鋼廠供電系統(tǒng)電壓波動及諧波問題研究

王鵬

摘 要：當(dāng)前，鋼廠供電系統(tǒng)最大的問題是電壓波動、過電壓、諧波問題?；诖?，本文首先分析鋼鐵企業(yè)負(fù)載的特點(diǎn)，然后分析鋼鐵企業(yè)電力系統(tǒng)普遍存在的問題，并提出解決方法，最后探討鋼廠的諧波分析及解決辦法。

關(guān)鍵詞：供配電系統(tǒng);電壓波動;諧波

中圖分類號：TM744.1;TM727.3文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1003-5168（2021）05-0130-02

Abstract： At present， the biggest problems of power supply system in steel plant are voltage fluctuation， over-voltage and harmonic. Based on this， this paper first analyzed the characteristics of the load of steel enterprises， then analyzed the problems existing in the power system of steel enterprises， and put forward solutions. Finally， the harmonic analysis and solutions of steel plants were discussed.

Keywords： power supply and distribution system;voltage fluctuation;harmonic

1 鋼鐵企業(yè)負(fù)載的特點(diǎn)

鋼鐵企業(yè)負(fù)載種類繁多，包括一類、二類、三類負(fù)載，也包括平穩(wěn)、沖擊、整流、變頻負(fù)載。鋼廠的負(fù)荷性質(zhì)和特點(diǎn)是由鋼廠的工藝特點(diǎn)決定的。

1.1 沖擊負(fù)載多

鋼鐵企業(yè)主要的沖擊負(fù)載有冶煉設(shè)備，如電弧爐、精煉爐、電渣爐、自耗爐、中頻爐、礦熱爐;加工設(shè)備，如棒線材軋機(jī)、開坯機(jī)、粗軋機(jī)、連軋機(jī)組;板帶軋機(jī)，如管材軋機(jī)、穿孔機(jī)、軋管機(jī)、張力減徑機(jī)組;大電機(jī)啟動，電動機(jī)不是沖擊性負(fù)載，但電動機(jī)在啟動時是有沖擊的，如煉鐵鼓風(fēng)機(jī)、氧氣透平壓縮機(jī)、煤氣站增壓機(jī)、水泵站電動機(jī)、電爐除塵電動機(jī)等[1]。

韶鋼煉鋼工序最大有功功率為38.059 MW，最大無功功率為40.344 Mvar，不冶煉時有功功率、無功功率基本為0。

1.2 諧波較大、功率因數(shù)較低的負(fù)載多

鋼廠使用數(shù)量較多的電弧爐、軋機(jī)等。大容量的可逆開坯機(jī)如果是直流電動機(jī)拖動，最低的功率因數(shù)只有0.2，最高也就達(dá)到0.74，功率因數(shù)低時，諧波也很大。采用交-交變頻的交流主傳動軋機(jī)的功率因數(shù)也較低。采用交-直-交變頻的交流主傳動軋機(jī)的功率因數(shù)較高，一般為0.88～0.9。中頻爐一般采用交-直-交變頻器，功率因數(shù)較高，高壓側(cè)一般在0.9左右，但諧波很大，而且非特征諧波含量較高，也有間諧波，非常難治理。總之，電弧爐和軋機(jī)都是諧波較大、功率因數(shù)低的負(fù)載[2]。

1.3 裝置容量大、計算負(fù)荷大、平均負(fù)荷相對較低

鋼廠電氣設(shè)備的安裝容量很大，計算負(fù)荷也不小，但平均負(fù)荷較低。一個安裝容量為20萬kW的鋼廠，平均負(fù)荷不到4萬kW。這主要是由于設(shè)備的負(fù)載率低。電弧爐是間歇負(fù)載，軋機(jī)也是。橫列式軋機(jī)比較突出，大剪、飛剪的負(fù)載率低，一般在0.2～0.7。鋼廠負(fù)載率較高的設(shè)備大多在動力系統(tǒng)，如氧氣站、空壓站、水泵站、煤氣站。

2 鋼鐵企業(yè)電力系統(tǒng)普遍存在的問題及解決方法

電壓變動、電壓波動大、電壓閃變大、電壓偏移大、電壓驟降主要是由沖擊負(fù)載和間歇斷續(xù)負(fù)載造成的。電壓波動一般在2%～10%，高的可達(dá)15%，超出電壓波動范圍。

2.1 電爐沖擊性負(fù)荷產(chǎn)生電壓波動

電壓波動主要由無功沖擊引起，有功負(fù)載沖擊很小，一般只占5%，因此想要解決電壓波動問題，必須補(bǔ)充沖擊無功。電爐等負(fù)載所需的無功是由電源提供的，因此在線路、變壓器上產(chǎn)生較大的壓降，引起電壓波動。

解決辦法：在設(shè)計前期盡量考慮周全，采用廢鋼預(yù)熱工藝，并用液壓剪將廢鋼剪碎，選擇合適的極心圓，選擇短路容量大的電源供電，采用直流電弧爐，選擇性能優(yōu)良的電極自動調(diào)節(jié)裝置，串聯(lián)適當(dāng)?shù)碾娍蛊?，采取安裝動態(tài)無功補(bǔ)償裝置的方法對電壓波動進(jìn)行補(bǔ)償?shù)取?/p>

2.2 產(chǎn)生軋鋼沖擊性負(fù)荷

粗軋機(jī)產(chǎn)生的軋鋼沖擊性負(fù)荷最為嚴(yán)重，最低的功率因數(shù)只有0.2，因此基本上全是無功沖擊。軋機(jī)咬鋼時沖擊最大，過鋼時次之。

解決辦法：前期設(shè)計時盡量采用短路容量大的電源供電，例如，選用35 kV電壓供電，同時，安裝動態(tài)無功補(bǔ)償裝置對電壓波動進(jìn)行補(bǔ)償。

2.3 大電機(jī)起動產(chǎn)生電壓降落

550 kW以上的電動機(jī)直接啟動將引起較大的電壓降落。

解決辦法：通過在定子繞組電路中串聯(lián)電阻啟動，在電氣回路加裝自耦變壓器、變頻器啟動，或者通過改變電機(jī)定子繞組接線方法，以減少電壓降落。

3 鋼廠的諧波分析及解決辦法

3.1 諧波分析

3.1.1 電弧爐非線性負(fù)荷產(chǎn)生特征諧波和非特征諧波及間諧波。電弧爐的諧波是由于電弧的非線性特性產(chǎn)生的，主要以低次諧波為主，如2次、3次、4次、5次，另外還有間諧波。

3.1.2 整流設(shè)備、變頻器設(shè)備產(chǎn)生的諧波。鋼廠產(chǎn)生諧波的設(shè)備有軋機(jī)主傳動的直流整流器、直流自耗爐的變流器、中頻爐的中頻變頻器、飛剪、拉矯機(jī)等直流或交流傳動設(shè)備。軋鋼整流器的諧波一般是以6脈動、12脈動、24脈動主接線產(chǎn)生的諧波為主，主要以5次、7次、11次、13次、23次、25次為主，個別的也有37次以上的諧波，還有少量的3次諧波。

直流整流設(shè)備的諧波一般是特征諧波，6脈動整流器是5次和7次諧波含量高;12脈動整流器是11次和13次諧波含量高;24脈動整流器是23次和25次諧波含量高。但實(shí)際上，其都有非特征諧波，有的還有間諧波。高次諧波增加系統(tǒng)和設(shè)備的損耗，可能會產(chǎn)生諧振電壓，繼電保護(hù)誤動，電機(jī)發(fā)熱，干擾控制設(shè)備使其不能正常工作。

3.2 解決辦法

解決鋼廠諧波問題最直接的方法是加裝濾波器和動態(tài)無功補(bǔ)償，其中濾波器分無源濾波器和有源濾波器兩種。

無源濾波器的主要功能是濾波，同時也能補(bǔ)償功率因數(shù)。無源濾波器是利用電感和電容串聯(lián)諧振原理對高次諧波進(jìn)行濾波的[3]。

最常見的無源濾波器有兩種：一種是單調(diào)諧濾波器，由電感和電容組成;另一種是高通濾波器，由電感、電容和電阻組成。單調(diào)諧濾波器的優(yōu)點(diǎn)是濾波效果好，結(jié)構(gòu)簡單;缺點(diǎn)是通頻帶狹窄，對周圍頻次諧波的濾除作用較小。高通濾波器（寬頻帶濾波器）一般用于某次及以上次的諧波抑制。例如，13次高通濾波器，通過電感、電容和電阻參數(shù)的調(diào)整，可以形成該濾波器回路對13次及以上次諧波的低阻抗通路。此外，還有一種C型濾波器不常用，一般用于電弧爐濾波器上，屬于電弧爐專用濾波器，用于濾除2次諧波[4]。

有源濾波器是利用可關(guān)斷電力電子器件，產(chǎn)生與負(fù)荷電流中諧波分量大小相等、相位相反的電流來抵消諧波的濾波裝置[5]。有源濾波器的優(yōu)點(diǎn)是可以動態(tài)濾波，濾掉頻率和大小都變化的諧波;在動態(tài)濾波的同時，可以提高功率因數(shù);不存在諧振的風(fēng)險;損耗比傳統(tǒng)的無源濾波器小[6]。

鋼廠常用的動態(tài)無功補(bǔ)償裝置主要有動態(tài)無功補(bǔ)償SVC（TCR+FC）、SVG（SVG+FC）和MCR（MCR+FC）三種。其中，MCR（MCR+FC）基本已經(jīng)不用了，主要原因是MCR響應(yīng)速度慢，對補(bǔ)償電壓波動、電壓閃變、三相不平衡基本不起作用。因此，鋼廠在諧波方面主要采用動態(tài)無功補(bǔ)償SVC（TCR+FC）和SVG（SVG+FC）兩種。

4 結(jié)論

通過合適的方法對供配電系統(tǒng)中的電壓波動及諧波進(jìn)行控制及治理，也能為生產(chǎn)提供連續(xù)、穩(wěn)定、可靠、優(yōu)質(zhì)的電能，對生產(chǎn)起到保駕護(hù)航的作用。

參考文獻(xiàn)：

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