戴立慶,張旭,魏孟剛,劉子涵,林恒青
(1.福建船政交通職業(yè)學(xué)院,福州 350007;2.中電普瑞電力工程有限公司,北京 100089;3.三峽電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院,湖北 宜昌 443000)
交流電弧爐(electric arc furnace,EAF)是一種利用電弧產(chǎn)生的熱量來高效熔化廢鋼并提升鋼水溫度的煉鋼爐[1-6]。電弧爐負荷波動具有隨機性和不規(guī)則型,除了產(chǎn)生整數(shù)次諧波外,還會產(chǎn)生大量間諧波[7-13]。目前國內(nèi)電能質(zhì)量治理廠家對EAF 的諧波治理,特別是2 次濾波支路的設(shè)計方面還存在思路誤區(qū)。個別廠家為節(jié)約成本,省去了2 次濾波器,造成2 次諧波電流嚴重放大,忽視了2 次諧波附近的大量間諧波的存在,直接將2 次濾波器設(shè)計為單調(diào)諧形式,導(dǎo)致2 次附近的間諧波發(fā)生放大,電壓畸變率增高,影響了系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行[14-22]。
本文對某特鋼公司電弧爐供電系統(tǒng)諧波實測波形進行FFT 分解,得出電弧爐的2 次諧波、間諧波頻譜及含量,然后采用電力系統(tǒng)綜合計算分析軟件PSAF 對比了不設(shè)置2 次濾波器、設(shè)置2 次單調(diào)諧濾波器、設(shè)置2 次二階高通濾波器和設(shè)置2 次C 型高通濾波器4 種方案對2 次諧波和間諧波的改善情況,得出電弧爐設(shè)置2 次C 型濾波器的必要性。采用PSAF強大的諧波潮流和阻抗特性分析功能,得出C 型濾波器電阻值的最優(yōu)取值區(qū)間。最后將上述研究結(jié)論用于工程實際的濾波器設(shè)計,通過工程案例證明了本方案設(shè)計的2 次濾波器的正確性和實用性。
廣西某特鋼公司電弧爐煉鋼項目100 噸電弧爐的爐變?nèi)萘繛?0 MVA,接入煉鋼專用35 kV 母線,供電系統(tǒng)及設(shè)備主要參數(shù)見圖1。
圖1 特鋼公司100噸電弧爐供電系統(tǒng)主接線圖Fig.1 Primary wiring diagram of power supply system for 100t EAF in special steel company
總降主變和煉鋼EAF 爐變參數(shù)見表1。
表1 總降主變和煉鋼EAF爐變參數(shù)Table 1 Parameters of main transformer and EAF furnace for steelmaking
100 噸電弧爐實測電流波形見圖2。
圖2 電弧爐實測電流波形Fig.2 Actually measured current waveform of arc furnace
將實測電流波形和數(shù)據(jù)進行傅里葉分解后的間諧波頻譜見圖3。
圖3 電爐A相間諧波Fig.3 Harmonic of phase A of electric furnace
圖3 中以5 Hz 為間諧波分析間隔,基波電流對應(yīng)橫坐標10,2 次諧波對應(yīng)橫坐標軸的20,其余各次表達規(guī)律相同,從頻譜圖中可以看到電弧爐產(chǎn)生的5~100 Hz 的間諧波較大,具體見表2。
表2 電爐A相間諧波數(shù)據(jù)Table 2 Harmonic data of phase A of electric furnace
根據(jù)《GB/T 24337—2009 電能質(zhì)量公用電網(wǎng)間諧波》規(guī)定,本項目220 kV 母線短路容量4 500 MVA,對應(yīng)2 次諧波電流不應(yīng)大于8.11A,折算至35 kV母線為51 A,35 kV 母線2 次諧波電壓電壓畸變率不應(yīng)大于1.2%,2 次附近間諧波引起35 kV 母線電壓畸變不大于0.32%。對比限值指標和實測值可知,本項目電爐2 次諧波電流92 A,超過51 A 的限值指標,必須采取治理措施。
高壓濾波裝置常見型式有3 種,分別為單調(diào)諧濾波器、二階高通濾波器和C 型高通濾波器[23-30],見圖4。
圖4 常見濾波器類型Fig.4 Common filter types
從圖4 可知,對電弧爐2 次諧波的治理措施有如下4 種。方案1:不加裝2 次濾波器;方案2:加裝2 次單調(diào)諧濾波器;方案3:加裝2 次二階高通濾波器;方案4:加裝2 次C 型高通濾波器。
在其他條件不變的情況,采用PSAF 對上述4種方案的濾波效果進行仿真分析。
本工程采用電力系統(tǒng)專業(yè)分析軟件PSAF 完成諧波潮流和阻抗頻率特性曲線的仿真。PSAF(power systems analysis framework)是由美國CYME公司開發(fā)的全圖形界面的電力系統(tǒng)仿真分析計算軟件,他主要是從原有的CYME 的多個電力系統(tǒng)分析軟件加以改版,采模塊化設(shè)計并整合而得,所有屬于此一系列的軟件,均冠上“PSAF”字頭。在仿真分析方面,該軟件集成了潮流分析、短路計算、暫態(tài)穩(wěn)定分析、諧波分析、可靠性分析等模塊,并提供了簡便快捷的電力系統(tǒng)模型搭建方式,所有的電力系統(tǒng)參數(shù)輸入和連線圖操作都可直接在圖形界面上完成,顯示結(jié)果一目了然[31-33]。
根據(jù)特鋼公司100 噸電弧爐供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和設(shè)備參數(shù),搭建不同方案的諧波潮流仿真模型見圖5。
圖5 特鋼公司EAF爐不同2次濾波器方案諧波潮流仿真模型Fig.5 Harmonic power flow simulation model ofdifferent secondary filter scheme of EAF furnace in special steel company
經(jīng)PSAF 仿真,不同濾波器型式即分別采用方案1 至方案4 時注入上級電網(wǎng)的的2 次諧波及間諧波電流數(shù)值見表3。
表3 采用不同治理方案時注入上級電網(wǎng)的諧波和間諧波電流對比Table 3 Comparison of harmonic and interhamonic currents injected into superior power grid with different treatment schemes
經(jīng)PSAF 仿真,不同濾波器型式即采用方案1至方案4 的35 kV 母線阻抗頻率特性曲線見圖6。
圖6 方案1至方案4的阻抗頻率特性曲線Fig.6 Impedance frequency characteristic curve of scheme 1 to 4
分析表3 和圖6 可知,對于50 Hz 以內(nèi)的間諧波,4 種濾波方案的間諧波變化情況基本相同,阻抗特性曲線也無差異,但是對50~100 Hz 直接的間諧波和2 次諧波(100 Hz)的吸收(放大)情況,4 種方案有明顯差異。其中:
方案1:無FC2方案,間諧波無明顯放大,但由于3 次及更高次數(shù)濾波支路的存在,對2 次整數(shù)次諧波電流產(chǎn)生放大,放大倍數(shù)達到3.78 p.u.,2 次諧波放大后達到347.76 A,屬于嚴重超標,因此,不設(shè)置2 次濾波支路將出現(xiàn)2 次諧波電流超標的問題。
方案2:FC2設(shè)置為單調(diào)諧濾波器,對2 次諧波電流的吸收效果最好,可以吸收88%的2 次諧波電流,但是對85 Hz 附近的間諧波放大倍數(shù)達到12倍,極易引起間諧波超標。
方案3:FC2設(shè)置為二階高通濾波器,對2 次諧波的吸收率降低到69%,同時對85 Hz 附近的間諧波放大倍數(shù)降低至7.7 倍,電阻器損耗為22.4 kW/相。
方案4:FC5設(shè)置為C 型濾波器,對2 次諧波的吸收率進一步降低到46%,同時對85 Hz 附近的間諧波放大倍數(shù)進一步降低至3.9 倍,電阻器損耗為1.02 kW/相。
從上述分析可知,方案1 將產(chǎn)生2 次諧波電流超標問題,方案2 將引起間諧波嚴重放大。方案3和方案4 均通過加裝阻尼電阻降低2 次諧波吸收效果的同時避免了間諧波嚴重放大,但方案3 中電阻器直接并聯(lián)于電抗器兩端,將產(chǎn)生22.4×3=67.2 kW的損耗,經(jīng)濟性指標較差。方案4 中C 型濾波器的電容器分為主電容和副電容,副電容與電抗器串聯(lián)后與電阻器并聯(lián),由于副電容與電抗器在工頻下串聯(lián)諧振,工頻電壓近似為0,因此電阻器不承受工頻電壓,損耗僅1.02×3=3.06 kW,較方案3 顯著降低,且其諧波特性與二階高通濾波器相同。因此,電弧爐最為理想的2 次濾波器方案是采用C 型濾波器。
C 型濾波器的特性與電阻值即Q值的大小密切相關(guān),C 型濾波器的Q值定義為電阻器的電阻值與電抗器的感抗值之比,公式為
式中:R為C 型濾波器電阻器的電阻值,Ω;XL為C型濾波器電抗器的感抗值,Ω。
Q值一般為10~40。經(jīng)PSAF 仿真,Q取不同值時2 次附近的阻抗頻率特性曲線對比見圖7。
從圖7 可以看出,Q取值不同時,串聯(lián)諧振點(諧波吸收點)和并聯(lián)諧振點(諧波放大點)的位置不變,說明Q值不會影響諧波吸收和放大的位置。但是,Q值對諧振點阻抗值和通頻帶產(chǎn)生影響,具體規(guī)律為:Q值越高,串聯(lián)諧振點阻抗越小,對2 次諧波的吸收效果越好,并聯(lián)諧振點阻抗越大,對間諧波的放大數(shù)值越高,通頻帶越窄。Q值越低,串聯(lián)諧振點阻抗越大,對2 次諧波的吸收效果越差,并聯(lián)諧振點阻抗越小,對間諧波的放大數(shù)值越低,通頻帶越寬。因此,Q值選擇應(yīng)滿足如下原則:1)保證一定2次諧波電流吸收效果;2)避免間諧波嚴重放大。
圖7 Q取不同值時2次附近的阻抗頻率特性曲線Fig.7 Impedance frequency characteristic curve near twice when q takes different values
C 型濾波支路的Q值不宜過高或過低,推薦為20~30。工程設(shè)計時,首先根據(jù)2 次諧波電流實際值和諧波電流限值,計算2 次諧波電流的改善率指標,通過改變Q值使2 次諧波電流合格,并保留一定的容量裕度。然后通過阻抗頻率特性曲線仿真分析,校驗是否會出現(xiàn)間諧波放大,最后進行安全性校核,包括C 型濾波器各組成設(shè)備的電壓、電流、功率裕度的校核。具體流程見圖8。
圖8 2次濾波器優(yōu)化設(shè)計流程Fig.8 Optimization design flow of secondary filter
應(yīng)用于電弧爐2 次諧波治理的C 型濾波電容器直接接入35 kV 母線,電容器采用先并后串的接線形式,雙星接線(中性點不平衡電流保護)或單星接線(放電線圈電壓差動保護)接線方式,見圖9。
圖9 工程常用的2次濾波器電氣接線Fig.9 Electrical wiring of secondary filter commonly used in engineering
第1 種接線方式的優(yōu)點是三相只需要一臺電流互感器即可完成不平衡保護,且電阻器一般分為左右兩個分支,單臺電阻功率為總功率的一半,能夠降低單臺設(shè)備的尺寸和發(fā)熱量,缺點是電阻器數(shù)量增加一倍,布局困難,同時第1 種接線方式的電容器組放電通過內(nèi)部放電電阻完成,放電速度較慢,每次停電后需要10 min 以上放電間隔。
第2 種接線方式的優(yōu)點采用放電線圈后放電速度加快,電阻器數(shù)量為每相1 只,缺點是放電線圈數(shù)量多,每個支路需要3 臺帶中間抽頭的放電線圈。
目前第1 種接線方式較為常用,對于容量較小、電阻功率不大的2 次C 型濾波器,也可以采用簡化接線方式,電阻器只加裝1 臺,如圖9 中虛線所述分支的電阻器可省掉,實際的濾波效果不受影響,且不會引起中性點不平衡電流增大,該方案可簡化回路接線,提高工程的經(jīng)濟性指標,具有一定的工程推廣價值。
2 次C 型濾波器主設(shè)備選型要求為:
濾波電容器采用內(nèi)熔絲、內(nèi)放電電阻、雙套管、全膜、框架安裝式電容器組,具有容值穩(wěn)定,過載能力強等優(yōu)勢。
濾波電抗器采用干式、空心、環(huán)氧澆鑄形式,具備±5%的電感值調(diào)諧范圍,通過將電抗器分為上下兩個單元、調(diào)節(jié)兩個單元的間距進而改變回路電感。為了抵御系統(tǒng)運行方式變化產(chǎn)生的諧波放大風險,電抗器一般采用正偏調(diào)。
濾波電阻器一般采用編制式無感電阻,以高品質(zhì)鎳鉻線或康銅絲為經(jīng)線,以優(yōu)質(zhì)玻璃絲為維線編織而成的電阻單元,再經(jīng)真空浸漬而成,然后經(jīng)過串并連接而成電阻器[34-37]。作為經(jīng)線的電阻絲在編制過程中使其呈S 形,其相鄰的兩條電阻絲是平行的,而且流過的電流方向正好相反,使其磁場互相抵消,實際上是一種無感排列,使整個電阻單元的電感幾乎為零。
2 次C 型濾波器的實物照片見圖10,工程1 中濾波電阻器采用落地式安裝方式,工程2 中濾波電阻器安裝于電容器框架上,節(jié)約了占地。
圖10 電弧爐濾波工程常用的2次C型濾波器實物照片F(xiàn)ig.10 Photographs of secondary C-type filters commonly used in electric arc furnace filter engineering
根據(jù)上述分析結(jié)論,特鋼公司100 噸電弧爐濾波裝置采用2 次C 型濾波器,按照圖8 設(shè)計流程進行優(yōu)化設(shè)計,主要技術(shù)參數(shù)如下:
額定電壓:28 kV
額定容量:43.2 Mvar
電容器單元:AAM7.0-600-1W
接線方式:4 串6 并
額定電容:58.47 μF/相
額定電感:43.33 mH/臺
額定電阻:2 000 Ω/4 kW
電氣主接線:見圖11。
圖11 濾波裝置及TCR電氣主接線Fig.11 Filter device and TCR electrical primary wiring
濾波支路投入后,母線阻抗頻率特性曲線如圖12所示。
圖12 加入濾波器的母線阻抗頻率特性曲線Fig.12 Frequency characteristic curve of bus impedance with addition of filter
經(jīng)現(xiàn)場實測,電爐冶煉過程中2 次諧波電流降低至36 A,滿足2 次諧波電流考核(≤51 A)要求,間諧波無明顯放大,電壓畸變率顯著降低,系統(tǒng)運行穩(wěn)定。工程驗證本文所提供的2 次濾波器設(shè)計方案是安全、合理的。
本文使用PSAF 軟件對某特鋼公司負荷EAF爐的2 次濾波器設(shè)計方案進行仿真分析,主要結(jié)論如下:
1)通過對比不設(shè)置2 次濾波器、設(shè)置2 次單調(diào)諧濾波器、設(shè)置2 次二階高通濾波器和設(shè)置2 次C型高通濾波器4 種方案對2 次諧波和間諧波的改善情況可知,電弧爐濾波工程應(yīng)設(shè)置2 次濾波器,且應(yīng)設(shè)計為C 型濾波器。
2)2 次C 型濾波器電阻取值應(yīng)綜合考慮2 次諧波電流改善率和間諧波放大倍數(shù)兩個約束條件,Q值不宜過高或過低,推薦為20~30。
3)2 次C 型濾波電容器有“中性點CT 雙星差流”或“放電線圈電壓差動”兩種接線方式,可根據(jù)實際需求進行選擇?!爸行渣cCT 雙星差流”接線方式較為普遍,對于電阻器功率較小的場合,可采用每相1 只電阻器的接線方式,簡化接線。
4)濾波電阻器推薦采用編制式無感電阻,直接安裝于電容器框架上,節(jié)約占地。
最后通過特鋼工程實施驗證了本文所提供的2次濾波器設(shè)計方法和流程合理并具有可行性,該設(shè)計方法對于電弧爐諧波治理工程具有一定的參考價值。