6t電渣爐電源對(duì)供電系統(tǒng)的影響

孫紹南 羿彪

Effect of 6t Electroslag Furnace Power Supply on Power Supply System

摘要： 根據(jù)電渣爐冶煉工藝要求和特點(diǎn)，電渣爐電源對(duì)電網(wǎng)造成了嚴(yán)重的影響。為了改善電渣爐電源問題造成供電網(wǎng)的影響，對(duì)其系統(tǒng)產(chǎn)生的三相不平衡進(jìn)行了研究，從電渣爐的供電方式及熔煉變壓器著手，引出并剖析了其電源產(chǎn)生三相不平衡和變壓器負(fù)荷對(duì)系統(tǒng)的影響，并針對(duì)電渣爐電源三相不平衡問題，論述指出了低頻電源供電、SVG動(dòng)態(tài)補(bǔ)償和設(shè)立總降壓變電站來克服三相不平衡供電方案。

Abstract： According to the requirements and characteristics of the electroslag furnace smelting process， the electroslag furnace power supply has a serious impact on the power grid. In order to reduce the influence of the power supply network caused by the power supply problem of the electroslag furnace， the three-phase imbalance generated by the system was studied. From the power supply method of the electroslag furnace and the smelting transformer， the effect of three-phase unbalance and transformer load of the power supply on the system was derived and analyzed. For the three-phase unbalanced problem of the electric slag furnace power supply， the low-frequency power supply， SVG dynamic compensation and the establishment of a total step-down substation can be used to overcome the three-phase unbalance.

關(guān)鍵詞： 電渣爐電源；三相不平衡；SVG補(bǔ)償；低頻供電

Key words： electroslag furnace power supply；three-phase unbalance；SVG compensation；low-frequency power supply

中圖分類號(hào)：TM924.4+3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-4311（2018）15-0105-03

1 擬建電渣爐電源特性

1.1 電渣爐供電形式

電渣爐最常用的供電形式是兩相供電，從0.5～150t電渣爐均有采用此種供電形式。主要優(yōu)點(diǎn)包括：短網(wǎng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、電渣爐變壓器成本低、設(shè)備總投資少、熔煉過程操作簡(jiǎn)單易于掌握。它的缺點(diǎn)包括：由于采用單相電源，對(duì)電網(wǎng)三相平衡程度影響大，短網(wǎng)阻抗變化大，容易產(chǎn)生嚴(yán)重的電磁干擾。

1.2 電渣爐熔煉變壓器

電渣爐用熔煉變壓器稱為可控變壓器，其實(shí)一種無觸點(diǎn)、無機(jī)械傳動(dòng)的磁性調(diào)壓器。電壓調(diào)節(jié)是直流電流來控制的，磁性調(diào)壓器由飽和電抗器和變壓器構(gòu)成的成套裝置，其結(jié)構(gòu)與普通變壓器相似。為對(duì)負(fù)載電壓進(jìn)行調(diào)節(jié)，因磁性調(diào)壓中涵蓋飽和電抗器的功能，而電抗繞組擁有限流功能，所以取得優(yōu)良的下墜外的效果，所以其可作為恒流負(fù)載電源。增加直流控制電流時(shí)，因增加了鐵芯飽和度，導(dǎo)磁率變小，電抗值減小，此時(shí)負(fù)載電壓最大，電抗器繞組上的壓降最小。當(dāng)直流控制電流處于零時(shí)，因鐵芯沒有飽和，電抗值處于最大狀態(tài)，導(dǎo)磁率很大，在電抗器工作繞組上，電源電壓大幅度分降，所以負(fù)載上壓降最?。挥?jì)算機(jī)通過D/A通道輸出4～20mA控制信號(hào)到磁調(diào)壓柜，控制直流電流，從而控制變壓器二次電壓。

1.3 電渣爐電源特性

1.3.1 功率因數(shù)

盡管電渣爐冶煉采用電阻加熱方法，但系統(tǒng)電抗較大，主要原因如下：

電渣爐首先是將固態(tài)電渣熔化，再利用渣阻化鋼。固態(tài)渣是不導(dǎo)電的，只有呈現(xiàn)液態(tài)渣才導(dǎo)電。開始將固態(tài)渣熔化我們稱之為引弧，利用電極與引弧劑產(chǎn)生的弧光熱量將電渣熔化，之后就利用液壓渣導(dǎo)電的特性將渣全部熔化。引弧期由于利用弧光，所以其感性特色明顯，功率因數(shù)最低，達(dá)0.6。所以，正常熔煉時(shí)，功率因數(shù)在0.6～0.8之間，對(duì)功率因數(shù)要求較高的現(xiàn)場(chǎng)一般采用就地補(bǔ)功率因數(shù)的方法，一般企業(yè)采用變電所集中補(bǔ)得辦法。

1.3.2 諧波

由于使用磁調(diào)壓，所以電渣爐電源產(chǎn)生一些諧波，主要2、3、4、5等次數(shù)的高次諧波電流，但對(duì)電源影響不大。一般配備功率因數(shù)補(bǔ)償時(shí)，為保護(hù)電容，加一些消諧電抗。

2 關(guān)于三相不平衡

2.1 導(dǎo)致三相不平衡的因素

電力系統(tǒng)會(huì)出現(xiàn)許多三相不平衡狀態(tài)，有正常性和事故性兩大方面。三相元件數(shù)據(jù)和不對(duì)稱負(fù)荷屬于正常性不平衡，例如電渣爐、生產(chǎn)冶煉的電弧爐、鐵道自動(dòng)化的牽引負(fù)荷等。電網(wǎng)系統(tǒng)故障導(dǎo)致不平衡屬于事故性的，其不準(zhǔn)出現(xiàn)在運(yùn)行電力系統(tǒng)中，它由保護(hù)裝置刪除故障元件，并解決之后再恢復(fù)正常運(yùn)行。假如三相不平衡度超出規(guī)定要求，運(yùn)行系統(tǒng)必將受到影響。所以，為正常性不平衡運(yùn)行狀態(tài)，作出了“三相電壓不平衡范圍值”的電能質(zhì)量指標(biāo)。

2.2 影響系統(tǒng)不平衡的負(fù)荷

2.2.1 電網(wǎng)線路電能損耗

三相四線制供電系統(tǒng)中電流經(jīng)過線路，由于阻抗存在，就會(huì)產(chǎn)生電能損耗，其損耗和流經(jīng)電流的平方是正比關(guān)系。三相四線制在低壓電網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，因存在單相負(fù)載，就必然出現(xiàn)三相負(fù)載不平衡，系統(tǒng)處于三相負(fù)載不平衡狀態(tài)時(shí)，電流通過中性線，造成相線、中性線產(chǎn)生損耗，必將導(dǎo)致系統(tǒng)線路的損耗。

2.2.2 配電變壓器的電能損耗

由于低壓供電系統(tǒng)存在配電變壓器，它在三相負(fù)載不平衡狀態(tài)下運(yùn)行時(shí)，將會(huì)增加配變損耗，其配變功率損耗也是跟負(fù)載不平衡度變化的，而且配電變壓器是根據(jù)每相繞組計(jì)算額定容量的，配電變壓器處于三相負(fù)荷不平衡工況時(shí)，其負(fù)荷高的那相會(huì)經(jīng)常出現(xiàn)故障，比如連接點(diǎn)過熱、缺相、密封膠墊劣化等。

2.2.3 零序電流的產(chǎn)生

配電變壓器處于三相負(fù)載不平衡狀態(tài)時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)零序電流，它會(huì)隨著三相負(fù)載不平衡程度變化，三相不平衡度越大，零序電流就越大。當(dāng)配變運(yùn)行中出現(xiàn)零序電流時(shí)，配變鐵芯中將產(chǎn)生零序磁通，導(dǎo)致零序磁通會(huì)通過油箱壁及鋼構(gòu)件，當(dāng)零序電流流經(jīng)鋼構(gòu)件時(shí)，又因鋼構(gòu)件導(dǎo)磁率較低，就會(huì)出現(xiàn)磁滯和渦流損耗，使配變的鋼構(gòu)件局部溫度上升而發(fā)熱。進(jìn)而加快了配變的繞組絕緣老化，使用設(shè)備年限降低，因而產(chǎn)生的零序電流就增加了配變的損耗。

2.2.4 用電設(shè)備無法安全運(yùn)行

根據(jù)三相負(fù)載平衡運(yùn)行狀態(tài)下設(shè)計(jì)的配電變壓器，具有大致相同繞組電阻、漏抗和激磁阻抗參數(shù)。當(dāng)配變運(yùn)行在三相負(fù)載不平衡狀態(tài)時(shí)，它內(nèi)部三相壓降不同，每相輸出電流也不同，這就是配變輸出電壓三相不平衡的原因。而且配變運(yùn)行在三相負(fù)載不平衡狀態(tài)時(shí)，其三相輸出電流就不相同，導(dǎo)致中性線有電流通過，中性線產(chǎn)生阻抗壓降，這將使中性點(diǎn)漂移，從而導(dǎo)致每相相電壓發(fā)生變化，負(fù)荷大的一相電壓下降，而負(fù)荷小的一相電壓上升。在此種電壓不平衡工況下運(yùn)行，將容易燒壞某相電壓高的接帶用戶用電設(shè)備，也可能造成某相電壓低的接帶用戶用電設(shè)備無法使用。因此系統(tǒng)三相負(fù)載不平衡工況時(shí)，將很大程度上無法安全運(yùn)行用電設(shè)備。

3 電渣爐克服三相不平衡供電的方案

3.1 采用低頻電源供電

電渣爐供電方式如圖1所示。三相電源經(jīng)過整流變壓器將高壓電源降到100～120V，在經(jīng)交交變頻器將電源變到熔煉電壓及頻率，即30～120V；1～10Hz。

優(yōu)點(diǎn)：三相平衡；短網(wǎng)電抗小；功率因數(shù)高。

缺點(diǎn)：投資大；系統(tǒng)維護(hù)復(fù)雜。

3.2 采用SVG動(dòng)態(tài)補(bǔ)償

SVG（又稱ASVG或STATCOM）是Static Var Generator的縮寫，叫做靜止無功發(fā)生器（注意不是靜態(tài)），也是做無功補(bǔ)償?shù)?。靜止無功器（SVG）是一款兼具三相不平衡及無功補(bǔ)償?shù)漠a(chǎn)品，它們可以在補(bǔ)償無功提高功率因數(shù)的基礎(chǔ)上，解決三相不平衡電流。其原理是通過CT實(shí)時(shí)檢測(cè)電流信息，然后將采集信息發(fā)給DSP數(shù)字控制處理器分析，之后驅(qū)動(dòng)功率電路、和利用內(nèi)部?jī)?chǔ)能電容將系統(tǒng)三相不平衡電流轉(zhuǎn)移、均勻分配，使三相電流達(dá)到平衡狀態(tài)，具體原理如下（以SVG為例）：

如圖2所示，假設(shè)A、B、C三相負(fù)載電流分別為：5A、10A、15A，這時(shí)候我們就認(rèn)為此系統(tǒng)的三相電流出現(xiàn)了不平衡，三相電流完全平衡的狀態(tài)應(yīng)該是A、B、C三相電流全部為10A。

SVG在運(yùn)行時(shí)，會(huì)通過連接電流互感器（CT）反映到綜合保護(hù)器上導(dǎo)出系統(tǒng)實(shí)時(shí)電流，再通過內(nèi)部控制器將導(dǎo)出的電流參數(shù)信息進(jìn)行處理，控制器采樣分析后， SVG就能計(jì)算出需要轉(zhuǎn)換三相電流達(dá)到平衡狀態(tài)的電流值，同時(shí)使系統(tǒng)恢復(fù)電流平衡狀態(tài)。以圖2說明，要想達(dá)到系統(tǒng)平衡狀態(tài)，需要A相電流增加5A，B相電流10A正好與電網(wǎng)電流相同，則無需調(diào)整，而C相電流需要減少5A。經(jīng)分析之后，控制器就會(huì)發(fā)出信號(hào)給IGBT驅(qū)動(dòng)電路，促使IGBT驅(qū)動(dòng)動(dòng)作，從而實(shí)現(xiàn)C相電流流入SVG 5A，再從SVG內(nèi)部流出5A到A相。就使A、B、C三相電流重新達(dá)到平衡，而電網(wǎng)的三相總電流則保持不變。并且這一系列驅(qū)動(dòng)動(dòng)作及分析采樣處理都是在很短的時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)的，在這個(gè)過程中 SVG只是起到一個(gè)重新分流的作用，只需消耗很小一部分的能量。

SVG是在一瞬間將其收發(fā)電流的有效值達(dá)到平衡的，所以可以把這個(gè)動(dòng)作過程的結(jié)果歸結(jié)為分流作用，讓系統(tǒng)三相電流有效值重新處于平衡狀態(tài)。當(dāng)系統(tǒng)三相電流都偏離平衡點(diǎn)時(shí)，補(bǔ)償原理與以上所述的兩相偏離平衡點(diǎn)的狀況類似。其根本原則就是將某相多出來的電流存儲(chǔ)到SVG母線電容中，然后從母線電容取出電流補(bǔ)償需要補(bǔ)償?shù)哪诚唷?/p>

由于SVG治理三相不平衡面向的對(duì)象是電流且實(shí)時(shí)采集，使得無論負(fù)載分布如何、消耗時(shí)間不同，只要是由于負(fù)載變化檢測(cè)出的三相電流不平衡，SVG都能使電網(wǎng)快速恢復(fù)平衡電流狀態(tài)，這就比傳統(tǒng)解決三相不平衡方法主觀快捷，而且相比“電感與電容組合調(diào)整”這類不平衡治理方式，SVG治理三相不平衡時(shí)安裝更簡(jiǎn)便、無需前期繁瑣的計(jì)算、接入方法的堪憂，能即裝即治。與SVC相比較，SVG具有諧波含量少、控制能力強(qiáng)、同容量下占地面積小等優(yōu)點(diǎn)。

3.3 設(shè)立企業(yè)總降壓變電站與電業(yè)局協(xié)商

根據(jù)分析，變壓器一次電壓提高，且提供一定余容量，即可減少電渣爐產(chǎn)生的不平衡對(duì)電網(wǎng)的影響。一般認(rèn)為單相變壓器占上級(jí)容量的小于15%，則不會(huì)影響上級(jí)三相平衡。上級(jí)變壓器一般預(yù)留足夠的余量，電渣爐變壓器所引起的不平衡不會(huì)對(duì)10kV供電系統(tǒng)產(chǎn)生較大的影響。

4 結(jié)語

本文針對(duì)電渣爐電源問題對(duì)供電系統(tǒng)的影響，開展了對(duì)電渣爐供電方式、熔煉變壓器進(jìn)行理論分析，指出了電渣爐在冶煉過程中造成系統(tǒng)三相不平衡及其變壓器負(fù)荷的影響，并得出結(jié)論采用低頻電源供電和SVG動(dòng)態(tài)補(bǔ)償來克服三相不平衡，確保供電系統(tǒng)安全平穩(wěn)運(yùn)行。

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