大型鋼鐵企業(yè)電爐電網(wǎng)電能質(zhì)量控制的探究

白永勝

（山西太鋼不銹鋼股份有限公司，山西太原 030003）

引言

隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步和電力改革的發(fā)展，電力作為一種商品，其品質(zhì)逐步成為用戶和供電公司關(guān)注的對(duì)象。電能質(zhì)量問題不僅關(guān)乎到電網(wǎng)的安全，而且也成為部分生產(chǎn)制造領(lǐng)域和電子行業(yè)的技術(shù)發(fā)展的瓶頸。電能質(zhì)量對(duì)鋼鐵產(chǎn)品的質(zhì)量和成本控制都有非常重要的影響，鋼鐵企業(yè)用電負(fù)荷具有沖擊大、容量大、特性復(fù)雜等特點(diǎn)，所以研究用電負(fù)荷對(duì)電能質(zhì)量的影響具有典型意義，同時(shí)電能質(zhì)量也是鋼鐵企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益和產(chǎn)品質(zhì)量的保障。分析鋼鐵企業(yè)電能質(zhì)量控制方法，對(duì)提高電網(wǎng)穩(wěn)定和優(yōu)質(zhì)供電具有重要的意義。

1 電能質(zhì)量控制的必要性

1.1 電能質(zhì)量問題

所謂電能質(zhì)量，廣義講是指優(yōu)質(zhì)可靠地供電，主要包括四個(gè)重要指標(biāo)，供電方的供電質(zhì)量、用戶的用電質(zhì)量、線路傳輸?shù)碾娏髻|(zhì)量、電能本身的波形質(zhì)量。狹義地講，電能質(zhì)量的主要指標(biāo)有電壓波動(dòng)、頻率偏差、波形畸變率。因電力供應(yīng)不合格而導(dǎo)致用戶電力設(shè)備故障、產(chǎn)品質(zhì)量不合格、廢品、不能連續(xù)生產(chǎn)、意外中斷供電等問題均可稱之為電能質(zhì)量問題。最嚴(yán)重的電壓質(zhì)量問題是電壓跌落和電壓完全中斷。能夠?qū)е掠秒娫O(shè)備故障或不能正常工作的電壓、電流或頻率的偏差主要包括如下方面：電壓偏差、頻率偏差、電壓波動(dòng)與閃變、三相不平衡、過電壓、波形畸變、供電連續(xù)性等。以下列舉幾類典型的電能質(zhì)量問題及其對(duì)生產(chǎn)的影響。

（1）電壓低于0.9 倍額定值時(shí)，某些電動(dòng)機(jī)將不能正常工作。

（2）煉鋼電弧電流隨機(jī)變化且幅度巨大，啟停頻繁，會(huì)引起系統(tǒng)電壓波動(dòng)和閃變。

（3）高次諧波干擾電子控制設(shè)備正常工作、引起電氣設(shè)備的異常發(fā)熱，造成設(shè)備的使用壽命降低，而且影響精密儀器儀表的測(cè)量以及科學(xué)試驗(yàn)的準(zhǔn)確度。

（4）大量電力電子裝置的使用、電容投切等造成負(fù)荷不對(duì)稱并引起嚴(yán)重的電能質(zhì)量問題。

（5）電壓的閃變和三相不對(duì)稱，直接影響各種電氣設(shè)備正常運(yùn)行。

（6）電壓波動(dòng)控制幅度增大將導(dǎo)致供用電設(shè)備耐壓能力要求的提高，電氣設(shè)備制造成本增加。

供電可靠運(yùn)行對(duì)于生產(chǎn)安全穩(wěn)定具有重要作用。供電可靠性成為衡量電能質(zhì)量的重要指標(biāo)。鋼鐵用電作為電網(wǎng)的大客戶，不但需要安全、可靠、合格的電能保障，同時(shí)也是電力污染的重要控制對(duì)象。做好鋼鐵企業(yè)電能質(zhì)量控制是實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)質(zhì)量達(dá)標(biāo)、經(jīng)濟(jì)、可靠的重要保證。鋼鐵用電電網(wǎng)的設(shè)計(jì)、運(yùn)行對(duì)電能質(zhì)量的控制起著至關(guān)重要的作用，同時(shí)也是提高鋼材質(zhì)量降低制造成本的重要環(huán)節(jié)。

1.2 電能質(zhì)量對(duì)生產(chǎn)用電的影響

（1）工業(yè)企業(yè)電力負(fù)荷中常用電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能做功，如果電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行電壓下降到額定電壓的90%時(shí)，它的輸出最大轉(zhuǎn)矩將下降到額定電壓時(shí)輸出轉(zhuǎn)矩的81%。所以當(dāng)其電壓降低時(shí)，電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)能力和功效將加速下降；電壓下降將使帶重載（如起重機(jī)、鼓風(fēng)機(jī)、壓縮機(jī)、軋機(jī)等）啟動(dòng)的電動(dòng)機(jī)無法正常工作。另外電壓過低還會(huì)導(dǎo)致電動(dòng)機(jī)的繞組通過的電流顯著增大，使繞組溫度上升、絕緣老化加速，如果控制措施不力，將造成電動(dòng)機(jī)燒毀。電壓降低還會(huì)導(dǎo)致電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速下降，將直接影響工業(yè)生產(chǎn)線設(shè)備功能的發(fā)揮，進(jìn)而導(dǎo)致產(chǎn)量和質(zhì)量的下降，增加達(dá)產(chǎn)達(dá)效的周期，造成企業(yè)經(jīng)營成本的增加。

（2）對(duì)采用電力發(fā)熱做功（如電爐）的制造加工業(yè)。因電爐的有功功率與其電壓的平方成正比，如供電電壓降低，就會(huì)導(dǎo)致功效降低，冶煉相同的產(chǎn)量，需要更大的電流，持續(xù)更長的時(shí)間，所以電壓降低會(huì)導(dǎo)致冶煉工藝中的電爐增加冶煉時(shí)間，進(jìn)而增加生產(chǎn)的單位時(shí)間和單位耗能，提高了制造業(yè)的成本。

（3）對(duì)大功率的沖擊負(fù)荷，比如軋鋼機(jī)在過鋼軋制過程中，電弧爐在電極短路熔融廢鋼過程中，這些沖擊負(fù)荷都會(huì)造成電壓突然下降和恢復(fù)，造成電壓閃變。電壓閃變會(huì)對(duì)沖擊負(fù)荷所在電網(wǎng)相鄰的電力用戶產(chǎn)生不良影響，直接影響到企業(yè)的生產(chǎn)。

（4）當(dāng)系統(tǒng)電壓過低時(shí)，生產(chǎn)車間的照明光源的發(fā)光率會(huì)大幅度降低，照度受到影響。而電壓過高又將使用電設(shè)備絕緣老化加速受損；同時(shí)電壓過高還使得變壓器、電動(dòng)機(jī)等電能轉(zhuǎn)化設(shè)備的鐵心飽和程度增加，鐵損增大，溫升增加，自然使用壽命將會(huì)縮短。

所以，鋼鐵用電負(fù)荷存在兩方面的特點(diǎn)，一方面大功率用電設(shè)備會(huì)引起電壓波動(dòng)和閃變，另一方面電壓波動(dòng)又會(huì)影響各類自動(dòng)控制裝置及機(jī)械傳動(dòng)元件的精度和靈敏度，對(duì)冶煉和制造設(shè)備控制和工藝功能精度的實(shí)現(xiàn)形成不利因素，進(jìn)而影響到產(chǎn)品質(zhì)量和制造成本。

2 鋼鐵企業(yè)用電負(fù)荷的特點(diǎn)

2.1 鋼鐵用電負(fù)荷特性及其影響

隨著鋼鐵企業(yè)的現(xiàn)代化程度的迅猛發(fā)展，對(duì)電氣自動(dòng)化控制的水平和依賴程度也越來越高，電爐的容量、軋機(jī)的功率、聯(lián)合作業(yè)規(guī)模達(dá)到一個(gè)更高的水平。這些設(shè)備在調(diào)速運(yùn)行中將會(huì)產(chǎn)生諧波，諧波的存在將會(huì)對(duì)電網(wǎng)造成安全威脅，直接影響到配電系統(tǒng)的可靠性以及電壓波形質(zhì)量。特別是在電機(jī)傳動(dòng)設(shè)備的啟停變速階段，諧波干擾尤為嚴(yán)重。變頻技術(shù)的廣泛應(yīng)用帶來的問題就是調(diào)速系統(tǒng)產(chǎn)生的諧波，它不僅含有常規(guī)變流裝置中的整數(shù)次諧波，并且含有基頻與特征次諧波的旁頻成分，其頻率分布比較廣。各種諧波的存在不但造成供電電壓的波形畸變，還會(huì)相互影響，有可能導(dǎo)致電網(wǎng)在某個(gè)頻率下諧振，潛在巨大的安全隱患，因此鋼鐵企業(yè)必須采取有效措施對(duì)這些威脅電網(wǎng)安全運(yùn)行的因素加以控制。

2.1.1 電弧爐負(fù)荷特征及其影響

煉鋼電弧爐在熔煉期間利用電極短路電阻熱來熔化廢鋼或爐料，典型特征主要包括以下方面：

（1）在熔融過程中電極通過爐料或廢鋼短路，由于短路過程中電極的接觸電阻不同，三相負(fù)荷極不平衡，必將產(chǎn)生較大的負(fù)序電流，電力系統(tǒng)中有些保護(hù)裝置是以負(fù)序電流為起動(dòng)元件的，故冶煉過程容易造成繼電保護(hù)裝置誤動(dòng)作。

（2）電弧爐負(fù)荷產(chǎn)生的奇偶次諧波都非常嚴(yán)重。電壓和電流高次諧波將會(huì)引起電力系統(tǒng)諧波放大，甚至可能達(dá)到諧振的條件，諧振導(dǎo)致的過電壓、過電流，會(huì)使得電氣設(shè)備絕緣擊穿、電纜故障損壞，造成大面積停電，甚至火災(zāi)事故。

（3）無功功率的大幅度變化、沖擊負(fù)荷的啟停和變化會(huì)引起嚴(yán)重的電壓波動(dòng)及閃變，導(dǎo)致鋼鐵企業(yè)自身用電系統(tǒng)乃至公共電網(wǎng)的電壓不穩(wěn)定，嚴(yán)重影響電力系統(tǒng)及生產(chǎn)設(shè)備的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

2.1.2 精煉爐負(fù)荷特征及其影響

與電弧爐相比，精煉鋼包爐（LF 爐）負(fù)荷相對(duì)比較平穩(wěn)一些，有功和無功功率的變化相對(duì)穩(wěn)定，精煉爐負(fù)荷會(huì)產(chǎn)生以下影響：

（1）三相電極的電弧是非線性負(fù)荷，產(chǎn)生諧波較穩(wěn)定，主要產(chǎn)生低次諧波。

（2）功率因數(shù)一般在80%左右，低的功率因數(shù)將會(huì)造成網(wǎng)損增加，每臺(tái)電爐運(yùn)行中PCC 平均功率因數(shù)要求滿足0.95≤p.f.≤1.0，無功功率大還會(huì)導(dǎo)致電爐母線壓降，產(chǎn)生功率損失，產(chǎn)量下降。

（3）冶煉時(shí)除了造成無功功率消耗大以外，電弧的不穩(wěn)定性會(huì)造成電網(wǎng)電流波動(dòng)，導(dǎo)致冶煉時(shí)間延長，引起生產(chǎn)成本增加。

2.1.3 軋機(jī)負(fù)荷特征及其影響

軋鋼生產(chǎn)線電動(dòng)機(jī)大多采用可控硅變流器供電方式，常見有熱軋機(jī)、冷軋機(jī)、中厚板軋機(jī)、高速線材軋機(jī)，其負(fù)荷較大，變化速度快，變化幅值大，連續(xù)軋制過程造成重復(fù)沖擊。軋機(jī)負(fù)荷引起的電能質(zhì)量問題主要包括：電壓波動(dòng)、高次諧波、功率因數(shù)低，軋機(jī)負(fù)載的諧波以奇次諧波為主。

鋼鐵企業(yè)電網(wǎng)需采取電能質(zhì)量改善措施解決上述問題，在配電網(wǎng)內(nèi)安裝動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償成套設(shè)備，對(duì)軋機(jī)和電弧爐的運(yùn)行以及相關(guān)電網(wǎng)的安全可靠運(yùn)行起著至關(guān)重要的作用。[1]

2.2 鋼鐵企業(yè)電能質(zhì)量的控制方法

鋼鐵用電網(wǎng)電能控制要綜合多種因素考慮，結(jié)合用電設(shè)備的特征、電網(wǎng)結(jié)構(gòu)形式、運(yùn)行方式、工藝特點(diǎn)來選擇控制方案。

2.2.1 電壓的波動(dòng)控制

在工業(yè)企業(yè)中，改善電能質(zhì)量的首要任務(wù)是控制電壓。改善電壓偏差的主要措施有3種：

（1）采用無功功率補(bǔ)償及時(shí)調(diào)整無功功率補(bǔ)償量。無功負(fù)荷的變化產(chǎn)生電壓偏差，采用分散補(bǔ)償或集中補(bǔ)償對(duì)母線電壓進(jìn)行無功功率補(bǔ)償，及時(shí)調(diào)整補(bǔ)償量是控制電壓波動(dòng)最有效的措施。

（2）在合適的條件下采用有載調(diào)壓變壓器調(diào)整電壓。無功負(fù)荷補(bǔ)償?shù)焦β室驍?shù)為0.90～0.95對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)定是有利的，負(fù)荷所需要的一部分變化無功負(fù)荷仍要從電力系統(tǒng)電網(wǎng)中供給，這部分原因造成的電壓偏差需要采用有載調(diào)壓變壓器來解決。

（3）調(diào)整同步電機(jī)的勵(lì)磁電流使其超前或滯后運(yùn)行，向電網(wǎng)輸送超前或滯后的無功功率，從而實(shí)現(xiàn)改善電網(wǎng)負(fù)荷的功率因數(shù)和調(diào)整電壓波動(dòng)的目的。

2.2.2 動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償（SVC）

動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償是指在設(shè)備用電負(fù)荷消耗無功功率時(shí)，所需的無功功率由無功補(bǔ)償裝置快速、等量的向電源輸出無功功率的補(bǔ)償形式。其特點(diǎn)就是補(bǔ)償裝置的無功輸出量隨負(fù)載無功的變換而變化。

動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償能實(shí)現(xiàn)以下功能：

(1)降低電壓波動(dòng)。補(bǔ)償裝置能夠吸收或發(fā)出無功，進(jìn)而可以提高或降低母線電壓，避免產(chǎn)生欠電壓或過電壓，防止用電設(shè)備損壞。

(2)減少電壓沖擊和閃變，降低電氣設(shè)備絕緣損壞程度，提高電能質(zhì)量，保證生產(chǎn)工藝控制能力。

(3)改善功率因數(shù)。可以及時(shí)進(jìn)行無功功率補(bǔ)償，有效校正非線性負(fù)載運(yùn)行時(shí)的功率因數(shù)，提高電網(wǎng)平均功率因數(shù)。

(4)改善電壓波形，消除電網(wǎng)諧波，提高電氣設(shè)備使用壽命。

軋鋼生產(chǎn)線動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償裝置投運(yùn)后的電能質(zhì)量控制效果分析見圖1。

圖1 顯示在動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償裝置投運(yùn)后，軋鋼過程中電壓、有功功率、無功功率的變化情況。從圖1可以看出SVC 能夠?qū)崿F(xiàn)在沖擊負(fù)荷發(fā)生時(shí)對(duì)無功功率跟蹤補(bǔ)償?shù)男Ч琍CC 點(diǎn)電壓的波動(dòng)和10 kV電壓的波動(dòng)均處于合格線范圍內(nèi)，SVC 對(duì)軋鋼生產(chǎn)線的無功補(bǔ)償效果非常好。

3 電爐用SVC的設(shè)計(jì)

3.1 SVC補(bǔ)償母線接線方式

SVC 與35 kV 電爐母線直接連接，這樣，可以最大程度地緩解閃變和諧波。一段母線建議使用1套SVC，可避免SVC之間的相互影響，根據(jù)電爐的用電容量選擇無功功率補(bǔ)償?shù)娜萘浚?0 t電爐，按照計(jì)算應(yīng)采用補(bǔ)償器功率為90 MVA 的電爐的無功功率要求。電爐SVC為補(bǔ)償裝置接線方式見圖2。

SVC 包括1 個(gè)可控硅控制的電抗器（TCR）和4個(gè)諧波濾波器。

可控硅控制電抗器 100 Mvar

二次諧波濾波器 25 Mvar

三次諧波濾波器 30 Mvar

四次諧波濾波器 20 Mvar

五次諧波濾波器 25 Mvar

圖1 軋鋼時(shí)電力負(fù)荷波形曲線

圖2 電爐SVC主接線圖

3.2 SVC容量的確定

每臺(tái)電爐運(yùn)行中PCC 平均功率因數(shù)要求滿足0.95≤p.f.≤1.0。SVC 額定功率根據(jù)所需功率因數(shù)要求和主要容量計(jì)算進(jìn)行優(yōu)化。

電爐有功功率：P=Srated×cosφ

電爐無功功率：Q=Srated×sinφ

平均有功功率：EAF 90 MVA（0.78）≥70.2 MWP平均=70.2 MW

平均無功功率：EAF 90 MVA（0.78）≥56.3 MvarQ平均=56.3 Mvar

根據(jù)電爐功率消耗波動(dòng)，最大無功功率消耗大于平均值：

圖3為典型EAF無功功率波動(dòng)曲線。

圖3 典型EAF無功功率波動(dòng)曲線

典型動(dòng)態(tài)電壓波動(dòng)計(jì)算以多臺(tái)電極電爐裝置的經(jīng)驗(yàn)值為依據(jù)，簡化為平均值的分?jǐn)?shù)。

“k”隨所使用的不同的電爐類型、運(yùn)行模式（冶煉/精煉）、功率因數(shù)等的不同而變化。電爐正常運(yùn)行比較穩(wěn)定，但每爐最初的幾分鐘波動(dòng)會(huì)比較大。根據(jù)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，EAF類型的電爐“k”值約為0.7。

電爐運(yùn)行時(shí)，最大無功功率要求很少會(huì)大于下述公式值:

降壓變壓器消耗無功功率，約為6 Mvar。功率因數(shù)要求PCC 大于等于0.95。在規(guī)定荷載下，大約23 Mvar的無功功率可由電網(wǎng)提供，且不會(huì)超過規(guī)定功率因數(shù)要求。這樣計(jì)算，SVC額定功率為：

考慮到降低閃變和安全余量所需最大功率，SVC容量選擇100 Mvar。

3.3 電爐用SVC 閃變的計(jì)算

使用UIE/IEC 的標(biāo)準(zhǔn)定義對(duì)閃變度進(jìn)行估算，采用的方法是在全部三個(gè)電極浸入溶池時(shí)，將產(chǎn)生的閃變與造成的壓降聯(lián)系起來。壓降與強(qiáng)度系數(shù)（Kst系數(shù)）相乘。Pst95%定義為很短的時(shí)間（10 min）概率為95%，不會(huì)超過這個(gè)量。

Pst95%計(jì)算公式如下：

式中：Kst——典型發(fā)射系數(shù)；

Sccf——電爐短路水平；

Sccn——PCC點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)短路水平。

系數(shù)Kst為每臺(tái)電爐給定的值，典型數(shù)值在48到85之間。對(duì)于電弧爐，串聯(lián)電抗器的EAF電爐Kst預(yù)計(jì)為69。考慮降壓變壓器和串聯(lián)電抗器的阻抗，應(yīng)計(jì)算電爐短路功率。

在廢鋼冶煉階段，一臺(tái)電爐有功和無功功率產(chǎn)生的閃變是一個(gè)不定的變量，其結(jié)果是連接母線的電壓隨機(jī)變量。使用SVC 會(huì)使無功功率變量快速得到補(bǔ)償。若SVC 能力適當(dāng)，可補(bǔ)償電爐無功功率要求，從而降低閃變度。

通過SVC 降低閃變受控制系統(tǒng)效率的影響，經(jīng)過無功功率補(bǔ)償控制系統(tǒng)的改進(jìn)。采用MACH2 控制系統(tǒng)。圖4為通過SVC降低閃變的示例。

圖4 SVC投運(yùn)時(shí)PCC點(diǎn)閃變情況

根據(jù)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，通過SVC 合理地降低閃變系數(shù)約2.0，這樣，每臺(tái)帶SVC 運(yùn)行的電爐閃變度可Pst95約為0.51。

3.4 電爐冶煉時(shí)諧波的產(chǎn)生和過濾

電爐在最初熔煉期間，會(huì)有諧波和連續(xù)間諧波。典型的諧波為二次、三次、四次、五次離散諧波。除了電爐產(chǎn)生的諧波，還必須考慮SVC 可控硅電抗器的諧波。TCR 運(yùn)行中，可控硅的導(dǎo)通間隔受到控制，產(chǎn)生與控制角度成函數(shù)關(guān)系的諧波電流。振幅會(huì)不同，但典型頻率一定：三次、五次、七次、九次、十一次和十三次。來自一臺(tái)電爐的諧波歸結(jié)為由TCR產(chǎn)生的最大諧波。

諧波濾波器是為了滿足諧波失真的要求，產(chǎn)生無功功率，確保在任何情況下都不會(huì)造成諧振。為了達(dá)到SVC 運(yùn)行范圍（0～100 Mvar），需安裝總濾波功率為100 Mvar 的裝置。為實(shí)現(xiàn)濾波目的，最好將總無功功率分為調(diào)諧到二次（25 Mvar），三次（30 Mvar），四次（20 Mvar），和五次（25 Mvar）4 個(gè)不同的濾波器。通過對(duì)二次諧波過濾器阻尼介入，可解決間諧波和諧振的問題。

4 結(jié)論

通過采用動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償裝置，實(shí)現(xiàn)了對(duì)鋼鐵企業(yè)電網(wǎng)電能質(zhì)量的改善，有效消除了高次諧波，使電壓波動(dòng)符合電能質(zhì)量國家規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，滿足了生產(chǎn)工藝的控制要求，在實(shí)現(xiàn)板材軋制的產(chǎn)品質(zhì)量控制方面起到了積極的作用。在實(shí)際應(yīng)用中TCR 的輔助運(yùn)行系統(tǒng)成為故障率增加的重要方面，如外水冷卻系統(tǒng)的冷卻能力；另外SVC 也存在一些需要改進(jìn)的問題，如電抗器、濾波回路的噪聲問題，電磁輻射以及有功消耗等。電弧爐生產(chǎn)工藝中大容量的無功補(bǔ)償裝置的投運(yùn)所產(chǎn)生的有功功率消耗增加了煉鋼制造成本，有功功率消耗控制方面還有待進(jìn)一步改進(jìn)。