基于磁閥式電抗器的電弧爐節(jié)能及電能質(zhì)量改善裝置應(yīng)用研究

陳妍妍

（廣西梧州市自動(dòng)化技術(shù)研究開發(fā)院，廣西 梧州 543002）

1 背景

鋼鐵企業(yè)大量使用煉鋼電弧爐，近年來，全球的廢鋼越來越多，煉鋼電弧爐的應(yīng)用也會(huì)越來越廣泛。電弧爐是典型的耗（電）能裝置，目前，電弧爐的噸鋼耗電量為450～550 kW·h/t，節(jié)能潛力巨大。電弧爐的平均自然功率因數(shù)為0.8左右，大量的無功功率在線路中流動(dòng)，不僅造成線路有功損耗，而且降低供電電壓，使得電弧爐得不到充分的電能，延長(zhǎng)冶煉時(shí)間，降低生產(chǎn)效率。

煉鋼電弧爐在爐料的熔化初期（起弧、穿孔到塌料階段），由于電極頻繁與廢鋼接觸，爐子會(huì)頻繁發(fā)生工作短路，電弧長(zhǎng)度不斷地波動(dòng)，電弧電流的大小也隨之反復(fù)不規(guī)則地波動(dòng)，從而引起電網(wǎng)劇烈的電壓波動(dòng)與閃變，危及其他電氣設(shè)備的正常運(yùn)行，而且對(duì)電網(wǎng)供電質(zhì)量帶來嚴(yán)重危害。電弧爐在運(yùn)行過程中產(chǎn)生大量的諧波電流，造成電網(wǎng)的附加損耗。國家有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)電網(wǎng)電壓閃變，設(shè)備的諧波電流有嚴(yán)格的限制。目前，改善煉鋼電弧爐引起的諧波電流、電壓波動(dòng)與閃變的主要措施有：①采用基于相控電抗器（TCR）的并聯(lián)動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償裝置，以動(dòng)態(tài)補(bǔ)償電弧爐產(chǎn)生的無功電流，減小閃變，濾除諧波電流。但基于相控電抗器的并聯(lián)動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償裝置由于技術(shù)原因，不能真正做到實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確地快速跟蹤補(bǔ)償，因此，抑制電網(wǎng)電壓閃變的效果十分有限，改善率僅為25%左右，即有75%的電壓閃變得不到抑制，國家標(biāo)準(zhǔn)仍難滿足。另外，相控電抗器動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償裝置可靠性差，維護(hù)困難，占地面積大。②采用SVG的動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償裝置。雖然SVG響應(yīng)速度快，但由于技術(shù)原因，仍然不能準(zhǔn)確跟蹤電弧爐快速突變的無功電流，因此，抑制電壓閃變的效果亦受到限制。此外，SVG裝置可靠性差，價(jià)格昂貴。③為了減少短路電流，改善電壓波動(dòng)，有利于冶煉，在電弧爐變壓器前串聯(lián)電抗器，以減少短路容量，但由于響應(yīng)速度跟不上電弧爐隨機(jī)的短路電流變化，限制閃變的效果有限。電弧爐變壓器前串聯(lián)電抗器將導(dǎo)致爐子效率、功率因數(shù)、有功功率以及爐子作業(yè)率的下降，對(duì)于冶煉而言弊端較大。綜上所述，目前，尚無解決電弧爐電壓閃變問題的理想裝置。

2 主要解決技術(shù)

本項(xiàng)目將研制一種創(chuàng)新的煉鋼電弧爐節(jié)能、電壓閃變抑制、諧波消除和提高功率因數(shù)的綜合解決方案及裝置。該裝置由串聯(lián)型磁閥式可控電抗器、并聯(lián)型磁閥可控電抗器和LC濾波及無功補(bǔ)償三部分組成，如圖1所示。

具體研究?jī)?nèi)容包括：①具有恒流特性的電弧爐節(jié)能特性；②串聯(lián)磁閥電抗器對(duì)抑制電弧爐電壓閃變的作用及機(jī)理；③串聯(lián)磁閥電抗器的電磁參數(shù)選擇、設(shè)計(jì)和制造工藝；④串、并聯(lián)磁閥電抗器綜合控制策略。本項(xiàng)目的關(guān)鍵技術(shù)在于串聯(lián)磁閥電抗器參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，制造工藝，從而使得裝置可靠性高、穩(wěn)流效果好、損耗低、節(jié)能效果好。

串聯(lián)磁閥電抗器的工作原理為：串聯(lián)1個(gè)磁閥電抗器直流控制的可調(diào)串聯(lián)電抗器，其基本結(jié)構(gòu)原理如圖2所示，它由2個(gè)鐵心組成，每個(gè)鐵心上有1個(gè)交流線圈繞組和1個(gè)直流偏置繞組，其中，一個(gè)鐵心上的交流繞組和直流繞組繞向相同，另一個(gè)鐵心上的則相反，兩個(gè)交流繞組串接后串接在高壓供電線路中，為增加閃變抑制效果，在直流回路中串聯(lián)一個(gè)空心限流電抗器。

正常運(yùn)行時(shí)，直流繞組產(chǎn)生一個(gè)很強(qiáng)的直流磁場(chǎng)，使鐵芯深度飽和，如圖3所示，鐵芯工作在磁靜態(tài)工作點(diǎn)H0處。磁閥電抗器流過的額定交流電流，通過交流繞組所產(chǎn)生的交流磁場(chǎng)不足以使鐵芯退出飽和，鐵芯內(nèi)磁感應(yīng)強(qiáng)度變化量很小，幾乎可以認(rèn)為不變，相應(yīng)地，穿過交流繞組的磁通量也不變，因此，交流繞組兩端的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)幾乎為0.在直流回路中，兩線圈繞向相反，感應(yīng)出來的電壓相互抵消，直流回路中流過恒定的直流，閃變抑制器X0相當(dāng)于短路，電壓降很小。電弧爐在冶煉過程中，如果電極發(fā)生短路，則較大的短路電流流過交流繞組，使得兩個(gè)鐵芯正負(fù)半周交替退出飽和區(qū)，如圖4所示，磁閥電抗器呈現(xiàn)出很大的阻抗，從而限制短路電流，使得回路電流具有恒流特性。

由于串聯(lián)磁閥電抗器具有自然的限流特性，響應(yīng)速度無延遲（與氧化鋅避雷器限制過電壓的響應(yīng)速度相同，無任何延遲），且無需控制，因此，限制電壓閃變的效果十分優(yōu)良，可將閃變率限制到原來的25%以下，徹底解決電壓閃變問題。除此之外，由于串聯(lián)磁閥電抗器具有恒流特性，可以使電弧爐中電極電弧穩(wěn)定，可望縮短冶煉時(shí)間，節(jié)約電能20%左右。

3 主要風(fēng)險(xiǎn)分析及對(duì)策

磁閥式可控電抗器已在很多項(xiàng)目中實(shí)施，可有效抑制諧波污染、提高功率因數(shù)、減少網(wǎng)路上的有功損耗，同時(shí)，也取得了很好的經(jīng)濟(jì)效益。在此基礎(chǔ)上，將磁閥式可控電抗器與電弧爐串、并聯(lián)，就更能穩(wěn)定電弧爐電流，提高功率因數(shù)，降低諧波電流，可以從根本上消除電弧爐對(duì)供電質(zhì)量的影響，最大程度地降低電弧爐的電能消耗。加上對(duì)電弧爐整個(gè)生產(chǎn)各階段的建模和仿真分析，研究完成磁控電抗器與電弧爐供電系統(tǒng)線路串聯(lián)時(shí)的穩(wěn)態(tài)、動(dòng)態(tài)特性及節(jié)能機(jī)理；研究完成磁控并聯(lián)電抗器與LC濾波器、具有串聯(lián)磁控電抗器的電弧爐聯(lián)合穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)特性，會(huì)使風(fēng)險(xiǎn)減到最低。

4 實(shí)際應(yīng)用情況

2012-01，根據(jù)某鋼廠3號(hào)電弧爐參數(shù)進(jìn)行樣機(jī)設(shè)計(jì)、制造，并安裝于現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行調(diào)試。該裝置安裝使用后，經(jīng)過實(shí)際使用和檢測(cè)證明，其運(yùn)行達(dá)到了設(shè)計(jì)的預(yù)期效果，并解決了采用大容量磁閥式可控電抗器抑制工業(yè)沖擊負(fù)荷所帶來的電壓波動(dòng)問題，同時(shí)，提高了變電站的功率因數(shù)，降低了損耗，供電電網(wǎng)電能質(zhì)量滿足有關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)。

5 達(dá)到的技術(shù)性能指標(biāo)

提出在電弧爐中使用串聯(lián)磁閥電抗器以穩(wěn)定電弧、穩(wěn)定供電電流，從而達(dá)到節(jié)能和抑制電壓閃變的目的。同時(shí)，配合采用基于并聯(lián)磁閥可控電抗器的濾波和動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償裝置，使得整個(gè)系統(tǒng)電壓閃變指標(biāo)、諧波含量滿足國家標(biāo)準(zhǔn)，功率因數(shù)達(dá)到0.95以上，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)節(jié)能目標(biāo)；電弧爐節(jié)能達(dá)到20%，生產(chǎn)效率提高20%；電弧爐電網(wǎng)電壓閃變、諧波含量達(dá)到國家標(biāo)準(zhǔn)，功率因數(shù)達(dá)到0.95以上。

6 項(xiàng)目的作用意義

鋼鐵企業(yè)大量使用煉鋼電弧爐，隨著時(shí)間的增加，全球的廢鋼將越來越多，煉鋼電弧爐的應(yīng)用也會(huì)越來越廣泛。電弧爐是典型的耗（電）能裝置，其平均自然功率因數(shù)為0.8左右，運(yùn)行中產(chǎn)生電壓波動(dòng)與閃變，諧波電流，對(duì)煉鋼過程和電網(wǎng)產(chǎn)生不利影響。我們?cè)谀充搹S實(shí)際應(yīng)用情況說明，應(yīng)用基于磁閥式電抗器的電弧爐節(jié)能及電能質(zhì)量改善裝置，是解決電弧爐電壓波動(dòng)與閃變和抑制諧波電流的理想裝置，可提高電弧爐工作效率、可靠性、節(jié)能，減少對(duì)電網(wǎng)影響。

［1］余夢(mèng)澤，陳柏超，田翠華，等.采用磁控電抗器的靜止型高壓動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償裝置［J］.高電壓技術(shù)，2009，35（07）：1770-1775.

［2］陳緒軒，田翠華，陳柏超，等.多級(jí)飽和磁閥式可控電抗器諧波分析數(shù)學(xué)模型［J］.電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2011，26（03）：57-64.