电弧炉时变电阻模型参数仿真分析

田 鹏 贾文超 魏洪友

1，装甲兵技术学院 130117

2，长春工业大学 130021

电弧炉时变电阻模型参数仿真分析

田 鹏1贾文超2魏洪友1

1，装甲兵技术学院 130117

2，长春工业大学 130021

本文采用电弧炉时域模型中的交流电弧电阻模型，应用MATLAB仿真得出电弧电阻随时间的变化曲线，并针对电弧电阻模型的参数选择进行了仿真分析，仿真结论与实测数据比较，误差较小，为电弧炉谐波治理提供了依据。

电弧炉；电弧电阻模型；MATLAB；仿真

炼钢电弧炉是电力系统中各类波动性负荷中对电能质量影响比较严重的负荷。从电气特性来讲，电弧炉是一种剧烈变动的非线性负载，在工作过程中会对电网产生波形畸变、电压闪变和波动、功率因数低及三相不平衡等多种不利影响。同时，电弧炉还是重要的谐波源，它产生的谐波电流随时间的变化呈非平稳随机过程。

解决电弧炉谐波问题的关键是建立电弧炉电阻模型。交流电弧电阻模型是在电弧径不变、弧柱温度均匀分布和准中性等三个假设条件下，从电弧的内部机理出发，根据电弧物理，热等离子体的若干理论，推导出的交流电弧的等效数学模型。在电弧等效电阻表达式中，各个参数都有明确的物理意义，通过反映电弧的物理特性，得到了较为准确的电弧炉仿真结果，为电弧炉谐波治理提供了依据。

一、交流电弧电阻模型及仿真

1、交流电弧电阻模型

根据参考文献[1]中的模型公式

式中： T0-弧柱最低温度，在7000K到8000K之间变化

T1-弧柱最高温度

a=3.323×104

D-弧柱受热惯性的影响值

ω-外加正弦电压的角频率

θ-电弧电流滞后电源初相的角度

T-电弧电流周期，T=0.02s

N-把T分成N等份近似计算，一般N=60

2、交流电弧电阻模型参数的估算

要想准确确定电弧炉各种工作状态下电弧模型中的各个参数，需要大量的测试数据，包括电弧炉在各种工作状态下弧柱温度的变化曲线，电弧电压、电流的波形，弧长做随机变化时其分布函数的特性等等。本文依据吉林铁合金厂16500KVA硅锰电炉的测量结果，估算得到电弧模型的参数值如下：

二、交流电弧电阻的仿真分析

参数中C0可近似认定为常量。对电弧电阻的影响不大；对电弧电阻起到影响的主要是cos(2ωt+D+θ)中的三个参数D、ω和θ，D的取值在之间，而θ的取值在之间，而ω得取值为50Hz的整数倍。这里我们主要针对这三个参数进行研究，用M A T L A B仿真分析其对电弧电阻的影响。

1、D和θ对起弧电阻影响的仿真分析

图1 不同θ值对应的电弧电阻波形

图2 不同D值对应的电弧电阻波形

通过以上仿真可以看出，D值和θ值对电弧电阻的影响效果是相同的。当f=50Hz，，时，电弧炉起弧时的电阻最低，最容易起弧，起弧过程也就会相对的平稳；而当f=50Hz，，时，电弧炉起弧时的电阻最高，起弧比较困难，对电弧炉及其补偿装置的冲击损害最大。因此，针对不同的电弧炉系统，应通过计算选取最佳的D值和θ值，以期达到最理想的工作状态，从而延长电弧炉的使用寿命。

2、ω对电弧电阻影响的仿真分析

图3 不同频率对应的电弧阻抗图

与频率f=50Hz的时变电阻波形比较可以看出，电弧炉的电弧阻抗在频率为基波频率2～7倍的高次谐波影响下变化较大；而对于8～13倍的高次谐波，电弧阻抗相对变化就非常小了；高于13倍的谐波也对电弧阻抗造成一定的影响。所以在补偿和滤波时，应主要针对电弧电流为基波频率2～7倍及13倍以上的高次谐波为宜。

三、结语

本文所做的工作只是为电弧炉谐波治理提供了一个依据。由于不同的电弧炉系统之间差别较大，估算得到的参数也不尽相同，所以每研究一个电弧炉系统的谐波问题重新对相关参数进行估算，确认其可行性后再采用。

[1]刘小河，程少庚，苏文成.电弧炉电气系统分析研究.电工技术学报.1994，（2）

[2]郭继红，颜湘武.用于谐波分析研究的电弧炉系统的模型和仿真.继电器. 2005，33（8）

[3]邓霏，周有庆.电弧炉谐波电流抑制及其综合治理.电工技术学报.2005，（4）

[4]张玉成，杜明哲.中频电炉谐波分析与抑制.华中电力.2006，1（19）