【正文】 加裝必要的無功功率補(bǔ)償裝置 ”。 鋼鐵企業(yè)大型沖擊負(fù)荷主要是軋鋼機(jī)和電 弧爐 。 鋼廠在不加裝無功功率補(bǔ)償裝置時(shí)，功率因數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于國(guó)家的供電要求 。 另外，鋼鐵企業(yè)負(fù)荷無功波動(dòng)劇烈，引起電壓波動(dòng)和閃變，因此必須加裝無功功率補(bǔ)償裝置 。 鋼鐵企業(yè)中，對(duì)電能質(zhì)量影響最明顯的負(fù)荷是電弧爐和軋鋼機(jī)，對(duì)鋼鐵企業(yè)的無功補(bǔ)償和電能質(zhì)量的治理也是主要針對(duì)這兩種負(fù)荷 。 電弧爐，特別是目前被廣泛應(yīng)用的大型高功率 電弧爐，熔煉期間負(fù)荷急劇波動(dòng)，產(chǎn)生大量諧波和負(fù)序電流 。 軋鋼機(jī)在咬鋼期間產(chǎn)生 23 倍于額定功率的無功沖擊 ［ 10］ 。 針對(duì)這兩種負(fù)荷波動(dòng)快速，幅度大的特點(diǎn)，靜止無功補(bǔ)償器（ SVC）成為鋼鐵企業(yè)無功補(bǔ)償?shù)淖罾硐朐O(shè)備 。 SVC 無功補(bǔ)償裝置可以應(yīng)用在輸配電網(wǎng) 、 長(zhǎng)距離傳輸電網(wǎng) 、 風(fēng)力發(fā)電廠 、 大型工廠特別是鋼鐵企業(yè) 、 電氣化鐵路等 。 以前國(guó)內(nèi)大型鋼鐵企業(yè)的無功補(bǔ)償設(shè)備的市場(chǎng)大部分被外國(guó)公司壟斷，近年來，國(guó)內(nèi)企業(yè)隨著 SVC 技術(shù)的發(fā)展，正越來越多地參與到鋼鐵企業(yè)的無功補(bǔ)償項(xiàng)目中來 。 SVC+FC 在萊鋼 1500mm熱軋 中的應(yīng)用分析 萊鋼 l500mm 熱軋帶鋼工程由 10kV 供電，主要負(fù)載為粗軋機(jī)、精軋機(jī)、輔傳動(dòng)及動(dòng)力負(fù)荷等，其中粗軋機(jī)有交交變頻調(diào)速電動(dòng)機(jī) 2 臺(tái)，每臺(tái)功率 4500 kW，F(xiàn)1～ F3 精軋機(jī)有交交變額調(diào)速電動(dòng)機(jī) 3臺(tái)，每臺(tái) 4000 kW， F4～ F6精軋機(jī)有交交變頻調(diào)速電動(dòng)機(jī) 3臺(tái)，每臺(tái) 3500kW，直流輔助傳動(dòng)負(fù)載共計(jì) 1500kW，飛剪直流傳動(dòng)負(fù)載共計(jì) 435kW，卷筒、活套等直流傳動(dòng)負(fù)載共計(jì) 680kW，其他負(fù)荷為交直變變頻驅(qū)動(dòng)負(fù)載，共計(jì)約 7300kW。 負(fù)載的特點(diǎn)為軋機(jī)負(fù)載容量大，是電網(wǎng)產(chǎn)生波動(dòng)的根源，其中尤以初軋機(jī)的沖 擊負(fù)荷最大 。R1 初軋機(jī)和 F1～ F6 精軋機(jī)負(fù)載均為交交變頻負(fù)載，具有旁頻諧波：整流負(fù)載按 12脈波整流配置，其特征諧波為 12k177。1 次，諧波含量 5次、 7次較小， 11 次、 13次較大。軋制規(guī)格、品種及工藝情況不同時(shí)，其產(chǎn)生的無功和諧波量有很大不同。 根據(jù)萊鋼 l500mm 熱軋帶鋼工程供電系統(tǒng)圖，供電為 10kV 兩段母線供電。 I段母線主要包括 R1 初軋機(jī)、 F1～ F6 精軋機(jī)主傳動(dòng)部分，豐要矛盾是無功沖擊、電壓波動(dòng)及諧波濾波 。Ⅱ 段母線主要包括輔傳動(dòng)及其他輔助負(fù)載，主要矛盾是無功補(bǔ)償。 I 段母線因含有 R1 初軋機(jī)、 F1～ F6 精軋機(jī)，負(fù) 載沖擊很大 。II 段母線為輔助負(fù)載，比較平穩(wěn)。因此本方案擬在 I段母線上安裝一套 FC TCR 型 SVC(靜沈陽(yáng)農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 21 止型動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償及諧波濾波裝置 )系統(tǒng)，在 II 段母線上安裝一套 FC 濾波裝置。I段母線電網(wǎng)上安裝 SVC 系統(tǒng)，可以連續(xù)調(diào)節(jié)無功補(bǔ)償量，功態(tài)響應(yīng)速度快，可以解決主軋機(jī)對(duì)電網(wǎng)的劇烈沖擊，穩(wěn)定電網(wǎng)電壓，濾除諧波，充分發(fā)揮 SVC 的優(yōu)勢(shì)，使 I 段電網(wǎng)的功率因數(shù)保持在整定值 以上。兩段的綜合效果為動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償及諧波濾波。 Ⅱ 段母線的主要負(fù)載為輔傳動(dòng)，負(fù)載的沖擊很小，安裝套靜態(tài)濾波裝置可以節(jié)約投資，同時(shí)又能滿足電網(wǎng)要求。 Ⅱ 段母 線的功率因數(shù)補(bǔ)償指標(biāo)設(shè)計(jì)為 gt。 SVC+FC 的補(bǔ)償原理 FC TCR 裝置由 3 部分構(gòu)成： FC 濾波器、 TCR 相控電抗器和控制保護(hù)系統(tǒng)，系統(tǒng)框圖如圖 1 所示。 FC 濾波器用于無功補(bǔ)償及諧波濾波，該濾波器應(yīng)完成以下兩個(gè)任務(wù)：提供系統(tǒng)所需要的容性無功功率、濾除負(fù)載及 TCR系統(tǒng)本身所產(chǎn)生的諧波。 TCR相控電抗器用于平衡系統(tǒng)中由于負(fù)載的波動(dòng)所產(chǎn)生的感性無功功率，該相控電抗器應(yīng)完成以下兩個(gè)任務(wù)：提供系統(tǒng)所需要的感性無功功率、穩(wěn)定負(fù)載沖擊所產(chǎn)生的電壓波動(dòng)?？刂票Ｗo(hù)系統(tǒng)包括兩個(gè)方面：一方面為整個(gè)系統(tǒng)的 保護(hù)控制 。另一方面為相控電抗器的調(diào)相控制。 TCR 的基本結(jié)構(gòu)就是由晶閘管構(gòu)成的可控閥體與電抗器串聯(lián)，采用三角形聯(lián)結(jié)。這樣的電路并聯(lián)到電網(wǎng)上，就相當(dāng)于電感負(fù)載的交流調(diào)壓電路的結(jié)構(gòu)。吸收的諧波電流和無功功率隨著控制角 α 的增大而減小，實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)無功功率的目的。負(fù)載的變化由 TCR 所產(chǎn)生的變化無功功率加以平衡，使得兩者之和總是維持為常數(shù)，此常數(shù)感性無功功率被 FC 的容性無功功率相抵消，最終使得電網(wǎng)的功率因數(shù)保持在設(shè)定值如 附近。 圖 34 單相 TCR+FC 型 SVC 組成原理圖 無功補(bǔ)償技術(shù)的發(fā)展及其應(yīng)用的研究 22 圖 35 三相 TCR+FC 型 SVC 組成原理圖 圖 36 控制器系統(tǒng)框圖 FC濾波器是在并聯(lián)電容器上串聯(lián)濾波電抗器構(gòu)成的，根據(jù)負(fù)載諧波含量的不同組成若干組不同的 LC 補(bǔ)償濾波同路。 FC濾波器所要濾除的諧波，主要來自于兩個(gè)方面：一方面是負(fù)載所產(chǎn)生的諧波，主要來自于整流設(shè)備，其特征諧波為 5次、 7次、 11 次、 13 次等 。另一方面來自于 TCR 相控電抗器，主要以 3次諧波為主。 TCR 相控電抗器由晶閘管相控閥與電抗器串聯(lián)構(gòu)成，三相接線采用三角形聯(lián)結(jié)，這種接線形式比其他形式接線的電流中諧波含量小。另外，工程實(shí)際中，當(dāng)容量較大時(shí)，將電抗器分為等容量的兩部分，串接在晶閘管相控閥的兩端，這樣可以使晶閘管在電抗器損壞時(shí)得到額外的保護(hù)。 Ⅱ 段母線的 FC 由兩部分構(gòu)成： FC 濾波器和控制系統(tǒng)。 FC 濾波器用于無功補(bǔ)償及諧波濾波，該濾波器應(yīng)完成以下兩個(gè)任務(wù)：提供系統(tǒng)所需要的容性無功功率及濾除負(fù)載所產(chǎn)生的諧波。控制系統(tǒng)為整個(gè)系統(tǒng)提供繼電保護(hù)。 沈陽(yáng)農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 23 FC 濾波器所要濾除的諧波主要來自于負(fù)載的整流設(shè)備，其特征諧波為 5次、7次、 11 次、 13次等。但由于 Ⅱ 段母線負(fù)載的諧波源較少， 將該濾波器設(shè)計(jì)為 5次、 7次高通兩回路濾波器即可滿足電網(wǎng)要求，既能保證有效的諧波濾波，又可以防止與電網(wǎng)的背景諧被產(chǎn)生諧振。 圖 37 仿真 波形圖 冶金企業(yè)中靜止無功動(dòng)態(tài)補(bǔ)償裝置的應(yīng)用 在冶金企業(yè)中，煉鋼電弧爐具有非常滯后的功率因數(shù)和變化頻繁的不平衡負(fù)荷。無功電流波動(dòng)幅度大和不穩(wěn) 定造成了系統(tǒng)中電壓的波動(dòng)，若生活用電也接在同一電網(wǎng)上，系統(tǒng)電壓波動(dòng)將會(huì)造成燈光閃爍并對(duì)電視機(jī)和其它用電設(shè)備產(chǎn)生干擾。 造成電弧電流隨機(jī)波動(dòng)的主要因素有 :1）金屬熔液和爐渣的流動(dòng)。 2）弧隙電離程度的變化。 3）電極的顫動(dòng) .4）在電磁力作用下電弧路徑的變動(dòng)等?；￠L(zhǎng)的不規(guī)則變化，引起電網(wǎng)電壓相應(yīng)的波動(dòng)。當(dāng)斷弧時(shí)，取自電網(wǎng)的有效功率等于零；而當(dāng)電極同爐料短路時(shí)，爐子主電路消耗的無功功率最大。在熔化期，由于每相電弧長(zhǎng)度的變化在時(shí)間上不一致，所以造成三相負(fù)荷不對(duì)稱。此外，電弧本身弧壓與弧流的非線性也將產(chǎn)生出高次 諧波電流，返回到電網(wǎng)中去，導(dǎo)致電網(wǎng)電壓波形畸變、中性點(diǎn)位移。而電弧爐采用靜止無功補(bǔ)償裝置就能克服上述問題，因?yàn)樗茈S時(shí)提供電弧爐所需的瞬變無功功率，從而穩(wěn)定其供電系統(tǒng)。另外它給煉鋼工業(yè)本身也帶來了很大的效益，因?yàn)?，供電電壓的穩(wěn)定使電爐變壓器得到最有效的利用，并能提供穩(wěn)定的熔化功率；消除無功電流的流動(dòng)，可降低線路和變電所變壓器的損耗。系統(tǒng)功率因數(shù)也會(huì)得到顯著的改善。這些效益既減少電弧爐煉鋼設(shè)備的投資，也減少了它的運(yùn)行費(fèi)用。 電弧爐用靜補(bǔ)裝置及其容量的選擇方法 電壓波動(dòng) (Δu)的原因是由 于無功功率的變化 (ΔQ)。即 無功補(bǔ)償技術(shù)的發(fā)展及其應(yīng)用的研究 24 %10 0???? sDRQu 321 (31) 由此看來，利用無功發(fā)生裝置，就可補(bǔ)償電網(wǎng)電壓波動(dòng)。由于晶閘管維護(hù)容易、可靠性高，并可以連續(xù)平滑調(diào)節(jié)，所以無功補(bǔ)償裝置的最佳方案是利用晶閘管控制電抗器電流，它與補(bǔ)償電容器并聯(lián)。圖 32 示出靜補(bǔ)裝置系統(tǒng)原理圖和無功功率變化示意圖。其工作原理是將電弧爐隨時(shí)變化的無功功率信號(hào)檢出，用來控制電抗器的無功功率，使 QF＋ QL=常數(shù) (32)式中： QF為電弧爐發(fā)生的無功功率； QL為晶閘管控制電抗器的無功功率。另外由于補(bǔ)償電容器的無功功率QC=QF＋ QL，所以整個(gè)靜補(bǔ)裝置取自電網(wǎng)的總無功功率 QΣ維持不變，并力圖使之趨近于零，即 QΣ=QF＋ QL－ QC=0（ 33） 總的無功功率維持不變，并且補(bǔ)償后，趨近于零，則電壓波動(dòng)也趨近于零了。補(bǔ)償電容器實(shí)際上被分成三、五、七次和高通濾波器。 (a) 靜止補(bǔ)償系統(tǒng)原理圖 （ b） 無功補(bǔ)償變化示意 圖 圖 38 靜止無功補(bǔ)償原理圖 沈陽(yáng)農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 25 毋庸置疑，正確地選擇靜補(bǔ)裝置的容量，能減輕電弧爐電氣設(shè)備（電爐變壓器、高壓斷路器、電力電容器等）的負(fù)擔(dān)；能提高爐襯和電極的使用壽命，并可使前級(jí)供電變壓器的容量減少約 20％，因此可以說，靜補(bǔ)裝置不僅能頗有成效地改善供電質(zhì)量，而且還能提高冶金企業(yè)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。 為了正確地選擇靜補(bǔ)裝置的容量，必須具體地分析電弧爐供電線路和擬定靜補(bǔ)裝置的技術(shù)條件。這些條件是 1）靜補(bǔ)裝置保證電爐供電母線上的電能質(zhì)量達(dá)到國(guó)家電熱規(guī)范所規(guī)定的質(zhì)量指標(biāo)。 2） 靜補(bǔ)裝置保證電爐供電母線上的功率因數(shù)平均值達(dá)到供電系統(tǒng)或國(guó)家電熱規(guī)范所規(guī)定的數(shù)值。 下面討論如圖 2 所示的煉鋼電弧爐的典型供電線路，這是二組供電線路，每組由二臺(tái)大型電弧爐組成，各組之間通過聯(lián)絡(luò)開關(guān) K1接通。當(dāng) K1斷開時(shí)，電爐變壓器連接處（ B 點(diǎn)）的短路容量 )( 1 1TkAB SUSS ?? ? ?(34) 式中： SA為 A 點(diǎn)供電系統(tǒng)的短路容量； ST為供電變壓器額定容量； UK為供電變壓器短路電壓。 一臺(tái)電弧爐短路時(shí)的短路容量 SL可由下式確定 ： 11 )( ?? ?????? ???? LBTkAl SkSUSS(35) 式中： k 為電弧爐三相短路電流倍數(shù)，高功率電弧爐為 ～ ，普通功率為～ ； SLB 為電爐變壓器額定容量。 式（ 5）給出了系統(tǒng)短路容量和電弧爐短路容量之間的關(guān)系。那么，多大容量的電弧爐可以接到多大容量的電網(wǎng)上去呢？ 無功補(bǔ)償技術(shù)的發(fā)展及其應(yīng)用的研究 26 圖 39 煉鋼電弧爐的供電圖 圖 310 電弧爐允許接到點(diǎn)電上的限制曲線 首先，美國(guó) AIEE委員會(huì)提出了煉鋼電弧爐允許接到電網(wǎng)上的限制曲線 1和 1′，見圖 328。該二曲線是根據(jù)全美電力公司試驗(yàn)發(fā)表的互降常數(shù) xmn 得出的，即 xmn=SLB/SDR (36) 式中： Sdr 為在觀測(cè)點(diǎn)的系統(tǒng)短路容量。 如 果 Xmn 值位于曲線 1 下面，則電弧爐允許接入系統(tǒng)，不需要采取電壓波動(dòng)補(bǔ)償措施。如果 Xmn 值位于曲線 1′上方，電弧爐不允許接入電網(wǎng)，或者采取電沈陽(yáng)農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 27 壓波動(dòng)補(bǔ)償措施后，方可接入電網(wǎng)。如果 Xmn 值在曲線 1 和 1′之間時(shí)，是否需要采取電壓波動(dòng)補(bǔ)償措施，取決于供電系統(tǒng)對(duì)電壓質(zhì)量的要求程度，送電后，一旦發(fā)生不允許的現(xiàn)象時(shí)，可在用戶側(cè)采取電壓波動(dòng)補(bǔ)償措施。在許多國(guó)家里，電壓波動(dòng)允許值小于 Xmn 值，因此通常均采用 xmn=SLB/SDR作為電弧爐被允許接到電網(wǎng)上的技術(shù)條件。由圖 3 可以看出，對(duì)于 1000kVA 的電弧爐變壓器而言，當(dāng)系統(tǒng)短 路容量 SDR 大于電弧爐變壓器容量的 100 倍時(shí)，電弧爐可以無條件地接入到電網(wǎng)中去，如果上述條件得不到滿足，即 Xmn 值位于圖 3 曲線 1′上方或者 1 和 1′之間時(shí)，則需裝設(shè)靜補(bǔ)裝置。 第二種方法是國(guó)際電熱委員會(huì)提出的高功率、超高功率電弧爐被允許接到電網(wǎng)上的限制曲線，見圖 311。由圖 311 可以看出，電弧爐被允許接到電網(wǎng)上的條件決定于電爐變壓器容量以及電極短路容量與系統(tǒng)短路容量之比。在一般情況下，電極短路容量對(duì)臨界母線上短路容量的比值不超過 時(shí)，允許電弧爐接到電網(wǎng)上去。 圖 311 電弧爐接到接電 網(wǎng)上的限制曲線 圖中： SJD和 SDR分別為電極短路容量和系統(tǒng)短路容量。 關(guān)于 30t 超高功率電弧爐短路容量及所需靜補(bǔ)償容量的設(shè)定 案例簡(jiǎn)介 廣東某鋼廠 30t 超高功率電弧爐短路容量及其所需靜補(bǔ)裝置容量。已知 110Kv/35Kv 等級(jí)電網(wǎng)，已知母線短路容量為 1000MvA，變壓器的額定容量為 65MvA， Uk=。 圖 312 實(shí)例分析示意圖 MvASBl 20? 根據(jù)公式， B 點(diǎn)短路容量為 無功補(bǔ)償技術(shù)的發(fā)展及其應(yīng)用的研究 28 )( 1 1TkAB SUSS ?? ? ? = ?????? ?? ?65)1 0 0 0( 1 1 = 一臺(tái)電 路的短路容量為 11 )( ?? ?????? ???? LBTkAl SkSUSS = ?????? ?? ?? ?11 )20*(65)1000( 1