大型炼钢电弧炉对电网及自身的影响和抑制方案翁利民，陈允平，舒立平（武汉大学电气工程学院，湖北省武汉市430072）详细分析了现代大型炼钢电弧炉对电网不利影响的4个方面：即电压波动、电压畸变、负序电压与电流、功率因数低，并结合实际从量的概念上认识其对自身在增加损耗、继电保护误动、增加网损、降低生产效益等方面的影响；介绍了抑制电弧炉的常规有效措施，得出了合理的结论。
关键词：电压闪变；电压波动；SVC；滤波器
1引言
现代大型超高功率炼钢电弧炉，由于其容量大，是用电大户，对电网的影响具有举足轻重的作用。它具有功率因数低，无功波动负荷大且急剧变动，产生有害的高次谐波电流，三相负荷严重不平衡产生负序电流等对电网不利的因素，使得电网电能质量恶化，危及发配电和大量用户，也影响电炉自身的产量、质量，使电耗、电极消耗增大，从而成为电网的主要公害之一。现在有关大型电炉对电网公害抑制的研究也正在深入开展，有必要对其不利影响和抑制对策作一概述性的分析。
2现代大型电炉对电网的影响
2.1引起电网电压急剧波动
大型电炉在打孔期和熔化期电弧长度急剧变化，引起无功负荷急剧波动，其工作短路功率为电炉变压器额定功率的两倍左右，其最大波动无功为电炉变压器额定功率的1.5倍左右（具体倍数取决于短网阻抗、电炉变压器阻抗、供电系统阻抗之和的大小，总阻抗大则工作短路倍数小，反之则大）。无功的急剧波动，引起电网电压的急剧波动，其波动频率一般为1~15Hz，使灯光和电视机屏幕产生闪烁，使人视觉疲劳而感到烦躁，此外还影响到晶闸管设备和精密仪表等的稳定运行，甚至产生质量事故。国标GB12326-2000《电能质量电压允许波动和闪变》规定了电力系统公共供电点各级电压等级的电压波动和闪变允许值。
2.2使电网电压波形产生畸变
电炉在熔化和打孔期，电弧电流是不规则的，且急剧变化，其电流波形不是正弦波，可分解为2次和2次以上的各次谐波电流，主要为2~7次，其中2次和3次最大，其平均值可达基波分量的5~10，最大可达15~30；4~7次平均值为2~6，最大值可达6~15。而电网中的铁磁元件也产生高次谐波，以3次和5次谐波电流较大，其中3次分量最大，而电炉刚好也是3次谐波电流很大，这对电网是极为不利的。谐波电流流入电网，使其电压波形发生畸变，引起电气设备发热、振动，增加损耗，干扰通信，使电力电缆局部放电绝缘损坏，电容器过载损坏等，国家标准GB/T14549-1993《电能质量公用电网谐波》规定了电压波形畸变率限值。
2.3使电网电压产生负序分量
电炉在熔化期，特别是打孔期，各相电弧电压是独立变化的，三相电弧各自发生急剧无规则变化，故其三相电流是不对称的。在正常生产情况下，产生的负序电流约为电炉变压器额定电流的25左右；在不正常情况下，如一相断弧时，可达56左右，如两相短路的同时，第三相又断弧，此时可达86左右。负序电流流入电网，使电网电压产生负序分量，影响发电机和用电设备使用效果，严重时可能造成损坏，还会使继电保护误动作，其严重程度一般用不平衡度（即负序电压与正序电压分量之比的百分数）表示，国标GB/T15543-1995《电能质量三相电压允许不平衡度》对于对称三相电网规定：负序电压不大于2，短时不超过4。一般来讲，在电网公共连接点上的短路容量为电炉变压器额定容量的30~40倍以上时，电网是允许的，否则应采取使三相达到平衡对称的补偿措施。
2.4引起电网电压水平降低
电炉在熔化期功率因数低于0.7，在发生工作短路时甚至低到0.1，在精炼期大型电炉功率因数也不高，一般为0.8左右。由于功率因数低，感性无功功率大，从而引起电压水平降低，影响用电设备出力，增加电能损耗，按供用电规则的规定，必须采用无功补偿措施在高峰负荷时把功率因数提高到0.9以上，但又不得超前。
上述电炉对电网影响的四个方面，有时是单独作用的，有时是综合的。
3大型电弧炉对自身及电气设备的影响
3.1对接在电炉供电电源电压等级上的小型发电机的影响[1]
以具有代表性和典型意义的某钢厂超高功率电炉为例。该电炉是由一座220/110kV变电站的110kV电压供电，在110kV系统中接有某一小电厂，在电厂中装有3台1500kW水轮发电机。在电炉进行正常生产时，电厂发电机出现频繁振动，每次振动连续时间短的几十秒，长的达几分钟，一天振动最多达20多次。作发电运行时（惯性大）振动小，作调相运行时（惯性小）振动大。在振动时发电机定子三相电流幅值不平衡且波动很大，同一相电流相对波动达20，三相电流之间相位偏差也在波动（约3°~4°），三相电流电压幅值包络线的波动频率为0.33~0.4Hz，电压和电流包络线正好反相位。机架上有一机械振动信号与电压波动频率相同（即共振）。上述情况说明发电机的低频振动是由电炉的无功波动、三相负荷不平衡、波形畸变综合作用形成的，而起主导作用的是无功波动。这是由于110kV系统该小电厂与电炉的电气距离最近，因此电炉对其有显著影响，不仅引起发电机振动，而且三相负荷不平衡还引起转子轴系产生曲扭，对轴产生不利影响，谐波电流使转子绕组铁心产生附加损耗，引起局部过热。
3.2对负序继电保护的影响
该电炉投产后，SVC装置尚未投入运行，变电站110kV系统距离保护装置的负序继电保护部分产生误动作，不得已只能退出运行。
3.3功率因数低，降低输送功率，增加网损
电炉熔化期功率因数只有0.7，冶炼周期平均功率因数只有0.79。在熔化期如果功率因数提高到规定值0.9，则网络可多输送11.6MW有功功率。而功率因数为0.7，就相当于使网络降低了11.6MW的有功输送能力，按平均网损8计算，多送无功造成的网损为928kW，年电能损耗达372MWh，电费为81.6万元。
3.4影响冶炼质量和效益
电炉变压器的直接用电电压为35kV，在电炉熔化期、打孔期，当SVC未投入时，母线上的电压波动为8~14，取10计算，电炉出力降低19，即使取8计算，电炉出力也降低15.4，熔化时间就要延长，至少要降低8的产量。
电压波动再加上35kV母线上电压畸变率(3.3~5.9)的影响，炉况不稳定电极升降调节频繁，使电极消耗增加，电力单耗增加，影响电炉自身的电能质量，从而对冶炼质量不利，经济效益会降低。另外，电炉投入运行后，由于功率因数低，在SVC装置未投入前，每月罚款6万元，一年就达72万元。
4抑制途径
抑制大型电弧炉对电网及其自身的影响的途径有：①提高供电电源的电压等级，以提高与电网公共连接点的短路容量，使其对电网和自身的影响在允许范围内；②采用SVC装置，使其对电网和自身的影响在允许范围内。这两种途径相比，途径①是治标的办法，因为电炉对电网和自身的影响的各种量值并未消除，而是送到更高电压等级的电网去扩散，随着电炉不断建设发展，这些量值在电网中增加积累，泛滥成灾，将会达到电网不能接受的程度，反而增加了对广大用户的影响，因此，使用范围越来越小；而途径②是治本的办法，它使电炉对电网和自身的影响的各种量值大部分就地消除了，其应用前景广阔。
近年来发展起来的SVC装置是一种快速调节无功功率的装置，已成功地用于电力、冶金、采矿和电气化铁道等冲击性负荷的补偿上，它可使所需无功功率作随机调整，从而保持电弧炉等冲击性负荷连接点的系统电压水平的恒定[2]。即
Qi=QD QL-QC(1)
式中Qi为系统公共连接点的无功功率；QD为负荷所需的无功功率；QL为可调（可控）电抗器吸收的无功功率；QC为电容器补偿装置发出的无功功率，单位均为kvar。
当负荷产生冲击无功DQD时，将引起
其中DQC=0，欲保持Qi不变，即DQi=0，则DQD=-DQL，即SVC装置中感性无功功率随冲击负荷无功功率作随机调整，此时电压水平能保持恒定不变。
SVC由可控支路和固定（或可变）电容器支路并联而成，主要有四种型式，其基本结[1][2]下一页
