌額定電壓，因此電容器的基波容量（即實際發出容量）要小于電容器安裝容量。

電容器安裝容量計算方法(每支路)：

2次主電容Un=7.5 kV，2次副電容Un=2.5 kV，3次電容器Un=8.0 kV，代入后計算得到：

（2）濾波器主要參數

濾波器各濾波支路電容器、電抗器的參數見表2～表4。

表2 各濾波支路電容器參數

表3 各濾波支路電抗器參數

表4 濾波支路電阻

4.3 配置C型濾波器配置效果分析

選擇在2次支路上加裝電阻器，即采用“C”型濾波器，目的是為了拓寬頻帶，增加阻尼和減少電阻基波功率損耗。根據中冶南方多年來對鋼包精煉爐諧波特性的經驗，其產生的諧波電流除整數次諧波較大外，同時含有0.1～30 Hz的低頻分量（稱為“次諧波”）和非基波（50 Hz）頻率整數倍的諧波分量（稱為“間諧波”），僅配置一般的單調諧濾波器不能起到很好的濾波作用，反而會造成某些諧波放大，故設置一個C型阻尼濾波器支路。

（1）最小運行模式下仿真效果對比

如采用C型濾波器：最高阻抗點：2.8Ω@95 Hz，其仿真效果如圖2。

圖2 最小運行模式下采用C型濾波器仿真效果圖

如采用單調諧濾波器：最高阻抗點：6.5Ω@95 Hz，其仿真效果如圖3。

圖3 最小運行模式下采用單調諧濾波器仿真效果

（2）最大運行模式下仿真效果對比

如采用C型濾波器：最高阻抗點：0.77Ω@96 Hz，其仿真效果如圖4。

圖4 最大運行模式下采用C型濾波器仿真效果

如采用單調諧濾波器：最高阻抗點：2.06Ω@96 Hz，其仿真效果如圖5。

圖5 最大運行模式下采用單調濾波器仿真效果

綜上對比可以看出，C型濾波器通頻帶寬，不易發生諧波放大和系統諧振。

5 濾波效果以及安全校核仿真分析

5.1 不采取措施時的電能質量仿真分析

圖6 LF爐注入系統的諧波頻譜（最大工作模式）

表5 不采取措施時諧波電流和諧波電壓畸變率

圖7 不采取措施時11 kV母線電流和電壓波形(最大工作模式下)

5.2 加裝FC裝置后電能質量分析

圖8 加裝FC裝置后11 kV母線阻抗頻率和相位頻率特性曲線

圖9 加裝FC裝置后11 kV母線電流和電壓波形(最大工作模式下)

表6 加裝FC后諧波電流和諧波電壓畸變率

5.3 電容器安全校核

為保證濾波器組的長期、安全運行，對設計的各濾波電容器必須按照標準進行校驗，其校驗公式為：

式中：ICN、UCN——濾波電容器的額定電流、額定電壓；

Ic1、Uc1——濾波電容器的基波電流、基波電壓；

Ich、Uch——濾波電容器的諧波電流、諧波電壓。

仿真計算時按照最嚴重的系統條件和諧波影響的情況考慮。

按嚴重的運行工況進行校核，校核結果見表7所示，由電容器過電流和過電壓倍數計算結果可見，所有過電流倍數均小于電容器額定電流的1.3倍，所有過電壓倍數均小于電容器額定電壓的1.1倍，因此各濾波器支路都能安全運行。

Characteristics and Configuration Choice of W ave Filter for Indian BSP Ladle Furnace

WANG Qimin
(WISDRI Engineering&Research Incorporation Lim ited,Wuhan,Hubei 430223,China)

Analysis of harmonic characteristics of ladle furnace in actual projects shows that in addition to high integer harmonics the harmonic current also includes 0.1～30 Hz low-frequency components(sub harmonics)and 50 Hz non-fundamental frequency harmonics of integer multiples(inter-harmonics).In such case,single-tuned filters alone will not only fail to produce good filtering effect but also lead to amplification of some harmonics.Setup of a bypass with the so-called C-type filter can broaden frequency band,increase damping and reduce power loss in fundamental frequency,which has brought significant benefit.

Ladle furnace;harmonics;C-type filter

TN713

B

1006-6764(2014)04-0001-04