精炼炉（LF炉)负荷无功补偿及谐波治理

徐云亭 （天津钢铁集团有限公司，天津 300301)

精炼炉（LF炉)负荷无功补偿及谐波治理

徐云亭 （天津钢铁集团有限公司，天津 300301)

精炼炉（以下称LF炉)在冶炼过程中产生电压波动、电压闪变、谐波及负序电流，同时功率因数较低，构成了电网公害。概述了该类负荷的危害及治理方法，并以天津钢铁集团有限公司二期工程的35 kV LF炉为例，详细介绍了治理装置的原理及设计方法，并通过系统仿真进一步确认了该设计的正确性和可行性。

无功功率 补偿 谐波 滤波器 电压 波动 闪变

1 引言

天津钢铁集团有限公司二期工程有2台110 t LF炉，采用35 kV供电，炉变均为20 MVA，额定电压比 35 kV/330～290～230 V，阻抗电压 7.5%，过载能力20%。由于LF炉在生产时将会产生一系列影响电能质量的问题，因此，必须对此类负荷进行治理。

2 LF炉在冶炼过程中造成的电网公害

LF炉是一种电弧性质的负荷，由于冶炼工艺（加入炉内的为钢水)的因素，相对于电炉来讲，其对弧时电流比较平稳，没有熔化期，所以对电网的影响没有电炉大，但对供电质量及炼钢用电设备也存在着很大隐患。

（1) LF炉在冶炼过程中主要含有2～7次谐波电流分量，同时还包含低频分量，低频分量将造成电网供电电压的快速波动并引起闪变。

（2) LF炉从系统中吸收有功、无功功率的变化将引起电压降落和电压波动，降低了输入LF炉的有功功率（因为输入LF炉的有功功率与电压的平方成正比)，将直接影响钢产量。

（3) LF炉在整个冶炼过程中的自然功率因数为0.8左右，使电网浪费大量能源，不能满足电力部门的相关要求。

（4) 增加供电线路的损失，而为了减少损失则必须增大供电线路的导线截面，增加投资。

（5) 增加线路上的电压损失，降低了电压质量。

（6) 降低了供电设备的有效利用率。

（7) 增加了供配电系统的电能损耗及企业的电费支出，生产成本加大，降低了企业的经济效益。

3 治理方案的确定

3.1 无功补偿兼滤波装置（FC)具备的功能

该装置具备的功能包括：短路保护;过流保护;不平衡电流保护;保护整定和参数显示;故障报警;通讯。

3.2 补偿容量确定

对于此类的LF炉负荷，可采取无功补偿兼滤波装置（FC)进行治理。FC装置的主要功能有两个，一是补偿LF炉运行时消耗的无功功率，提高功率因数;二是吸收LF炉运行时产生的谐波，避免其污染电网。

无功补偿计算的公式为：

式中：Q为补偿的无功功率;P为LF炉的有功功率;ø1、ø2分别为补偿前的功率因数角和补偿后的功率因数角。

对于LF炉负荷来说，自然功率因数为0.8，补偿后的功率因数按0.92计算，则2台LF炉需要补偿的无功功率为：

考虑LF炉运行长期过载1.2倍，因此，最终的补偿容量定为11.197 kvar。

3.3 谐波电流的估算

LF炉属于电弧性质的负荷，是典型的谐波源，其主要产生2～7次的全频谱谐波。由于LF炉电弧的不稳定性，其产生的谐波电流无法像整流装置那样可以进行精确的理论计算，因此LF炉负荷的谐波电流只能通过在线测试或根据长期积累的工程经验进行统计估算。

表1、表2列出了根据同类型谐波源的统计规律修整后的LF炉谐波电流发生量。

表1中，LF炉基波电流为考虑过载1.2倍的值，I1=420 A;基波电流 I1=1.2×20 000/1.73×33=420 A;因LF炉谐波电流的不确定性，其叠加值按均方根取。

4 滤波器设计

比较各表可知，流入35 kV系统的2、3、4次谐波电流超标，滤波器设置H2、H3、H4后滤波通道后，根据仿真曲线观察，谐波电流均被良好的滤除。滤波器参数见表3。

表1 精炼炉负荷注入35 kV母线谐波电流数值

表2 注入35 kV母线谐波电流允许值（按基准短路容250 MVA)

表3 滤波器参数

5 投运后的技术指标

5.1 谐波电流

滤波后流入35 kV系统中的谐波电流值如表4所示。可以看出，谐波电流完全满足国标的要求。

表4 流入35 kV系统中的谐波电流值

5.2 月平均功率因数

经补偿后，35 kV母线的月平均功率因数≥0.92。

5．3 电压波动

5．4 电压闪变

Pst≤0.47，P1t≤0.35（满足 220 kV 站电压闪变限值)。

5．5 电压不平衡度

5．6 FC滤波电抗器损耗

6 仿真结果

6.1 滤波后的谐波电流值（见表5)

表5 滤波后的谐波电流值

6.2 滤波后的谐波放大曲线（见图1)

图1 滤波后的谐波放大曲线

根据以上的校核表格以及仿真曲线可以看出，谐波电流均被有效滤除，没有发生谐波电流放大情况，滤波器不会与系统产生并联谐振。因此，系统及所有滤波器均能安全、可靠的运行。

7 结束语

从以上的例子可以看出，FC装置对于LF炉这类非线性负荷产生的谐波电流以及功率因数低的电能质量问题具有较好的治理效果。对于一般的炼钢企业来说，是可以满足企业自身的需要以及电业部门考核的，而且比较经济。但需要指出的是，FC装置仍属于一种静态的补偿设备，其本身不能随负荷的变化而变化。如果要全面解决负荷对电网产生的影响，例如电压波动、电压闪变等，就必须选择动态的无功补偿装置，例如SVC、SVG等，这也是我国电网发展以及企业技术改革的一个新的阶段。

[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，1996.

[2]GB/T14549—1993电能质量公用电网谐波[S].

[3]GB12326—1990电能质量电压允许波动和闪变[S].

[4]吴竞昌，孙树勤，宋文南，等.供电系统谐波[M].北京：中国电力出版社，1998.

LF Load Reactive Power Compensation and Harmonics Control

Xu Yunting

Voltage fluctuation,voltage flicker,harmonic and negative current with low power factor,which are harmful for power grid,generate during LF melting.The thesis describes the harm and control approach for the load,with 35 kV LF at second phase project at TISCO as an example,explains in detail the principle and design method of compensation and harmonics control equipment and confirms the correctness and feasibility of the design further by system simulation.

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（收稿 2011－07－13 责编 潘娜)

徐云亭，毕业于天津河北职工大学电气自动化专业，电气工程师。