摘要：超高功率電弧爐在正常生產(chǎn)時會對電網(wǎng)造成高次諧波、電壓閃變、電壓波動、三相電壓及電流不平衡、功率因數(shù)低等不利影響，而且超過電能質量各項指標國家標準。本文逐項進行定性分析，并對幾種常見型式的SVC裝置作比較，無源與有源濾波的應用和技術發(fā)展作了闡述，以形成一個完整的概念和防護方法。 
　　現(xiàn)代煉鋼電弧爐的基本功能是將盡可能多的電功率輸入到熔池內(nèi)，以獲得高的生產(chǎn)率和低的物料、能量消耗以及好的環(huán)保指標。煉鋼電弧爐按其噸鋼平均變壓器額定容量,或單位爐膛面積平均變壓器額定容量分為普通功率(RP)、高功率(HP)和超高功率(UHP)三種。超高功率電弧爐概念自70年代提出，目標在于極大地提高電弧爐煉鋼的生產(chǎn)率和降低成本，開創(chuàng)了電弧爐煉鋼技術發(fā)展新紀元。但由于生產(chǎn)時對電網(wǎng)影響與干擾是多方面的，實踐中也發(fā)現(xiàn)了涉及到電能質量的所有方面。由于超高功率電弧爐的變壓器功率水平高，變壓器容量高達數(shù)十兆伏安，在煉鋼過程中對電網(wǎng)造成嚴重的沖擊和干擾，這些“公害”必須加以控制和治理。 
1　對電網(wǎng)的干擾 
1.1　功率因數(shù)低 
　　電弧爐從電網(wǎng)獲得電能，其中一部分轉化為有用的熱能，而另一部分則為無功能量。為了使電弧能穩(wěn)定燃燒，電弧爐的功率因數(shù)不能取得太高。因電弧爐負載是高感性的，電弧爐的接入使供電電網(wǎng)的功率因數(shù)惡化。超高功率電弧爐運行在熔化期時，功率因數(shù)甚至低到0.1，這樣引起母線電壓嚴重降低。電壓降低又相應降低電弧爐的有功功率，使熔化期延長，生產(chǎn)率下降。 
1.2　電壓閃爍和波動 
　　超高功率電弧爐是供電電網(wǎng)的很大的負載，而且在運行中經(jīng)常產(chǎn)生突然的、強烈的電壓沖擊，導致電網(wǎng)電壓的快速波動，頻率為0.1～30Hz。頻率在1～10Hz之間的電壓波動會引起照明白熾燈和電視畫面的閃爍，使人們感到煩躁，這類干擾稱之為“閃爍”或“閃變”。強烈的閃爍會造成電機轉動不穩(wěn)定，電子裝置誤動作甚至損壞，也會使電網(wǎng)供電的用戶(包括電弧爐本身)的實際功率減少，閃爍是對電網(wǎng)的一種公害。 
對于實際的、有限容量的電網(wǎng)，電弧爐負載引起的電網(wǎng)電壓波動百分數(shù)為 
ΔU％=ΔQ/Sk×100％　　 　(1) 
　　式中　ΔQ——無功功率的沖擊量，Mvar; 
Sk——本電弧爐供電母線最小短路容量，MVA。 
　　考慮到電弧爐的正常運行狀態(tài)與短路狀態(tài)之間的無功功率變動大致與爐子變壓器的額定容量相當，即ΔQmax≈SF，故可以用下式來估算電網(wǎng)上最大波動百分數(shù) 
ΔUmax％=SF/Sk×100％　 　　(2) 
　　國標《電能質量·電壓允許波動和閃變》(GB12326—2000)規(guī)定了電力系統(tǒng)公共連接點的電壓波動和閃變電壓允許值。超高功率電弧爐在其運行過程中產(chǎn)生的波動和閃變往往都超過這個規(guī)定值，必須加以抑制。 
1.3　三相電壓與電流不對稱 
　　引起電網(wǎng)供電質量變差的另一個重要問題是電弧爐三相負載不對稱引起的電網(wǎng)三相電壓及三相電流的不對稱。其后果是相關電網(wǎng)的所有用戶(包括電弧爐)的經(jīng)濟性和生產(chǎn)率降低。分析表明，在公共連接處電網(wǎng)短路容量Sk比電弧爐變壓器額定容量SF高50倍以上時，電弧爐三相負載不對稱所造成的電網(wǎng)電壓的不對稱性未超過國標《電能質量·三相電壓允許不平衡度》(GB/T15543—1995)中規(guī)定的允許值。 
　　當前電弧爐大型化、更超高功率化，結果供電電網(wǎng)的容量往往只有電弧爐變壓器容量的20～40倍或更低，故必須采用補償。 
1.4　高次諧波 
　　交流電弧爐在煉鋼過程中其電流會產(chǎn)生非正弦畸變和各次諧波，對電網(wǎng)造成干擾。其主要原因有： 
(1)電弧的電阻值不恒定，并且在交流電弧的半個周期中電弧電阻也在變動，這造成電弧電流的非正弦畸變。 
(2)交流電的正負半周換相，石墨電極和鋼交替作陰極和陽極，因不同材料的發(fā)射電子能力不一樣，故使電流的正負兩個半周的波形不對稱，造成偶次諧波。 
(3)三相電弧不均衡，導致三次諧波。 
(4)供電系統(tǒng)連接的各種諧波源導致各種諧波的形成，如靜補裝置中的整流器等。 
　　電弧爐的諧波電流成份主要為2～7次，其中2、3次最大，其平均值可達基波分量的5％～10％，諧波電流流入電網(wǎng)，使電壓波形發(fā)生畸變，引起電氣設備發(fā)熱、振動以及保護誤動作等。國標《電能質量·公用電網(wǎng)諧波》(GB/T14549—93)對綜合電壓畸變率、諧波電流注入量均作了具體規(guī)定，為抑制電弧爐產(chǎn)生的諧波提供了依據(jù)和標準。

2　抑制電弧爐對電網(wǎng)和自身影響的途徑 
　　抑制超高功率電弧爐干擾的途徑總的來講有二：一是提高供電電源的電壓等級，以提高與電網(wǎng)公共連接點的短路容量，使其對電網(wǎng)和自身的影響在允許范圍內(nèi)；二是采用SVC裝置，使其多項指標限制在允許范圍內(nèi)。兩種途徑相比，途徑一是治標的方法，因為電爐對電網(wǎng)和自身影響的各種量值并未消除，而是送到更高電壓級的電網(wǎng)去擴散，隨著電爐不斷建設發(fā)展，這些量值在電網(wǎng)中增加積累，泛濫成災，將會形成電網(wǎng)所不能接受的程度，而增加了對廣大用戶的影響，因此，使用范圍越來越小。途徑二是治本的辦法，它使電爐對電網(wǎng)和自身影響的各種量值大部分就地消除了，故其使用范圍越來越大，前途廣闊。  

 
2.1　SVC裝置 
　　近些年來發(fā)展起來的SVC裝置是一種快速調(diào)節(jié)無功功率的裝置，已成功地用于電力、冶金、采礦和電氣化鐵道等沖擊性負荷的補償上，它可使所需無功功率作隨機調(diào)整，從而保持在電弧爐等沖擊性負荷連接點的系統(tǒng)水平的恒定 
Qi=QD＋QL－QC　　　 (3) 
　　式(3)中Qi、QD、QL、QC分別為系統(tǒng)公共連接點的無功功率、負荷所需的無功功率、可調(diào)(可控)電抗器吸收的無功功率、電容器補償裝置發(fā)出的無功功率，單位均為kvar。 
　　當負荷產(chǎn)生沖擊無功ΔQD時，將引起 
ΔQi=ΔQD＋ΔQL－ΔQC　　 　(4) 
　　式中ΔQC=0，欲保持Qi不變，即ΔQi=0，則ΔQD=－ΔQL，即SVC裝置中感性無功功率隨沖擊負荷無功功率作隨機調(diào)整，此時電壓水平能保持恒定不變。
SVC由可控支路和固定(或可變)電容器支路并聯(lián)而成，主要有四種型式。 
(1)可控硅閥控制空芯電抗器型(稱TCR型)　它用可控硅閥控制線性電抗器實現(xiàn)快速連續(xù)的無功功率調(diào)節(jié)，它具有反應時間快(5～20ms)、運行可靠、無級補償、分相調(diào)節(jié)、能平衡有功、適用范圍廣、價格便宜等優(yōu)點。TCR裝置還能實現(xiàn)分相控制，有較好的抑制不對稱負荷的能力，因而在電弧爐系統(tǒng)中采用最廣泛，但這種裝置采用了先進的電子和光導纖維技術，對維護人員要專門培訓提高維護水平。 
(2)可控硅閥控制高阻抗變壓器型(TCT型)　優(yōu)點與TCR型差不多，但高阻抗變壓器制造復雜，諧波分量也略大一些。由于有油，要求一級放火，只宜布置在一層平面或戶外，容量在30Mvar以上時價格較貴，而不能得到廣泛采用。 
(3)可控硅開關控制電容器型(TSC型)　分相調(diào)節(jié)，直接補償，裝置本身不產(chǎn)生諧波，損耗小，但是它是有級調(diào)節(jié)，綜合價格比較高。 
(4)自飽和電抗器型(SSR型)　維護較簡單，運行可靠，過載能力強，響應速度快，降低閃變效果好，但其噪聲大，原材料消耗大，補償不對稱電爐負荷自身產(chǎn)生較大諧波電流，無平衡有功負荷能力。 
2.2　無源濾波裝置 
　　該裝置由電容器、電抗器，有時還包括電阻器等無源元件組成，以對某次諧波或以上次諧波形成低阻抗通路，以達到抑制高次諧波的作用。由于SVC的調(diào)節(jié)范圍要由感性區(qū)擴大到容性區(qū)，所以濾波器與動態(tài)控制的電抗器一起并聯(lián)，這樣既滿足無功補償、改善功率因數(shù)，又能消除高次諧波的影響。 
　　國際上用于大型煉鋼電弧爐的濾波器種類有：各階次單調(diào)諧濾波器、雙調(diào)諧濾波器、二階寬頻帶與三階寬頻帶高通濾波器等。 
(1)單調(diào)諧濾波器　一階單調(diào)諧濾波器的優(yōu)點是濾波效果好，結構簡單，缺點是電能損耗比較大，但隨著品質因數(shù)的提高而減少，同時又隨諧波次數(shù)的減少而增加，而電爐正好是低次諧波，主要是2～7次，因此，基波損耗較大。二階單調(diào)諧濾波器當品質因數(shù)在50以下時，基波損耗可減少20％～50％，屬節(jié)能型，濾波效果等效。三階單調(diào)諧濾波器是損耗最小的濾波器，但組成復雜些，投資也高些，用于電弧爐系統(tǒng)中，2次濾波器選用三階濾波器為好，其他次選用二階單調(diào)諧濾波器。 
(2)高通(寬頻帶)濾波器　一般用于某次及以上次的諧波抑制。當在電弧爐系統(tǒng)中采用時，對5次以上起濾波作用時，通過參數(shù)調(diào)整，可形成該濾波器回路對5次及以上次諧波形成低阻抗通路。 
　　用于大型電爐的濾波器組合最基本的有兩類：一是用3～5組單調(diào)諧濾波器組成，二是由2～4組單調(diào)諧濾波器和一組二階寬頻帶濾波器組成。第一類組合對高次諧波濾波效果要差一些，但電能損耗低些；第二類組合對高次數(shù)濾波效果好，分工也明確，設計也簡單容易些。兩者組合各有優(yōu)缺點，總的發(fā)展趨勢是在濾波效果好的前提下減少組數(shù)，以節(jié)省占地和投資，又要盡可能優(yōu)化組合以節(jié)省電能損耗。