6t电渣炉电源对供电系统的影响

孙绍南 羿彪

Effect of 6t Electroslag Furnace Power Supply on Power Supply System

摘要： 根据电渣炉冶炼工艺要求和特点，电渣炉电源对电网造成了严重的影响。为了改善电渣炉电源问题造成供电网的影响，对其系统产生的三相不平衡进行了研究，从电渣炉的供电方式及熔炼变压器着手，引出并剖析了其电源产生三相不平衡和变压器负荷对系统的影响，并针对电渣炉电源三相不平衡问题，论述指出了低频电源供电、SVG动态补偿和设立总降压变电站来克服三相不平衡供电方案。

Abstract： According to the requirements and characteristics of the electroslag furnace smelting process， the electroslag furnace power supply has a serious impact on the power grid. In order to reduce the influence of the power supply network caused by the power supply problem of the electroslag furnace， the three-phase imbalance generated by the system was studied. From the power supply method of the electroslag furnace and the smelting transformer， the effect of three-phase unbalance and transformer load of the power supply on the system was derived and analyzed. For the three-phase unbalanced problem of the electric slag furnace power supply， the low-frequency power supply， SVG dynamic compensation and the establishment of a total step-down substation can be used to overcome the three-phase unbalance.

關键词： 电渣炉电源；三相不平衡；SVG补偿；低频供电

Key words： electroslag furnace power supply；three-phase unbalance；SVG compensation；low-frequency power supply

中图分类号：TM924.4+3 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2018）15-0105-03

1 拟建电渣炉电源特性

1.1 电渣炉供电形式

电渣炉最常用的供电形式是两相供电，从0.5～150t电渣炉均有采用此种供电形式。主要优点包括：短网结构简单、电渣炉变压器成本低、设备总投资少、熔炼过程操作简单易于掌握。它的缺点包括：由于采用单相电源，对电网三相平衡程度影响大，短网阻抗变化大，容易产生严重的电磁干扰。

1.2 电渣炉熔炼变压器

电渣炉用熔炼变压器称为可控变压器，其实一种无触点、无机械传动的磁性调压器。电压调节是直流电流来控制的，磁性调压器由饱和电抗器和变压器构成的成套装置，其结构与普通变压器相似。为对负载电压进行调节，因磁性调压中涵盖饱和电抗器的功能，而电抗绕组拥有限流功能，所以取得优良的下坠外的效果，所以其可作为恒流负载电源。增加直流控制电流时，因增加了铁芯饱和度，导磁率变小，电抗值减小，此时负载电压最大，电抗器绕组上的压降最小。当直流控制电流处于零时，因铁芯没有饱和，电抗值处于最大状态，导磁率很大，在电抗器工作绕组上，电源电压大幅度分降，所以负载上压降最小；计算机通过D/A通道输出4～20mA控制信号到磁调压柜，控制直流电流，从而控制变压器二次电压。

1.3 电渣炉电源特性

1.3.1 功率因数

尽管电渣炉冶炼采用电阻加热方法，但系统电抗较大，主要原因如下：

电渣炉首先是将固态电渣熔化，再利用渣阻化钢。固态渣是不导电的，只有呈现液态渣才导电。开始将固态渣熔化我们称之为引弧，利用电极与引弧剂产生的弧光热量将电渣熔化，之后就利用液压渣导电的特性将渣全部熔化。引弧期由于利用弧光，所以其感性特色明显，功率因数最低，达0.6。所以，正常熔炼时，功率因数在0.6～0.8之间，对功率因数要求较高的现场一般采用就地补功率因数的方法，一般企业采用变电所集中补得办法。

1.3.2 谐波

由于使用磁调压，所以电渣炉电源产生一些谐波，主要2、3、4、5等次数的高次谐波电流，但对电源影响不大。一般配备功率因数补偿时，为保护电容，加一些消谐电抗。

2 关于三相不平衡

2.1 导致三相不平衡的因素

电力系统会出现许多三相不平衡状态，有正常性和事故性两大方面。三相元件数据和不对称负荷属于正常性不平衡，例如电渣炉、生产冶炼的电弧炉、铁道自动化的牵引负荷等。电网系统故障导致不平衡属于事故性的，其不准出现在运行电力系统中，它由保护装置删除故障元件，并解决之后再恢复正常运行。假如三相不平衡度超出规定要求，运行系统必将受到影响。所以，为正常性不平衡运行状态，作出了“三相电压不平衡范围值”的电能质量指标。

2.2 影响系统不平衡的负荷

2.2.1 电网线路电能损耗

三相四线制供电系统中电流经过线路，由于阻抗存在，就会产生电能损耗，其损耗和流经电流的平方是正比关系。三相四线制在低压电网运行时，因存在单相负载，就必然出现三相负载不平衡，系统处于三相负载不平衡状态时，电流通过中性线，造成相线、中性线产生损耗，必将导致系统线路的损耗。

2.2.2 配电变压器的电能损耗

由于低压供电系统存在配电变压器，它在三相负载不平衡状态下运行时，将会增加配变损耗，其配变功率损耗也是跟负载不平衡度变化的，而且配电变压器是根据每相绕组计算额定容量的，配电变压器处于三相负荷不平衡工况时，其负荷高的那相会经常出现故障，比如连接点过热、缺相、密封胶垫劣化等。

2.2.3 零序电流的产生

配电变压器处于三相负载不平衡状态时，就会出现零序电流，它会随着三相负载不平衡程度变化，三相不平衡度越大，零序电流就越大。当配变运行中出现零序电流时，配变铁芯中将产生零序磁通，导致零序磁通会通过油箱壁及鋼构件，当零序电流流经钢构件时，又因钢构件导磁率较低，就会出现磁滞和涡流损耗，使配变的钢构件局部温度上升而发热。进而加快了配变的绕组绝缘老化，使用设备年限降低，因而产生的零序电流就增加了配变的损耗。

2.2.4 用电设备无法安全运行

根据三相负载平衡运行状态下设计的配电变压器，具有大致相同绕组电阻、漏抗和激磁阻抗参数。当配变运行在三相负载不平衡状态时，它内部三相压降不同，每相输出电流也不同，这就是配变输出电压三相不平衡的原因。而且配变运行在三相负载不平衡状态时，其三相输出电流就不相同，导致中性线有电流通过，中性线产生阻抗压降，这将使中性点漂移，从而导致每相相电压发生变化，负荷大的一相电压下降，而负荷小的一相电压上升。在此种电压不平衡工况下运行，将容易烧坏某相电压高的接带用户用电设备，也可能造成某相电压低的接带用户用电设备无法使用。因此系统三相负载不平衡工况时，将很大程度上无法安全运行用电设备。

3 电渣炉克服三相不平衡供电的方案

3.1 采用低频电源供电

电渣炉供电方式如图1所示。三相电源经过整流变压器将高压电源降到100～120V，在经交交变频器将电源变到熔炼电压及频率，即30～120V；1～10Hz。

优点：三相平衡；短网电抗小；功率因数高。

缺点：投资大；系统维护复杂。

3.2 采用SVG动态补偿

SVG（又称ASVG或STATCOM）是Static Var Generator的缩写，叫做静止无功发生器（注意不是静态），也是做无功补偿的。静止无功器（SVG）是一款兼具三相不平衡及无功补偿的产品，它们可以在补偿无功提高功率因数的基础上，解决三相不平衡电流。其原理是通过CT实时检测电流信息，然后将采集信息发给DSP数字控制处理器分析，之后驱动功率电路、和利用内部储能电容将系统三相不平衡电流转移、均匀分配，使三相电流达到平衡状态，具体原理如下（以SVG为例）：

如图2所示，假设A、B、C三相负载电流分别为：5A、10A、15A，这时候我们就认为此系统的三相电流出现了不平衡，三相电流完全平衡的状态应该是A、B、C三相电流全部为10A。

SVG在运行时，会通过连接电流互感器（CT）反映到综合保护器上导出系统实时电流，再通过内部控制器将导出的电流参数信息进行处理，控制器采样分析后， SVG就能计算出需要转换三相电流达到平衡状态的电流值，同时使系统恢复电流平衡状态。以图2说明，要想达到系统平衡状态，需要A相电流增加5A，B相电流10A正好与电网电流相同，则无需调整，而C相电流需要减少5A。经分析之后，控制器就会发出信号给IGBT驱动电路，促使IGBT驱动动作，从而实现C相电流流入SVG 5A，再从SVG内部流出5A到A相。就使A、B、C三相电流重新达到平衡，而电网的三相总电流则保持不变。并且这一系列驱动动作及分析采样处理都是在很短的时间内实现的，在这个过程中 SVG只是起到一个重新分流的作用，只需消耗很小一部分的能量。

SVG是在一瞬间将其收发电流的有效值达到平衡的，所以可以把这个动作过程的结果归结为分流作用，让系统三相电流有效值重新处于平衡状态。当系统三相电流都偏离平衡点时，补偿原理与以上所述的两相偏离平衡点的状况类似。其根本原则就是将某相多出来的电流存储到SVG母线电容中，然后从母线电容取出电流补偿需要补偿的某相。

由于SVG治理三相不平衡面向的对象是电流且实时采集，使得无论负载分布如何、消耗时间不同，只要是由于负载变化检测出的三相电流不平衡，SVG都能使电网快速恢复平衡电流状态，这就比传统解决三相不平衡方法主观快捷，而且相比“电感与电容组合调整”这类不平衡治理方式，SVG治理三相不平衡时安装更简便、无需前期繁琐的计算、接入方法的堪忧，能即装即治。与SVC相比较，SVG具有谐波含量少、控制能力强、同容量下占地面积小等优点。

3.3 设立企业总降压变电站与电业局协商

根据分析，变压器一次电压提高，且提供一定余容量，即可减少电渣炉产生的不平衡对电网的影响。一般认为单相变压器占上级容量的小于15%，则不会影响上级三相平衡。上级变压器一般预留足够的余量，电渣炉变压器所引起的不平衡不会对10kV供电系统产生较大的影响。

4 结语

本文针对电渣炉电源问题对供电系统的影响，开展了对电渣炉供电方式、熔炼变压器进行理论分析，指出了电渣炉在冶炼过程中造成系统三相不平衡及其变压器负荷的影响，并得出结论采用低频电源供电和SVG动态补偿来克服三相不平衡，确保供电系统安全平稳运行。

参考文献：

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[3]顾建军，李凯，郑永征.交流电弧炉系统建模与仿真研究[J].冶金动力，2010（02）.