無源濾波裝置在中頻爐上的應(yīng)用及故障分析

何慶亞

（上海追日電氣有限公司，上海 200331）

中頻電源作為一種控制方便、效率高、投資成本低的整流設(shè)備，被越來越多的用于工業(yè)生產(chǎn)中，中頻爐就是其中最典型的負(fù)荷。但同時(shí)中頻爐又是重要的諧波源，尤其是多臺(tái)中頻爐集中使用時(shí)，嚴(yán)重影響了整個(gè)系統(tǒng)的供電質(zhì)量和用電安全[3]，因此必須裝設(shè)濾波裝置。

目前，無源濾波裝置是中頻爐諧波治理的主要方式，由無源 LC濾波原理，其濾波頻率固定，中頻爐生產(chǎn)工藝又非常復(fù)雜，所以設(shè)計(jì)時(shí)要充分考慮中頻爐各種工況及諧波頻譜，否則無源濾波裝置就會(huì)出現(xiàn)故障，甚至事故跳閘。

1 無源濾波設(shè)計(jì)

SY鋼廠是一家以中頻爐煉鋼為主的冶金企業(yè)，該廠35kV進(jìn)線中有兩臺(tái)主變?nèi)萘糠謩e為12.5MVA、35kV/10kV，10kV母線上主要有3臺(tái)12t中頻爐，單臺(tái)爐變?nèi)萘?000kVA，采用雙繞組12脈波整流。由于系統(tǒng)正在籌建，所以無法進(jìn)行相關(guān)測(cè)試，SSE公司設(shè)計(jì)無源濾波裝置時(shí)，主要依據(jù)以下方面。

1）根據(jù)12脈整流方式中頻電源的工作特性，認(rèn)為主要典型諧波次數(shù)應(yīng)為11、13次同時(shí)含有5、7次，其平均值可達(dá)基波分量的5%～10%；并參照國標(biāo)《GB/T 14549—93》諧波電流疊加公式，計(jì)算三臺(tái)中頻爐同時(shí)工作10kV側(cè)產(chǎn)生的最大諧波電流為5次60.36A，7次30.64A，11次68.46A，13次57.68A。單臺(tái)中頻爐正常工作周期為1.5h，主要有加熱和保溫兩種工作狀態(tài)，單爐正常工作時(shí)平均自然功率因數(shù)為0.90，將功率因數(shù)提高到0.95需要的補(bǔ)償容量為3000kvar。

2）根據(jù)諧波電流的特性確定3條濾波支路，各支路的調(diào)諧頻率和濾波器類型為5次單調(diào)諧結(jié)構(gòu)，7次、11次二階高通結(jié)構(gòu)[4]；根據(jù)系統(tǒng)工況及濾波要求確定 3條支路基波補(bǔ)償容量分別為 800kvar、800kvar和 1400kvar。單獨(dú)運(yùn)行一臺(tái)中頻爐投入 5次和 7次支路；運(yùn)行兩臺(tái)及3臺(tái)中頻爐，3條支路全部投入，以保證較好的濾波補(bǔ)償效果。

經(jīng)過仿真和計(jì)算，確定各支路的參數(shù)選擇見表1。

表1 設(shè)計(jì)濾波支路參數(shù)

由表1可知，系統(tǒng)投入5、7、11次濾波支路后，實(shí)際的補(bǔ)償容量為 3018kvar＞3000kvar，可以滿足系統(tǒng)的平均功率因數(shù)在0.95以上。

2 投運(yùn)效果及故障分析

而現(xiàn)場無源濾波設(shè)備投運(yùn)后，5次和11次支路分別出現(xiàn)跳閘現(xiàn)象，設(shè)備不能穩(wěn)定運(yùn)行，為了準(zhǔn)確找出現(xiàn)場設(shè)備故障原因，SSE公司對(duì)該鋼廠10kV 1#變系統(tǒng)進(jìn)行了實(shí)地測(cè)試，測(cè)試結(jié)果見表2和圖1。

由此可見，中頻爐諧波電流頻譜極為復(fù)雜，2～13次諧波電流含量都較大，與中頻爐 12脈整流方式下典型諧波含量有明顯出入，故SSE公司的設(shè)計(jì)依據(jù)有誤。

圖1 系統(tǒng)功率因數(shù)記錄

表2 諧波電流值(A)

中頻爐平均自然功率因數(shù)較低為0.85左右（用戶前期提供為0.90），保溫時(shí)功率因數(shù)只有0.25，并且用戶只有一條連鑄線，三臺(tái)中頻爐，最多有兩臺(tái)處在加熱狀態(tài)，有一臺(tái)始終處在保溫狀態(tài)。

為了準(zhǔn)確找出5、11次支路跳閘的原因，對(duì)5、11次支路電流也進(jìn)行了測(cè)試，發(fā)現(xiàn)5次濾波補(bǔ)償支路投入以后，對(duì)4次諧波進(jìn)行了放大，大量的4次諧波流入支路，造成5次濾波支路過流跳閘。11次支路投運(yùn)對(duì) 8－10諧波進(jìn)行了放大，大量的 8－10次諧波電流流入11次支路，造成11次支路也過流跳閘。在現(xiàn)場測(cè)試發(fā)現(xiàn)中頻爐在工作的過程中 2－13次諧波電流均比較大，有大量非特性諧波和偶次諧波，濾波支路投入以后對(duì)這些諧波又進(jìn)行放大[2]，是造成5次和11次支路過流跳閘的主要原因。

中頻爐非特征諧波主要是由于變壓器繞組的不平衡、磁路飽和、晶閘管觸發(fā)特性的差異等因素的影響產(chǎn)生；偶次諧波主要是由于波形的正負(fù)半周不對(duì)稱而產(chǎn)生，造成非特性諧波和偶次諧波產(chǎn)生與中頻爐廠家及整流變生產(chǎn)工藝水平息息相關(guān)[1]。

另 12脈整流中頻電源的功率因數(shù)取決于整流電路的工作方式。如果整流元件在受正向電壓時(shí)始終開通，此時(shí)電網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)接近于 1；如果整流元件在受正向電壓一段時(shí)間后開通 （如受移相控制的可控硅），此時(shí)電網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)等于控制角（120°-導(dǎo)電角）的余弦函數(shù)。中頻電源主要依靠改變SCR橋式整流器的控制角來調(diào)節(jié)整流器的輸出電壓，從而調(diào)節(jié)輸出功率。通常當(dāng)爐料是冷態(tài)的時(shí)候，整流器全壓輸出，由于負(fù)載阻抗較小，整流器工作在限流狀態(tài)，輸出功率會(huì)小于額定功率，此時(shí)功率因數(shù)不會(huì)太高，隨著加熱進(jìn)行，爐料逐漸融化，負(fù)載阻抗變大，功率因數(shù)逐漸提高；當(dāng)中頻爐處于保溫期（保持爐料溫度）時(shí)，此時(shí)需要功率最小，整流器的電壓輸出控制角基本達(dá)到最大，功率因數(shù)最低。

現(xiàn)場中頻爐功率因數(shù)低，首先是由現(xiàn)場生產(chǎn)工藝決定，現(xiàn)場只有一條連鑄線，3臺(tái)中頻爐，最多有兩臺(tái)處在加熱狀態(tài)，有一臺(tái)始終處在保溫狀態(tài)，而保溫時(shí)功率因數(shù)只有 0.25。其次用戶 10kV被限流1000A，而額定電流就有1443A（2500/10/1.732=1443），中頻爐輸出電壓被限制，自然功率因數(shù)達(dá)不到 0.90。

3 設(shè)計(jì)更改

現(xiàn)場中頻爐諧波電流頻譜很復(fù)雜，如果要解決現(xiàn)場的諧波問題，必須在4次和7－11次之間增加補(bǔ)償支路，這樣將大大增加成本，且安裝空間有限制，現(xiàn)場難以實(shí)現(xiàn)。由于SY鋼廠急需設(shè)備盡快正常投運(yùn)，以提高系統(tǒng)功率因數(shù)，避免供地罰款的損失，對(duì)濾波效果可不作具體要求，由此SSE公司經(jīng)過仿真和計(jì)算，對(duì)現(xiàn)場設(shè)備進(jìn)行整改，三條支路參數(shù)表更改如下。

表3 整改后濾波支路參數(shù)

現(xiàn)場調(diào)換3條支路電容，并更換一組電抗器，把11次支路改成了3次，調(diào)整后的實(shí)際補(bǔ)償容量為3196.4kvar，設(shè)備投運(yùn)正常，連續(xù)運(yùn)行3個(gè)月，使用良好。

現(xiàn)場功率因數(shù)問題，首先SY鋼廠改變生產(chǎn)工藝，盡量減少保溫時(shí)間。并與供電部門協(xié)商，放大電流限值，讓中頻爐工作在全壓、額定功率狀態(tài)，以提高自然功率因數(shù)。

4 結(jié)論

中頻諧波電流，理論計(jì)算與現(xiàn)場實(shí)測(cè)有很大出入。理論計(jì)算中頻爐的諧波發(fā)生量以11次和13次為主，而實(shí)測(cè)發(fā)現(xiàn)現(xiàn)場中頻爐的2－13次諧波都很大。實(shí)際中頻爐諧波發(fā)生量與中頻爐和整流變的制作、生產(chǎn)工藝有很大關(guān)系；中頻爐功率因數(shù)與現(xiàn)場生產(chǎn)工藝、供用電關(guān)系等都有很大影響，一般文獻(xiàn)提供的大多為中頻電源全壓輸出功率因數(shù)；對(duì)一些新建項(xiàng)目，建議等項(xiàng)目建成，進(jìn)行實(shí)測(cè)后，再上濾波補(bǔ)償設(shè)備。尤其對(duì)一些生產(chǎn)工藝差、諧波電流頻譜比較復(fù)雜的中頻爐，建議以補(bǔ)償為主，濾波為輔，進(jìn)行濾波補(bǔ)償設(shè)計(jì)。

[1]王兆安,黃俊.電力電子技術(shù)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2001.

[2]周勇,王文峰,趙慧光.電容器的諧波放大問題分析[J].鄭州大學(xué)學(xué)報(bào),2005(2).

[3]吳競昌,孫樹勤,宋文南.電力系統(tǒng)諧波[M]. 北京:水利電力出版社,1988.

[4]楊嘯天.電力系統(tǒng)諧波分析、測(cè)量、評(píng)估計(jì)算與抑制及諧波新技術(shù)實(shí)務(wù)全書[M]. 北京:中國電力科技出版社,2006.