電弧爐供電系統的沖擊負荷和電壓閃變現象淺析

何美生

摘 要 電弧爐的供配電系統主要就是利用動態無功補償的方法來抑制電弧爐負荷引起的供電系統電壓波動和閃變。實際上是有效控制無功。采用電弧爐的無功補償裝置可以實時跟隨電弧爐無功變化并提供其所需要的無功功率，因此動態無功補償裝置對電弧爐負荷進行補償，抑制供電系統的沖擊負荷和電壓閃變。

關鍵詞 電弧爐；供電系統；配電系統；分析

電力電子技術工業是當今經濟技術發展的重要基礎性產業之一，在很大程度上反映了世界工業經濟發展的快慢和人們現代化生活水平的高低程度。如今，社會進步和經濟發展以及電力電子市場的發展，第一，促進了大區電網之間的互聯，因為電網之間通過互聯后形成越來越大的電力系統，但是電力系統與電網結構的逐步擴大，使電力系統的是否可靠運行對于社會生活、生產等各個方面都會帶來很大的影響，因此確保電力系統的安全穩定運行是非常重要。第二，從20世紀90年代開始，全球先后發生了很多大規模的電網崩潰停電事故，這些事故大部分是在大型互聯電網內發生的。然而這些事故基本上是因為一個小故障導致大面積電網故障或者崩潰；因此造成了很大的經濟損失。所以保障電力系統能夠安全、穩定運行確實是一個困難且艱巨的任務[1]。

但是隨著現代工業技術與智能電子信息技術的快速發展，各種沖擊負荷對電網的供電質量影響很大。比如說電網中的無功功率急劇快速變化和波動將導致電網電壓波動、閃變；有功功率波動、沖擊將使得發電機組轉子發生扭振；而諧波將會影響電網中的變壓器和電容器組及智能設備等。

那些在運行時無功和有功會發生急劇變化就是所說的沖擊負荷，這樣會對電網會產生很大沖擊的負荷，鋼鐵公司的電弧爐就是最典型的代表。現代工業煉鋼的主要設備是電弧爐，交流電弧爐就是采用電源是三相交流電供電，而直流電弧爐則采用的是直流電源供電。相對交流電源來說直流電弧爐對鋼鐵公司供電系統的危害還是較小，但是直流電源供電成本較高，在實際生產中使用也很少。交流電弧爐雖然嚴重危害電網安全，但是廣泛存在，各國每年因電能質量相關的電力系統故障引發的大小事故很多，帶來了很大的經濟損失甚至人員傷亡。而電能質量問題中表現得最為嚴重的是電壓波動及閃變，根據統計，由此引發的事故占到了電力事故總數的80%以上。所以說，電網極其危險的公害就是閃變，對許多用戶用電的可靠性造成威脅。

電弧爐在運行過程中因為電弧電流急劇變化，從而引發強烈的無功沖擊最終導致電壓快速波動，波動頻率一般在0.1～30Hz之間。因為電壓波動而引起的白熾燈照度不穩定，造成人眼視感反應，使人感覺不舒服、出現煩躁情緒等，這種現象叫作閃變，電壓閃變是由電壓快速波動導致的不良后果之一，這是一種電磁現象。強烈的閃變導致其他設備工作不正常；其他電子設備誤動作嚴重造成損壞；使設備利用的有用功率減少，對電弧爐來說就影響冶煉質量及效益。

然而電弧爐在熔化是產生電弧截斷和短路現象，致使其他各項電流不平衡和電壓閃變，造成功率因數低下等，產生2、3、4、5、7高次諧波，致使電能質量變差。 電弧爐在工作中的電流含有快速、不規則變化的無功功率以及高次諧波，造成電壓、電流沖激現象。致使供電電壓、電流波形畸變，使線損和用電設備的損耗增加了，電能質量下降。由電壓、電流沖激引起的設備事逐漸增加[2]。

因為電弧爐煉鋼的時候，常常處在起弧、滅弧狀態，這時候功率因數較低，但是電流卻很大，所以造成電能的很大損耗，同時還極大的沖擊電網，造成電網電壓馬上下降，同時產生的極強高次諧波會嚴重污染電網，造成電網上其他設備尤其是用電子元器件（含計算機）控制的設備不能正常運行。

交流電弧爐在運行的時候會造成電壓波動，同時還會產生各次諧波電流，對電弧爐的效率造成影響，造成其他用電設備因發熱不能正常運行，而交流電弧爐產生各次諧波電流的原因主要有：

（1）電弧爐在熔化期間因為各種原因使電弧電阻成非線性，使電弧電流容易產生畸變；

（2）因為物質本身的性質造成了物質發射電子的能力各不一樣，交流電源在正半周及負半周交替工作時，電極、爐料就交替作為發射電子的一方，因此造成了電弧電流正半周及負半周的波形就不對稱，這樣就產生了偶次諧波電流；

（3）因為材料和供電質量等其他原因造成電弧三相不平衡，就會出現三次諧波電流；

（4）其他和電弧爐連接在同一供電系統上的設備會產生諧波電流。

根據對電弧爐的測試數據，其諧波電流含有量如下表所示：

諧波電流含有量：（In/I1）

諧波次數 2 3 4 5 6 7

理論計算 0.20 0.11 0.08 0.08 0.06 0.05

電弧爐在運行過程中，出現較多的諧波，針對電弧爐的測試及計算結果可以看出，特征諧波主要以2次為最大，3次，4次，5次諧波電流大，電壓電流畸變嚴重。

如果要有效治理電弧爐對電網的諸多危害，那么治理方法主要有二種，改進煉鋼工藝技術和改進供電設備

首先，把電空芯抗器串聯在電弧爐變壓器高壓側部，同時增加其他相關設備，在熔化期將其他輔助燃料噴吹到爐內，這種方法可以降低電壓波動的閃變程度，靠近原來的1/2；

其次，因為直流電弧爐對供電系統的影響較小，可以把交流電弧爐改造成直流電弧爐，這樣也可以降低電壓波動及閃變程度到原來的1/2左右。

再次，加入無功補償裝置。

電弧爐工作特性決定了它會對供電系統造成很大的沖擊，從而引起電網中的無功急劇波動，造成一系列電能質量問題。減少其對供電系統的損害可以加入無功補償裝置，改善電能質量，這樣還能提高電弧爐的工作效率和降低損耗，確保質量[3]。

電弧爐的供配電系統和其他工業負荷系統中所需要研究解決的問題就是利用動態無功補償的方法來抑制電弧爐負荷引起的供電系統電壓波動及閃變。而抑制電壓波動和閃變的關鍵在于有效控制無功，向電網準確快速地提供負載所需的無功。因為電弧爐的無功是隨機動態變化的，所以電弧爐的無功補償裝置應具有實時跟隨電弧爐無功變化的同時能夠實時提供其所需要的無功的能力，因此必須采用動態無功補償裝置對電弧爐負荷進行補償才能達到預期的目的。

參考文獻

[1] 石先紅.電弧爐供配電方式的改進[J].軌道交通裝備與技術，2004， （2）：7-11.

[2] 張銳.淺談SVC在企業電弧爐供配電系統中的應用[J].山西科技， 2013，28（1）：59-61.

[3] 李冬冬.試析工廠供配電系統的方案比選[J].科學技術創新，2012， （7）：64-64.