中东某钢厂120t LF精炼炉无功补偿方案及分析

【摘要】LF精炼炉是一种特殊的非线性冲击负荷，在冶炼过程中，会产生大量谐波、负序电流等，严重影响供电系统的稳定性。本文就实际工程为例，分析了LF炉的生产特点及其对电网的影响，阐述了SVC动态无功补偿装置，给出了相应的无功补偿方案

【关键词】LF精炼炉；无功补偿；电能质量

中图分类号：C35 文献标识码： A

1 前言

随着大型工矿企业的飞速发展，用电设备日益增多，不少非线性设备及负荷给电力系统带来大量谐波污染，增加了功率损耗，降低了电能质量，甚至损坏系统设备，严重影响电力系统的可靠供电。因此，抑制谐波污染，改善电能质量，是大型企业重要的任务之一。

在钢铁企业中，以上这种情况尤为明显，精炼炉、矿热炉、中频炉、轧机等大型设备，运行过程中工况多，负荷冲击大，谐波污染严重，目前主要的解决方法是采用无功补偿技术，提高供电质量。本文为某工程LF精炼炉无功补偿技术的实际应用。

2 LF炉的生产特点及其对电网的影响

中东某国新建钢铁厂，其中炼钢区域设计2座120t LF精炼炉，为该钢铁厂生产优质、多品种钢提供重要的环节。LF精炼炉（以下简称LF炉），是钢铁生产中主要的炉外精炼设备，也是电弧炉的一种特殊形式，用LF炉冶炼取代电弧炉的还原精炼期，减轻了电弧炉的精炼负担，提高了电弧炉的生产率。随着钢铁厂的不断发展，LF炉以其灵活性、可靠性、较快的冶炼速度、较优的冶炼质量以及较少的投资费用等优势在冶金行业得到了广泛应用。

LF炉是电弧炉的一种特殊形式，用电量很大，其变压器容量能达到数十兆伏安，本工程中的2台炉变容量均为20MVA。电弧炉的冶炼过程主要分为熔化期和精炼期两个阶段，其中熔化期的耗电量占总耗电量的64.5%，精炼期占35.5%。钢铁在熔化期内，不仅用电量和有功功率最大，而且无功功率及其波动也最大。这是由于下降电极起弧和炉料崩塌使电极接触废钢而造成短路，其后快速提升电极又拉断电弧造成断路，产生很大的冲击电流，而且多数是三相不对称的。在冶炼过程中由于电磁力和炉内气流的作用以及钢液和炉渣的流动，使电弧放电的路径不断变化和弧隙电离程度不断变化，从而引起负荷电流变化大、变化速度快、变化频繁而无规则。电弧炉每炼一炉钢需要通断电操作多次，据统计，电弧炉每年平均通断电操作次数，对具有多级电压段的无励磁电动调压变压器的电弧炉，高达2.5～3万次，对只有两个电压级段的小型变压器的电弧炉，达5～6千次以上[1]。

LF炉复杂的生产过程将对电网造成不利影响，给钢铁厂的生产带来危害。

1）三相电流不平衡。钢铁冶炼过程中三相负荷电流严重不对称，产生的负序电流流入电网，使电网电压产生负序分量。

2）存在电压波动和闪变。在熔化期内，较大的冲击电流引起电网电压波动和闪变。当波动幅度和频率超出一定范围时闪变度较高，影响照明，造成人们的视觉不适[3]。

3）功率因数很低。LF炉在整个冶炼期间的功率因数平均值一般不超过0.78，发生工作短路时甚至低到0.1。由于功率因数低，感性无功功率大，从而引起电压水平降低，影响用电设备出力，增加电能损耗。

4）会产生大量高次谐波。电弧炉是电力系统中的主要谐波源之一。电弧炉中电弧起燃的延迟和电弧电阻的非线性特性，产生大量的高次谐波，给电网带来谐波污染，将造成谐波损耗，使发电、变电和用电设备效率降低，加速电力电缆绝缘老化而使其容易被击穿，影响继电保护自动装置动作的准确性，对通讯线路和控制信号造成电磁及射频干扰等[2]。

为提高电能质量，改善工艺水平，应采取合理的措施抑制LF炉对电网及自身的影响。目前国际上公认的解决方法是采用SVC补偿装置。

3 SVC 工作原理

静止型动态无功补偿装置（SVC），是一种快速调节无功功率的装置，它可以跟踪电网或负荷的波动无功，进行随机性适时补偿，从而保持电压的稳定[2]。

（1）

式中 为系统公共连接点的无功功率，为负荷所需的无功功率，为SVC中电抗器吸收的无功功率，为SVC中固定电容器提供的无功功率，单位均为kvar。各参数变化曲线如图1所示。

当负荷产生冲击无功时将引起

（2）

其中，若，则，那么为定值，即当SVC 装置中感性无功功率随冲击负荷无功功率作随机调整时，电压水平能保持恒定不变。

图1 SVC补偿工作原理图

目前国内运用的SVC主要有TCR（晶闸管控制电抗器）型、TSC（晶闸管投切）型及MCR（磁阀式可控电抗器）型。根据以往工程经验，TCR型SVC装置在LF炉工程上得到了很好的应用，在改善电能质量、平衡系统无功、提高功率因数等方面效果显著，运行后各项技术指标均能满足国家相关标准，保证了钢铁的生产质量。

TCR型SVC装置主要由TCR（晶闸管控制电抗器）及FC（滤波电容器组）两部分组成，TCR回路可通过控制晶闸管触发角的大小来改变相控电抗器输出的感性无功，FC回路可提供固定的容性无功，同时可实现谐波滤波。由于晶闸管的动态响应速度非常快，响应时间一般小于10毫秒，可实现无功功率的实时动态补偿，对于LF炉，可使其产生的电压波动与闪变抑制到最小。同时TCR型SVC具有分相调节功能，可使不平衡负载得以平衡，电网的负序分量被抑制到最小。

4 LF 炉无功补偿方案

本工程中LF炉变压器为三相油浸式，容量为20MVA，一次电压33kV，二次电压235～355V，调压方式为电动有载调压。SVC装置中TCR容量为32MVar，FC总容量56.76MVar，重点滤2、3、4、5次谐波。

综合考虑变电站空间布置及回路容量，优化设计33kV配电方案，将TCR、H2支路由一台断路器供电，H3支路由一台断路器供电，H4、H5支路由一台断路器供电，并配置相应的微机保护装置。将SVC三相系统直挂于33kV母线，TCR由晶闸管相控阀组与电抗器串联构成，采用三角形连接，电容器组采用星形连接，一次系统主接线如图2所示。

图2 主接线图

一次设备主要包括电容器组、电抗器、断路器、隔离开关、避雷器、电流互感器等，具体设备的选型在工程设计中体现。二次系统即SVC监控系统，是SVC补偿装置的一部分，监控系统的核心是确保TCR的感性无功功率变化能够实时跟踪冲击性负荷的无功功率变化，从而达到无功补偿的目的。为此，监控系统实时采集三相电压、电流信号，进行相应计算后调节TCR阀组晶闸管的触发角大小，实现动态补偿。

投入SVC补偿装置后，母线电压波动；总电压畸变率；平均功率因数可达到0.93，实现了动态无功功率补偿及谐波滤波，稳定了电网电压，抑制了电压闪变，提高了功率因数，降低了线路压降，减少了功率损耗。

5 结束语

TCR型SVC在钢铁厂电弧炉上得到广泛的应用，经过运行考验，各项指标均能达到规范要求，无功补偿效果明显。本工程中的LF精炼炉借鉴国内经验，采用TCR型SVC装置，对改善供电系统的电能质量、提高功率因数、稳定电网运行水平将起到积极、重要的作用，为钢厂的安全生产、优质生产提供可靠的保障。因工程在国外，这是对国产设备的一种考验，同时也可对无功补偿技术的发展积累更多的经验。

参考文献：

[1] 钢铁企业电力设计手册编委会.钢铁企业电力设计手册[M].北京：冶金工业出版社，2012.

[2] 翁利民，陈允平，舒立平.大型炼钢电弧炉对电网及自身的影响和抑制方案[J].电网技术，2004.

[3] 陈祖贤.炼钢电弧炉引起的电压波动闪变及其抑制措施[J].工业加热，1994（4）.