SVC（TCR+FC）在精炼炉上的设计及应用

    许广路  安世敏  刘海涛  高 磊

摘要：精炼炉在加热钢水时会对电网造成无功冲击、功率因数低、谐波、电压闪变、电压波动、电压及电流不平衡等不利影响。本文详细论述了解决以上问题的所采取的方案。
关键词：精炼炉 功率因数  谐波 电压闪变 电压波动
一、   问题的提出
邯钢三炼钢厂共有3座120吨的精炼炉，炉变为35kv 20MVA。精炼炉在加热钢水时会对电网造成无功冲击、高次谐波、电压闪变、电压波动、三相电压及电流不平衡、功率因数低等不利影响。其功率因数仅为0.75，２次、３次谐波超标，对电网造成了极大危害而且多次出现高压断路器和供电电缆出现绝缘故障。因此，必须对该供电系统进行采取动态无功补偿措施，对电网进行治理。
二、  供电系统基本情况
１、三炼钢厂精炼炉供电系统的主接线图：如图１所示，三炼钢厂的3座20MVA的精炼炉由邯钢04变电站配出。
 
 
２、供电系统的基本参数
l  系统的短路容量：
220KVA母线：Skmax=8403MVA, Skmin=5882MVA
35KVA母线：Skmax=865MVA, Skmin=680MVA
l  1#、2#主变压器基本参数
型号：SFPSZ8-120000/220
额定容量：120MVA
额定电压：220+8×1.25%/37/11KV
短路阻抗：Ud(1-2)=13%, Ud(1-3)=23%, Ud(2-3)=8%
l  120吨精炼炉炉变基本技术参数：
型号：HJSSPZ-20000/35
额定容量： 20MVA
额定一次电压：３５KV
二次电压：320/311/302/294/278/264/251/229/207/188/170,共11级。294V以上为恒功率，以下为恒电流。
一次电流：330A
二次电流：39000A(294V时)
短路阻抗：６％(294V时)
３、未采用SVC时的系统情况。
平均功率因数仅为0.75左右，２次、３次谐波电流分别为49.78A和40.35A，均超过了国家标准，其它谐波电流不超标。其它参数不超标。
４、应达到的指标
根据国家相关标准和三炼钢厂的实际情况，要求达到下列指标。
l  谐波电压：
电网标称电压KV 电压总谐波畸变率％ 奇次谐波％ 偶次谐波％
35KV 3.0％ 2.4％ 1.2％
220KV 2.0％ 1.6％ 0.8％

 
l  电压波动及闪变
电压波动限值：<2％；闪变：Pst<0.8％
l  三相电压不平衡度
长期≤2％，瞬时小于≤4％。
l  月平均功率因数：0.95（按２台精炼炉考虑）
三、 SVC方案的确定
根据对三炼钢厂35KV电网电能质量的实际测试和三炼钢厂的实际生产情况，决定在35KV母线安装一套SVC（静止型动态无功补偿装置）。补偿容量按２台120吨精炼炉同时工作考虑，其中２＃精炼炉长期补偿，１＃精炼炉和３＃精炼炉任意补偿一台（见图１虚框中SVC系统）。SVC系统采用TCR+FC型补偿方式,根据精炼炉的工作特点必须满足分相调节要求。考虑到日常的维护量和可*性，冷却方式采用鞍山荣信热管型冷却方式。
四、SVC系统设计
１、SVC系统一次回路设计方案，见图２
 
图中： TCR部分采用三角型接法；
 
２、TCR+FC型SVC的控制原理
SVC如图２接入系统中，滤波器FC提供固定的容性无功，补偿电抗器提供感性无功。只要能做到QN=QV-QC+QTCR=常数（或0），就能实现电网功率因数=常数，电网电压几乎不波动。
式中：QN为系统公共连接点（35KV进线）的无功功率；
QV为精炼炉所需的无功，它随着生产的节奏随时变化；
QC为电容器补偿装置发出的无功功率，它是固定不变的。始终在向系统注入容性无功。
QTCR为可调(可控)电抗器吸收的无功功率，要求必须具备电流及无功功率连续可调， 响应速度快（约为10ms），可以分相调节，补偿不对称负荷的能力。
３、系统的组成
３.1、补偿功率因数所需电容容量的选取
一台精炼炉QC＝1.1P×(tgα1- tgα2)=9.086Mvar  tgα1 、tgα2为补偿前、后功率因数的正切值 。两台为：18.172 Mvar。
　　考虑到留有一定余量，选取补偿容量为２０Mvar。
３.2、晶闸管控制电抗器)TCR部分
l  TCR动态补偿系统的主要组成部分为：
— 电抗器，由于保护原因每相分为两部分
— 反并联连接的晶闸管阀
— 电子控制及触发电路
电抗器采用D形连接，在对称运行时可以抵消3次谐波。三角形连接的三相交流控制器在谐波方面可以等效为6脉动电路(见图２)。
l  TCR动态补偿系统控制原理
如图3所示，SVC控制部分由控制柜、脉冲柜和功率单元组成。控制柜的作用是通过采集系统信号经内部计算处理后发出触发脉冲，同时检测可控硅击穿、触发脉冲丢失和TCR过流等。脉冲柜将触发脉冲转变为符合要求的脉冲信号，触发可控硅。功率单元串入电抗器回路，通过控制晶闸管的触发
角使电抗器产生补偿所需的电流。通过在α=180º和α=90º之间调节触发脉冲，可以使电抗器电流(即无功功率)在0～最大值之间变化。在α=90时，电流为连续正弦波形，当控制角大于90º时，由于对电流正弦波形的切割作用会产生谐波分量，其幅值与电流值大小(即控制角)有关。
补偿电抗器电纳值与导通角的关系如下：
Br=
其中：　　
α为电抗器触发角；L为电抗器额定电感值
l  TCR容量的选取
根据220KV和35KV短路容量，三炼钢厂精炼炉工作时实测电能情况和需达到的功率因数等指标要求来选择TCR的容量。同时考虑到防止无功倒送和调节三相不平衡，必须大于补偿电容量。TCR的容量选取２２Mvar。
3.3、滤波器部分选择
l  谐波电流的计算
根据相关理论资料，先计算每台精炼炉的谐波量，然后对多个谐波源同次谐波电流进行叠加计算。公式如下：
 
In= (I1n2+ I2n2+2 I1n I2nCOSΦn)1/2
I1n第一个谐波源的n次谐波电流；
I2n第一个谐波源的n次谐波电流；
Φn两个谐波源的谐波电流间的相位角；
l  滤波器设计原则
ａ、滤波器发出的无功应满足补偿功率因数、抑制电压波动和闪变的要求
ｂ、滤波器的额定电压应能够保证滤波器安全可*运行
ｃ、滤波器分组应满足消除谐波电流的要求
l  根据以上原则，经仿真计算，滤波器设２、３次两个滤波通道，３次为高通滤波器。总安装容量为37440Kvar，基波补偿容量为20178 Kvar。下表为电容和电抗的配置表：
谐波次数 2次 3次
总电容容量Kvar 18720 18720
基波补偿电容Kvar 9953 10225
额定电感mH 3×137 3×49 
 
五、补偿后效果
两台精炼炉同时补偿时：
功率因数：0.98；
2次谐波电流：11.09A; 3次谐波电流：17.51A
电压畸变率:A相1.28%，B相1.15%，C相1.37%，
电压波动值：<1.3％；
三相电压不平衡度: <1.3％
六、结束语
该装置于2005年8月在邯钢三炼钢厂投入使用，使电网功率因数由原来的0.75增加到0.98，电网供电质量大大提高。既节约了容量费，又降低了故障率。
该装置投运前，邯钢04变电站运行了两台120MVA的变压器。该装置投运后，由于功率因数的提高，04变电站仅用1台变压器就能满足生产要求。容量费按18元/KVA计算，邯钢每年节省容量费为2592万元，该项目投资为1360万元，7个月即可收回投资。
另外，在该装置投运前，由于谐波含量超标，35KV供电系统多次出现故障，35KV高压真空断路器每年都会出现2-3次灭弧室损坏，35KV电缆头也曾经损坏过一次。该装置投运后未出现过灭弧室损坏和电缆损坏故障。自投运以来，系统运行稳定。