電弧爐供電系統(tǒng)的沖擊負荷和電壓閃變現(xiàn)象淺析

何美生

摘 要 電弧爐的供配電系統(tǒng)主要就是利用動態(tài)無功補償?shù)姆椒▉硪种齐娀t負荷引起的供電系統(tǒng)電壓波動和閃變。實際上是有效控制無功。采用電弧爐的無功補償裝置可以實時跟隨電弧爐無功變化并提供其所需要的無功功率，因此動態(tài)無功補償裝置對電弧爐負荷進行補償，抑制供電系統(tǒng)的沖擊負荷和電壓閃變。

關(guān)鍵詞 電弧爐；供電系統(tǒng)；配電系統(tǒng)；分析

電力電子技術(shù)工業(yè)是當(dāng)今經(jīng)濟技術(shù)發(fā)展的重要基礎(chǔ)性產(chǎn)業(yè)之一，在很大程度上反映了世界工業(yè)經(jīng)濟發(fā)展的快慢和人們現(xiàn)代化生活水平的高低程度。如今，社會進步和經(jīng)濟發(fā)展以及電力電子市場的發(fā)展，第一，促進了大區(qū)電網(wǎng)之間的互聯(lián)，因為電網(wǎng)之間通過互聯(lián)后形成越來越大的電力系統(tǒng)，但是電力系統(tǒng)與電網(wǎng)結(jié)構(gòu)的逐步擴大，使電力系統(tǒng)的是否可靠運行對于社會生活、生產(chǎn)等各個方面都會帶來很大的影響，因此確保電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行是非常重要。第二，從20世紀90年代開始，全球先后發(fā)生了很多大規(guī)模的電網(wǎng)崩潰停電事故，這些事故大部分是在大型互聯(lián)電網(wǎng)內(nèi)發(fā)生的。然而這些事故基本上是因為一個小故障導(dǎo)致大面積電網(wǎng)故障或者崩潰；因此造成了很大的經(jīng)濟損失。所以保障電力系統(tǒng)能夠安全、穩(wěn)定運行確實是一個困難且艱巨的任務(wù)[1]。

但是隨著現(xiàn)代工業(yè)技術(shù)與智能電子信息技術(shù)的快速發(fā)展，各種沖擊負荷對電網(wǎng)的供電質(zhì)量影響很大。比如說電網(wǎng)中的無功功率急劇快速變化和波動將導(dǎo)致電網(wǎng)電壓波動、閃變；有功功率波動、沖擊將使得發(fā)電機組轉(zhuǎn)子發(fā)生扭振；而諧波將會影響電網(wǎng)中的變壓器和電容器組及智能設(shè)備等。

那些在運行時無功和有功會發(fā)生急劇變化就是所說的沖擊負荷，這樣會對電網(wǎng)會產(chǎn)生很大沖擊的負荷，鋼鐵公司的電弧爐就是最典型的代表?，F(xiàn)代工業(yè)煉鋼的主要設(shè)備是電弧爐，交流電弧爐就是采用電源是三相交流電供電，而直流電弧爐則采用的是直流電源供電。相對交流電源來說直流電弧爐對鋼鐵公司供電系統(tǒng)的危害還是較小，但是直流電源供電成本較高，在實際生產(chǎn)中使用也很少。交流電弧爐雖然嚴重危害電網(wǎng)安全，但是廣泛存在，各國每年因電能質(zhì)量相關(guān)的電力系統(tǒng)故障引發(fā)的大小事故很多，帶來了很大的經(jīng)濟損失甚至人員傷亡。而電能質(zhì)量問題中表現(xiàn)得最為嚴重的是電壓波動及閃變，根據(jù)統(tǒng)計，由此引發(fā)的事故占到了電力事故總數(shù)的80%以上。所以說，電網(wǎng)極其危險的公害就是閃變，對許多用戶用電的可靠性造成威脅。

電弧爐在運行過程中因為電弧電流急劇變化，從而引發(fā)強烈的無功沖擊最終導(dǎo)致電壓快速波動，波動頻率一般在0.1～30Hz之間。因為電壓波動而引起的白熾燈照度不穩(wěn)定，造成人眼視感反應(yīng)，使人感覺不舒服、出現(xiàn)煩躁情緒等，這種現(xiàn)象叫作閃變，電壓閃變是由電壓快速波動導(dǎo)致的不良后果之一，這是一種電磁現(xiàn)象。強烈的閃變導(dǎo)致其他設(shè)備工作不正常；其他電子設(shè)備誤動作嚴重造成損壞；使設(shè)備利用的有用功率減少，對電弧爐來說就影響冶煉質(zhì)量及效益。

然而電弧爐在熔化是產(chǎn)生電弧截斷和短路現(xiàn)象，致使其他各項電流不平衡和電壓閃變，造成功率因數(shù)低下等，產(chǎn)生2、3、4、5、7高次諧波，致使電能質(zhì)量變差。 電弧爐在工作中的電流含有快速、不規(guī)則變化的無功功率以及高次諧波，造成電壓、電流沖激現(xiàn)象。致使供電電壓、電流波形畸變，使線損和用電設(shè)備的損耗增加了，電能質(zhì)量下降。由電壓、電流沖激引起的設(shè)備事逐漸增加[2]。

因為電弧爐煉鋼的時候，常常處在起弧、滅弧狀態(tài)，這時候功率因數(shù)較低，但是電流卻很大，所以造成電能的很大損耗，同時還極大的沖擊電網(wǎng)，造成電網(wǎng)電壓馬上下降，同時產(chǎn)生的極強高次諧波會嚴重污染電網(wǎng)，造成電網(wǎng)上其他設(shè)備尤其是用電子元器件（含計算機）控制的設(shè)備不能正常運行。

交流電弧爐在運行的時候會造成電壓波動，同時還會產(chǎn)生各次諧波電流，對電弧爐的效率造成影響，造成其他用電設(shè)備因發(fā)熱不能正常運行，而交流電弧爐產(chǎn)生各次諧波電流的原因主要有：

（1）電弧爐在熔化期間因為各種原因使電弧電阻成非線性，使電弧電流容易產(chǎn)生畸變；

（2）因為物質(zhì)本身的性質(zhì)造成了物質(zhì)發(fā)射電子的能力各不一樣，交流電源在正半周及負半周交替工作時，電極、爐料就交替作為發(fā)射電子的一方，因此造成了電弧電流正半周及負半周的波形就不對稱，這樣就產(chǎn)生了偶次諧波電流；

（3）因為材料和供電質(zhì)量等其他原因造成電弧三相不平衡，就會出現(xiàn)三次諧波電流；

（4）其他和電弧爐連接在同一供電系統(tǒng)上的設(shè)備會產(chǎn)生諧波電流。

根據(jù)對電弧爐的測試數(shù)據(jù)，其諧波電流含有量如下表所示：

諧波電流含有量：（In/I1）

諧波次數(shù) 2 3 4 5 6 7

理論計算 0.20 0.11 0.08 0.08 0.06 0.05

電弧爐在運行過程中，出現(xiàn)較多的諧波，針對電弧爐的測試及計算結(jié)果可以看出，特征諧波主要以2次為最大，3次，4次，5次諧波電流大，電壓電流畸變嚴重。

如果要有效治理電弧爐對電網(wǎng)的諸多危害，那么治理方法主要有二種，改進煉鋼工藝技術(shù)和改進供電設(shè)備

首先，把電空芯抗器串聯(lián)在電弧爐變壓器高壓側(cè)部，同時增加其他相關(guān)設(shè)備，在熔化期將其他輔助燃料噴吹到爐內(nèi)，這種方法可以降低電壓波動的閃變程度，靠近原來的1/2；

其次，因為直流電弧爐對供電系統(tǒng)的影響較小，可以把交流電弧爐改造成直流電弧爐，這樣也可以降低電壓波動及閃變程度到原來的1/2左右。

再次，加入無功補償裝置。

電弧爐工作特性決定了它會對供電系統(tǒng)造成很大的沖擊，從而引起電網(wǎng)中的無功急劇波動，造成一系列電能質(zhì)量問題。減少其對供電系統(tǒng)的損害可以加入無功補償裝置，改善電能質(zhì)量，這樣還能提高電弧爐的工作效率和降低損耗，確保質(zhì)量[3]。

電弧爐的供配電系統(tǒng)和其他工業(yè)負荷系統(tǒng)中所需要研究解決的問題就是利用動態(tài)無功補償?shù)姆椒▉硪种齐娀t負荷引起的供電系統(tǒng)電壓波動及閃變。而抑制電壓波動和閃變的關(guān)鍵在于有效控制無功，向電網(wǎng)準(zhǔn)確快速地提供負載所需的無功。因為電弧爐的無功是隨機動態(tài)變化的，所以電弧爐的無功補償裝置應(yīng)具有實時跟隨電弧爐無功變化的同時能夠?qū)崟r提供其所需要的無功的能力，因此必須采用動態(tài)無功補償裝置對電弧爐負荷進行補償才能達到預(yù)期的目的。

參考文獻

[1] 石先紅.電弧爐供配電方式的改進[J].軌道交通裝備與技術(shù)，2004， （2）：7-11.

[2] 張銳.淺談SVC在企業(yè)電弧爐供配電系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].山西科技， 2013，28（1）：59-61.

[3] 李冬冬.試析工廠供配電系統(tǒng)的方案比選[J].科學(xué)技術(shù)創(chuàng)新，2012， （7）：64-64.