电弧炉炼钢供电系统的无功动态补偿

摘要：介绍了冶金企业中炼钢电弧炉用静止无功动态补偿装置的方案选择、工作原理、电路结构及补偿容量的计算方法，并给出了计算实例。关键词：电弧炉；晶闸管；无功功率；谐波滤波器；电压波动

1引言

在电力系统中，供电的质量指标、电网运行的安全可靠性和经济性是最根本的问题。快速合理地调节电网无功功率，对交流电网的稳定和系统电压的调节、合理分配潮流及限制电网过电压方面有着十分重要的意义。特别是当邻近交流系统发生故障时，如不迅速补偿大幅度波动的无功功率，就会导致系统失控。近年来，随着冶金、电气化铁道的飞速发展，诸如具有冲击性负荷的电弧炼钢炉、轧钢机等不断投入电网，导致电网功率因数下降、波形畸变、电压波动、谐波干扰等公害。因此各工业发达国家都加强了对静止无功动态补偿装置的研究，以取代响应速度慢、调节性能差、损耗大、维护不便的同步调相机。 目前，在电力系统中，静止无功补偿（StaticVarCompensation，简称SVC），主要用于稳定电网电压，通常是按对称三相形式来进行调节的。而在工业应用中，SVC装置主要用于缓冲冲击性负荷及恢复电力网络的平衡[1]。

2冶金企业中静止无功动态补偿装置

容量的选择

在冶金企业中，炼钢电弧炉具有非常滞后的功率因数和变化频繁的不平衡负荷。无功电流波动幅度大和不稳定造成了系统中电压的波动，若生活用电也接在同一电网上，系统电压波动将会造成灯光闪烁并对电视机和其它用电设备产生干扰。

造成电弧电流随机波动的主要因素有：

1）金属熔液和炉渣的流动。

2）弧隙电离程度的变化。

3）电极的颤动。

4）在电磁力作用下电弧路径的变动等。

弧长的不规则变化，引起电网电压相应的波动。当断弧时，取自电网的有效功率等于零；而当电极同炉料短路时，炉子主电路消耗的无功功率最大。在熔化期，由于每相电弧长度的变化在时间上不一致，所以造成三相负荷不对称。此外，电弧本身弧压与弧流的非线性也将产生出高次谐波电流，返回到电网中去，导致电网电压波形畸变、中性点位移。而电弧炉采用静止无功补偿装置就能克服上述问题，因为它能随时提供电弧炉所需的瞬变无功功率，从而稳定其供电

系统。另外它给炼钢工业本身也带来了很大的效益，因为，供电电压的稳定使电炉变压器得到最有效的利用，并能提供稳定的熔化功率；消除无功电流的流动，可降低线路和变电所变压器的损耗。系统功率因数也会得到显著的改善。这些效益既减少电弧炉炼钢设备的投资，也减少了它的运行费用。

关于电力系统的静补装置已有很多文献进行了论述，但是电弧炉用静补装置的文章却很少见到。下面专门讨论电弧炉用静补装置及其容量的选择方法。

电压波动(Δu)的原因是由于无功功率的变化(ΔQ)。即[1]Δu=×100％（1）

式中：SDR——供电系统短路容量。

由此看来，利用无功发生装置，就可补偿电网电压波动。由于晶闸管维护容易、可靠性高，并可以连续平滑调节，所以无功补偿装置的最佳方案是利用晶闸管控制电抗器电流，它与补偿电容器并联。图1示出静补装置系统原理图和无功功率变化示意图。其工作原理是将电弧炉随时变化的无功功率信号检出，用来控制电抗器的无功功率，使

QF＋QL=常数（2）

式中：QF为电弧炉发生的无功功率；

QL为晶闸管控制电抗器的无功功率。

另外由于补偿电容器的无功功率QC=QF＋QL，所以整个静补装置取自电网的总无功功率QΣ维持不变，并力图使之趋近于零，即

QΣ=QF＋QL－QC=0（3）

总的无功功率维持不变，并且补偿后，趋近于零，则电压波动也趋近于零了。补偿电容器实际上被分成三、五、七次和高通滤波器。

毋庸置疑，正确地选择静补装置的容量，能减轻电弧炉电气设备（电炉变压器、高压断路器、电力电容器等）的负担；能提高炉衬和电极的使用寿命，并可使前级供电变压器的容量减少约20％，因此可以说，静补装置不仅能颇有成效地改善供电质量，而且还能提高冶金企业的技术经济指标。

为了正确地选择静补装置的容量，必须具体地分析电弧炉供电线路和拟定静补装置的技术条件。这些条件是

1）静补装置保证电炉供电母线上的电能质量达到国家电热规范所规定的质量指标。

2）静补装置保证电炉供电母线上的功率因数平均值达到供电系统或国家电热规范所规定的数值。

下面讨论如图2所示的炼钢电弧炉的典型供电线路，这是二组供电线路，每组由二台大型电弧炉组成，各组之间通过联络开关K1接通。当K1断开时，电炉变压器连接处（B点）的短路容量SB为SB=（4）

式中：SA为A点供电系统的短路容量；

ST为供电变