淺析電弧爐煉鋼中的諧波及抑制

譚永彥

（山東鋼鐵股份有限公司萊蕪分公司特鋼事業(yè)部，山東萊蕪 271104）

0 引言

當(dāng)前的鋼鐵生產(chǎn)工藝，大體可以分為從廢鋼到鋼鐵的“短流程”工藝以及從礦石到鋼鐵的“長流程”。其中，“長流程”工藝主要借助高爐、燒結(jié)爐以及轉(zhuǎn)爐等設(shè)備，以焦炭以及鐵礦石等為主要原料，進行鋼鐵生產(chǎn)活動；“短流程”工藝則主要依賴電弧爐、中頻爐等設(shè)備，對廢鋼進行重熔精煉處理，達到鋼鐵生產(chǎn)的目的。在“短流程”生產(chǎn)工藝中，電弧爐煉鋼是應(yīng)用廣泛的技術(shù)。電弧爐的大力發(fā)展始于上個世紀(jì)的80 年代末90 年代初，發(fā)展至今，電弧爐煉鋼技術(shù)以及基于該技術(shù)的鋼鐵產(chǎn)量得到極大的提升。

1 電弧爐煉鋼概述

電弧爐煉鋼技術(shù)誕生于歐洲。19 世紀(jì)80 年代，研究者們開始對以電為熱源的煉鋼爐的開發(fā)進行反復(fù)試驗與研究。1990年，工業(yè)生產(chǎn)的第一號電弧爐誕生，被命名為埃魯式爐。作為電弧爐煉鋼技術(shù)的主要原材料，廢鋼的利用符合循環(huán)經(jīng)濟的發(fā)展需求，對“鋼鐵生產(chǎn)食物鏈”的成型亦具有極為重要的作用。此外，采用電弧爐煉鋼技術(shù)，不僅能夠降低鋼鐵生產(chǎn)的能源消耗，還能減少污染物的排放，對環(huán)境的健康發(fā)展起到積極作用。現(xiàn)代電弧爐煉鋼過程見圖1。

圖1 電弧爐煉鋼工藝示意

2 電弧爐煉鋼中的諧波

在電弧爐煉鋼過程中，電弧爐的電流含有不規(guī)則變化、快速的無功功率以及高次諧波，導(dǎo)致電流、電壓沖激現(xiàn)象，引起供電電壓與電流波形畸變。由電流、電壓沖激現(xiàn)象引起的設(shè)備事故并不少見，而電弧爐工作過程中經(jīng)常處于起弧、滅弧狀態(tài)，不僅增加用電設(shè)備損耗以及線損，還極大的降低電能質(zhì)量，甚至對電網(wǎng)有巨大的沖擊。諧波與功率因數(shù)降低、電磁干擾并稱為電力系統(tǒng)的三大公害，了解諧波產(chǎn)生的機理，探究有效的策略，消除電弧爐煉鋼過程中的諧波污染問題，具有重要的現(xiàn)實意義。以交流電弧爐為例，分析在熔化廢鋼等原料的過程中，交流電弧爐依靠三相電極短路產(chǎn)生的電弧實現(xiàn)熔化，由于電弧存在的非線性特性，以及冶煉過程中三相頻繁開、斷，容易產(chǎn)生電壓波動、閃變、無功沖擊、負(fù)序、諧波等問題。

2.1 諧波的產(chǎn)生

從原理上來講，諧波是指一個周期性電量的高次諧波分量，其周期為T=2π/ω 的非正弦量f（t），頻率為基波頻率的整數(shù)倍。在電弧爐設(shè)備運行過程中，當(dāng)正弦電壓施加于其上時，設(shè)備施加的電壓波形與其吸收的電流波形不完全相似，電流即可因此而發(fā)生畸變。分析諧波的產(chǎn)生，主要與諧波電流源、爐渣以及金屬溶液的流動、電磁力作用引起電弧路徑發(fā)生變動、電極的顫動、弧隙電離程度的變化等因素有關(guān)。諧波主要由諧波電流源產(chǎn)生。

2.2 諧波的危害

電弧爐是電網(wǎng)中相對較大的一個諧波源。由于電弧爐設(shè)備與電網(wǎng)相連，電流畸變的發(fā)生，使得諧波電流注入電網(wǎng)，而電弧爐設(shè)備即成為電力系統(tǒng)的諧波源。對電力系統(tǒng)而言，諧波污染的危害極為嚴(yán)重，不僅能夠引起電能傳輸效率以及利用效率的降低，導(dǎo)致電氣設(shè)備過熱，還可造成相關(guān)設(shè)備的絕緣老化，降低其使用壽命，甚至出現(xiàn)設(shè)備故障或者設(shè)備燒毀等嚴(yán)重后果。電弧爐煉鋼過程中，一旦出現(xiàn)較為嚴(yán)重的諧波污染，將可影響電氣設(shè)備的正常工作、增加供電線路的損耗、引起電網(wǎng)中電容器諧振、導(dǎo)致自動裝置以及繼電保護裝置出現(xiàn)誤動作等。針對發(fā)電機旋轉(zhuǎn)電機等電氣設(shè)備，還可引起較大的附加功率損耗、機械振動、發(fā)熱、噪聲。此外，當(dāng)大量的諧波流過中性線時，將可引起導(dǎo)線過熱問題，損害供電線路的絕緣層，引起線路短路等問題，甚至導(dǎo)致火災(zāi)。

3 諧波的抑制

鑒于諧波污染問題的嚴(yán)重危害，在電弧爐煉鋼過程中，有效補償和抑制其所產(chǎn)生的諧波電流，即具有重要的現(xiàn)實意義。在有效檢測負(fù)載電流的諧波分量的基礎(chǔ)之上，應(yīng)用有效的諧波抑制方法，是消除電弧爐煉鋼中的諧波污染影響的重要途徑。以下就常用的諧波抑制方法進行分析。

3.1 加裝諧波補償裝置

在解決諧波源諧波污染問題中，基本思路大致有2 條：①裝設(shè)諧波補償裝置（如加裝無源濾波器等），達到補償諧波的目的；②對相關(guān)設(shè)備本身進行改造升級，保證功率因數(shù)能夠控制為1，使其不產(chǎn)生諧波污染。就上述2 種思路的使用范圍來看，第一種策略適用于任何諧波源，而第二種策略則僅適用于作為主要諧波源的電力電子裝置。以下舉1 實例對補償裝置的應(yīng)用進行分析：

某公司因需要擴大生產(chǎn)規(guī)模，計劃建立一座110 kV 的變電所，投運2 臺主變，采用一線兩變供電，容量分別為20 MVA與40 MVA，其中1#主變?yōu)?0 MVA 110 kV/35 kV，負(fù)載包括1 臺電弧爐與1 臺精煉爐。

根據(jù)以上情況設(shè)計諧波治理方案，可安裝35 kV 補償裝置，為兩組四支路、一組一支路補償，分別為一組5 次回路、兩組4 次回路、兩組3 次回路安裝2500 kVar、4700 kVar、9300 kVar的補償裝置，以提高其補償效率，抑制諧波電流。無源濾波器是常用的一種抑制諧波、無功補償?shù)氖侄?，一般安裝在電力電子設(shè)備的交流側(cè)，由L、C、R 元件共同構(gòu)成無源網(wǎng)絡(luò)，吸收負(fù)載產(chǎn)生的諧波電流。無源濾波器可分為高通濾波器以及調(diào)諧濾波器，前者用于吸收單一次數(shù)或者相鄰的兩次諧波，而后者則用于吸收某一次及以上各次的諧波。在傳統(tǒng)的諧波補償裝置裝設(shè)中，LC（L 為電感，C 為電容）調(diào)諧濾波器是一種常用裝置，因其具有結(jié)構(gòu)簡單、諧波補償與無功功率補償效果顯著等優(yōu)勢，具有較廣的應(yīng)用范圍。但LC 調(diào)諧濾波器的補償特性可受到電網(wǎng)的阻抗以及運行狀態(tài)的影響，實際應(yīng)用時甚至可與電力系統(tǒng)發(fā)生并聯(lián)諧振。因此，實際應(yīng)用的過程中，采取何種類型的諧波補償裝置，以及如何對其進行布置，均需要結(jié)合實際情況，進行綜合考慮。

針對電弧爐煉鋼技術(shù)，在電弧爐運行過程中，除產(chǎn)生諧波以外，常常伴有供電電壓的閃變以及波動，有時還可造成系統(tǒng)電壓的三相不平衡，嚴(yán)重影響電能質(zhì)量?？紤]這一情況，裝設(shè)靜止無功補償裝置，補償因諧波導(dǎo)致的無功功率，提高功率因數(shù)，能夠較好的抑制諧波。靜止無功補償裝置于20 世紀(jì)70 年代興起，現(xiàn)已經(jīng)發(fā)展成為很成熟的FACTS（Flexible AC Transmission Systems，柔性交流輸電系統(tǒng)）裝置，其被廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代電力系統(tǒng)的負(fù)荷補償和輸電線路補償（電壓和無功補償），在冶金、采礦、電氣化鐵道等沖擊性負(fù)荷的補償上也有較為顯著的效果。SVC（Switching Virtual Circuit，交換虛擬電路）系統(tǒng)如圖2 所示。

圖2 SVC 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意

此外，無功補償裝置還可借助電容與電感的合理設(shè)置，在某次頻率點產(chǎn)生諧振時，對該頻率的諧波實現(xiàn)濾波，有效減少波動的諧波量，達到抑制電壓閃變、電壓波動以及三相不平衡等問題。靜止補償裝置的基本結(jié)構(gòu)一般包括快速變化的電容元件或者電抗元件，目前常用的靜止補償裝置主要有晶閘管控制電抗器、晶閘管投切電容器、自飽和電抗器SR（Sanlralcd Reaccor，飽和電抗）、晶閘管控制高漏抗變壓器等。在實際使用中，需要考慮對其自身所產(chǎn)生的諧波的抑制。

3.2 降低諧波源的諧波含量

諧波含量是從交流量中減去基波分量后所得到的量，對諧波污染問題的治理有著極為重要的參考價值。從諧波源的角度考慮，采取科學(xué)、合理、可行的防治措施，降低諧波源的諧波含量，最大限度地避免諧波的產(chǎn)生，也是一種相對可靠的諧波抑制方法。針對電弧爐煉鋼過程中的諧波治理，借助相應(yīng)的手段，降低其在正常工作狀態(tài)下的諧波含量，將為諧波問題的解決創(chuàng)造有利條件。結(jié)合這一治理策略的應(yīng)用效果來看，不僅能夠積極應(yīng)對諧波污染問題，顯著提高電網(wǎng)質(zhì)量，還能極大的降低因諧波消除產(chǎn)生的花費，為電弧爐煉鋼技術(shù)的應(yīng)用提供有力保障。

在電弧爐煉鋼技術(shù)應(yīng)用中，切實可行的降低諧波源諧波含量的方法大致有增加整流器的脈動數(shù)、脈寬調(diào)制法以及三相整流變壓器采用△-Y（或Y-△）接線等。脈寬調(diào)制法方面，PWM（Pulse Width Modulation，脈沖寬度調(diào)制）技術(shù)原本是一種廣泛應(yīng)用于測量、通信、功率控制與變換等諸多領(lǐng)域中的一項重要技術(shù)，借助微處理器的數(shù)字輸出，實現(xiàn)模擬電路的控制?；赑WM技術(shù)原理，完成電壓調(diào)制，降低諧波源的諧波含量，進而對諧波抑制起到積極作用，將是諧波問題治理的一個可行方法：采用PWM 技術(shù)，在所需頻率周期內(nèi)將直流電壓調(diào)制成等幅不等寬的系列交流輸出電壓脈沖，能夠較好的實現(xiàn)諧波抑制。在整流器的脈動數(shù)方面，獲得平滑波形的直流電也是減少諧波源諧波含量的一種有效策略。鑒于此，通過增加整流脈動數(shù)的方式，平滑波形，也可減少諧波源諧波含量，進而達到治理諧波污染問題的目的。此外，在三相整流變壓器接線方面，采用△-Y 或Y-△接線方式，能夠消除3 的倍數(shù)次的高次諧波，進而達到減少諧波含量的目的，因而也是一種抑制高次諧波的基本方法。

3.3 改造諧波源

電弧爐運行過程中，電流的波形變化極快，每半個工頻周期的波形都存在明顯的差異。電弧爐的這一特性，增加了諧波治理的難度。就現(xiàn)階段的治理方法來看，動態(tài)無功補償兼諧波治理的方案是較為常用的抑制策略，同時借助SVG（Static Var Generator，靜止無功發(fā)生器）、TCR（Thyristor Controlled Reactor，晶閘管控制電抗器）等設(shè)備的優(yōu)勢，達到抑制諧波的目的，而有關(guān)電弧爐改造方面的嘗試則相對較少。根據(jù)改善自身設(shè)備，達到減少諧波電流這一抑制諧波策略，在電弧爐的設(shè)計過程中，加裝或者改善電弧爐的電極電流平衡控制系統(tǒng)，最大限度地降低電弧爐電流的不平衡程度，減小、抑制諧波電流效果，也是治理電弧爐煉鋼中的諧波污染問題的重要手段之一。

4 結(jié)語

電弧爐煉鋼作為一項重要的煉鋼技術(shù)，在我國廢鋼量逐漸增加、廢鋼成本降低的背景下，必將迎來其重要的發(fā)展時期。綜合治理電弧爐煉鋼過程中存在的諧波污染問題，為該項技術(shù)的應(yīng)用提供保障，將是現(xiàn)階段電弧爐煉鋼技術(shù)發(fā)展的一項重要任務(wù)。但電弧爐煉鋼中的諧波治理并非一朝一夕之功，需要在現(xiàn)有抑制方法的基礎(chǔ)之上，結(jié)合實踐效果進行不斷改進，保障供電質(zhì)量，降低設(shè)備損耗，進而為電弧爐煉鋼技術(shù)的發(fā)展創(chuàng)造有利條件。