（电气工程专业论文）电炉等冲击负荷对电网的影响研究.pdf

摘要 近年来，张家港地区相继投产了大量的轧钢、电弧炉等设备。这些设备的接入，在张家港 电网中产生不断变化的冲击负荷。大量冲击负荷的连续运行，对该区域电网电压、频率、电气 设备产生较大影响，导致该区域电网在运行过程中存在较大的安全隐患，可能损坏电气设备， 甚至引起大的电网事故。 本文着重分析研究了冲击负荷对张家港电网运行的各种影响，并针对电弧炉负荷主要的有 功、无功冲击负荷对电网的影响进行仿真，探讨了减少这些影响可采取的措施，为今后该区域 电网安全稳定运行提供了参考。 本文首先简要介绍对电网产生较大冲击负荷的电弧炉，并具体阐述了电弧炉对电网产生的 若干影响及抑制措施。然后利用a t p - e m t p 程序，通过对冲击负荷、发电机及其励磁系统进 行详细建模，仿真计算各种工况下发电机和励磁系统的响应，研究冲击性负荷对发电机影响的 程度，为今后冲击负荷接入系统提供了参考。 关键词：冲击负荷，电压波动，a t p - e m t p a b s t r a c t a b s t r a c t r e c e n ty e a r s ，m a n ym a n - s i z e de q u i p m e n t ss u c ha ss t e e lr o l l i n g sa r ep u ti n t op r o d u c t i o ni n z h a n g i i a g a n ga r e a w i t ht h e s ee q u i p m e n t se o t m e c t i n gi n t oz h a n g i i a g a n gp o w e rg d d i n c e s s a n t v a r i a t i o n a li m p a c t i v el o a di sp r o d u c e d a b u n d a n ti m p a c t i v el o a dr u ni nz h a n g i i a g a n gp o w e r 鲥d c o n t i n u o u s l yw i l la f f e c tt h eq u a l 时o ft h ep o w e rs u c ha sv o l t a g e ，f r e q u e n c ya n da f f e c tt h ee l e c t r i c e q u i p m e n t s ，a n dt h e s el o a d sw i l lr e s u l tt h eh i d d e nt r o u b l eo fs a f e t ye x i s t i n gi nz h a n g i i a g a n gp o w e r g r i d t h e ym a yd a m a g ee c l e c t i ce q u i p m e n t sa n de v e n 晰n gm o r ep o w e rg r i d sa c c i d e n t t h i sp a p e re m p h a s e so nr e s e a r c h i n ga n da n a l y z i n gt h ei n f e c t i o no fg r i d sc i r c u l a t i o nw h e n i m p a e t i v el o a d sg e ta c r o s st h eg r i d a n db r i n g ss o m er e f e r a b l ed a t ea n ds u g g e s t i o nf o rs a f ea n d s t e a d yr o ni nz h a n g j i a g a n g sp o w e rg r i d f i r s t l y , t h i sp a p e ri n t r o d u c e st h ee l e c t r i ce q u i p m e n tw h i c hm a yb r i n gb i g g i s hi m p a e t i v el o a di n 鲥db r i e f l y , a n di d i o g r a p h i ce x p a t i a t e st h ei n f e c t i o nw h i c ht h ee c l e c t i ce q u i p m e n t sb r i n ga n d i n t r o d u c e ss o m er e s t r a i n i n gm e a s u r e m e n t st od e d u c et h e s e i n f e c t i o n s t h e n ，u s i n gt h ep r o g r a m a t p e m t p ，t h i sp a p e rf o u n d sm o d e l so fi m p a c t i v el o a d s ，d y n a m o t o ra n de x c i t a t i o ns y s t e m d e t a i l e d l y , e m u l a t e sa n da c c o u n t st h er e s p o n s e so fd y n a m o t o ra n de x c i t a t i o ns y s t e mi na l lk i n d so f e k e s ，r e s e a r c h e st h ei n f e c t i o nd e g r e eo fd y n a m o t o rc a u s i n gb yi m p a c t i v el o a d s ，a n db r i n g s s u g g e s t i o n st oi m p a c t i v el o a d sc o n n e c ti n t o 鲥d si nt h ef u t u r e k c y w o r d s ：i m p a e t i v e1 0 札v o l t a g ew a v e , a t p - e m t p i i 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的 学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己 在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论 文的复印件和电子文档，可以采用影印、 子文档的内容和纸质论文的内容相一致。 缩印或其他复制手段保存论文。本人电 除在保密期内的保密论文外，允许论文 被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包 括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 研究生签名：导师签名越 日期：黟，； 东南大学硕士学位论文 1 1 概况 第一章绪论 近几年来，张家港地区钢铁产业逐步规模化、国际化，相继投产了大量的轧 钢、电弧炉、精炼炉等设备。接入2 2 0 k v 张家港电网的大型钢铁企业主要有江苏 沙钢集团有限公司和浦项不锈钢有限公司。这些大型钢铁企业的用电设备( 如电 弧炉、轧钢机等) 接入到张家港电网中，将在电网产生不断变化的冲击负荷。 冲击负荷，是指那些有功功率、无功功率变化剧烈，对电网和发电机组产生 较大冲击和污染的大型非线性冲击负荷，主要是大型冶金企业的电弧炉和轧钢设 备。这种负荷具有功率变化速度快，负荷曲线呈锯齿状，负荷升降速度快，间隔短 等特点。冲击负荷接入电网后，对电网的影响一般包括无功冲击产生的电压波动 和闪变，有功冲击及不对称负荷对发电机设备的影响，谐波对电网电气设备的影 响等方面。无功功率冲击会对电网的电压产生变动，其不对称性也将加剧电网中 三相不平衡度；有功功率冲击会造成整个发电机动力系统中频率和功率振荡以及 对发电机组转子产生扭振，同时冲击负荷对发电机端部绕组产生冲击电动力及由 此而引起强迫振动，对发电设备产生损害，谐波会对电网中的电容器组、变压器、 旋转电机等产生影响。 钢铁企业不仅对供电的可靠性要求很高，而且其内部的供电形式也较为复杂， 一般形成中小型的供电网络，因此是产生冲击负荷的大户，大型钢厂不仅基本负荷 大，冲击负荷也大。对小系统而言将会造成频率的波动，对大电网而言，冲击负 荷的存在，对电网的经济效益将有重大的影响。因此本文对张家港地区开展了冲 击负荷对地区电网的影响研究，并希望能对今后的电网规划、管理、调度运行等 提供参考。 1 2 张家港电网冲击负荷概况 江苏省内接入2 2 0 k v 电网的大型钢铁企业有十几家，变电容量超过1 5 0 0 m v a ， 其中张家港部分大型冲击负荷介绍如下： 1 沙钢集团有限公司具有年产铁9 0 0 万吨、钢1 3 0 0 万吨，是目前国内最大 的电炉钢和优特钢材生产基地。沙钢集团现有超高功率交流电弧炉4 台，通过 2 2 0 k v 永新变电站( 以下简称永新变) 和2 2 0 k v 海力变电站( 以下简称海力变) 4 回2 2 0 k v 线路接入系统，其中7 0 t ( 炉变容量6 5 m v a ) 、9 0 t ( 炉变容量6 5 m v a ) 电弧炉由2 2 0 k v 永新变# 1 主变( 9 0 m v a ) 及# 2 主变( 1 5 0 m v a ) 供电；8 0 t ( 炉 变容量9 0 m v a ) 、1 0 0 t ( 炉变容量为1 0 0 m v a ) 电弧炉由2 2 0 k v 海力变# l 主变 ( 9 0 m v a ) 、# 2 主变( 1 2 0 m v a ) 供电。交流电弧炉在2 2 0 k v 永新变及海力变 的分布情况详见图1 1 图1 2 。 第一章绪论 2 张家港浦项不锈钢有限公司生产规模为年产6 0 万吨不锈钢热轧钢板。用 电负荷约为3 8 0 m w ，设置2 2 0 k v 降压变一座。总降变容量为2 1 6 0 m v a + i 8 0 m v a ，电压等级均为2 2 0 ，3 5 k v 。2 2 0 k v 总降变电气主接线为双母线接线，3 5 k v 系统为单母线三分段接线。# 1 主变( 1 6 0 m v a ) 带1 3 5 t 交流电弧炉设备，目前由 2 2 0 k v 店岸变2 2 0 k v 供电。# 2 主变( 1 6 0 m v a ) 为另两台主变的备用。# 3 主变 ( 8 0 m v a ) 主要带辅助设施和生活区负荷，供轧钢、动力负荷，由2 2 0 k v 柏木变 供电。详见图1 3 。 写与 墓基蓍 9 0 t 电r 3 x 2 0 t 自r 柏术店旱 图1 - 12 2 0 k v 永新变电炉供电现状图1 - 3 浦项总降变电气主接线图 图1 - 22 2 0 k v 海力变电炉供电现状 目前，沙钢集团还将有扩建电弧炉计划，拟在现有电弧炉炼钢规模基础上， 新增1 台1 0 0 t 电弧炉炼钢及其配套设旖，届时，张家港地区仅超高功率电弧炉就 达到6 台之多。 2 w与 炉t o # - 岜 w譬1 6 东南大学硕士学位论文 1 3 国标电能质量简介 电能质量是表征电能品质的优劣程度。电弧炉等冲击负荷接入电网后，将对 电能质量产生影响，主要包括供电电压偏差，在公共连接点( 即p c c 点) 产生电 压波动和闪变，供e ge g 玉, 不平衡，频率变化以及谐波电流等方面。 目前国家技术监督局相继颁布了电能质量各方面的国家标准，列举如下： g b t1 4 5 4 9 1 9 9 3 电能质量公用电网谐波 g b f r1 2 3 2 5 _ 2 0 0 3 电能质量供电电压允许偏差 g b t1 5 5 4 3 1 9 9 5 电能质量三相电压允许不平衡度 g b t1 5 9 4 5 1 9 9 5 电能质量电力系统频率允许偏差 g b1 2 3 2 6 - 2 0 0 0 电能质量电压允许波动和闪变 ( 1 ) 供电电压允许偏差 用电设备的运行指标和额定寿命是对其额定电压而言的。当其端子上出现电 压偏差时，其运行参数和寿命将受到影响，影响程度视偏差的大小、持续的时间 和设备状况而异，电压偏差计算式如下： 电压偏差( ) = ( 实际电压一额定电压) 额定电压x 1 0 0 ( 1 1 ) 根据规定，电力系统在正常运行条件下，3 5 k v 及以上供电电压正、负偏差的 绝对值之和不超过标称系统电压的1 0 t ”。 为了保证用电设备的正常运行，在综合考虑了设备制造和电网建设的经济合 理性后，对各类用户设备规定了如上的允许偏差值，此值为工业企业供配电系统 设计提供了依据。 在工业企业中，改善电压偏差的主要措施有三： a 就地进行无功功率补偿，及时调整无功功率补偿量，无功负荷的变化在电 网各级系统中均产生电压偏差，它是产生电压偏差的源，因此，就地进行无功功 率补偿，及时调整无功功率补偿量，从源上解决问题，是最有效的措施。 b 调整同步电动机的励磁电流，在铭牌规定值的范围内适当调整同步电动机 的励磁电流，使其超前或滞后运行，就能产生超前或滞后的无功功率，从而达到 改善网络负荷的功率因数和调整电压偏差的目的。 c 采用有载调压变压器。 ( 2 ) 电压允许波动和闪变 3 第一章绪论 电压波动( f l u c t u a t i o n ) 即电压方均根值一系列的变动或连续的改变，闪变 ( f l i c k ) 即灯光照度不稳定造成的视感，是由波动负荷，如电弧炉、轧机、电弧 焊机等引起的。 电压波动的限值与波动负荷的电压等级、频度等有关。对于某同一种负荷， 其产生的电压波动具有规律性，一般与电压闪变值有一定的对应关系，例如电弧 炉负荷，一般其电压闪变值约为电压最大波动值的一半。不同类型的负荷或其组 合产生的电压变动与电压闪变之间将有不同的对应关系。 电能质量电压允许波动和闪变( g b 厂r1 2 3 2 6 - 2 0 0 0 ) ，是在原g b l 2 3 2 6 - - 9 0 的基础上，参考了国际电工委员会标准i e c 6 1 0 0 3 7 等修订而成的，该标 准规定了各级电压下电压波动和闪变限值，详见表l l 。 表1 1 各级电压波动和闪变限值 系统电压等级l v ( 低压)m v ( 中压)h v ( 高压) d ，( r 1 ) 443 d 。( 1 r 1 0 ) 332 5 d 。( 1 0 r 1 0 0 ) 22l5 d ，( 1 0 0 r 1 0 0 0 )1 2 51 2 5 1 p 。 1 00 9 ( 1 0 )0 8 p ho 80 7 ( 0 8 ) o 6 注： l 、p 。：和p n 每次测试周期分别取为l o m i n 和2 h 。 2 、系统标称电压u 。等级按以下划分： 低压( l v )u 。l k v 中压( 聊) l k v u 。3 5k v 高压( h v )3 5 k v 玑2 2 0 k v 3 、r 指频度，单位为次d , 时。 表1 1 中的括号内的数值仅适用于公共连接点( p c c ) 连接的所有用户为同电 压等级的场合，p s i 为短时问闪变值，即衡量短时间( 若干分钟) 内闪变强弱的一 个统计量值；p i t 为长时间闪变值，它由p s t 推算出，反映出长时间( 若干小时) 内闪变强弱的一个统计量值。 ( 3 ) 公用电网谐波 谐波( h a r m o n i c ) 即对周期性的变流量进行傅里叶级数分解，得到频率为大 于1 的整数倍基波频率的分量，它是由电网中非线性负荷产生的。 电能质量公用电网谐波( g b 厂r 1 4 5 2 9 1 9 9 3 ) 中规定了电网公共连接点 的谐波电流( 2 2 5 次) 注入的允许值，现截取一些谐波电流分量限制值见表1 - 2 。 4 东南大学硕士学位论文 表1 2注入p c c 点的谐波电流允许值a ，m v a 标准电压基准短路容量3 次5 次7 次9 次1 1 次 1 1 0 k v7 5 09 69 6 6 8 3 24 3 2 2 0 k v2 0 0 0 参照1 1 0 k v 电压等级，与上行相同 并且规定，同一公共连接点的每个用户向电网注入的谐波电流允许值按此用 户在该点的协议容量与其公共连接点的供电设备容量之比进行分配，以体现供配 电的公正性。公用电网谐波电压( 相电压) 限值见表1 - 3 。 表1 3 谐波电压及谐波电压总畸变率限值 电网标称电电压总谐波畸变 各次谐波电压含有率 压 室 奇次偶次 1 1 0 k v2 o1 60 8 2 2 0 k v 参照1 1 0 k v 执行 ( 4 ) 三相电压允许不平衡度 根据g b t1 5 5 4 3 1 9 9 5 电能质量三相电压允许不平衡度规定，接于公 共连接点的每个用户，引起该点正常电压不平衡度允许值一般为1 3 ，根据连接 点的负荷状况，若邻近发电机、继电保护和自动装置安全运行要求，可适当变动， 但必须满足以下条件： 电力系统公共连接点正常电压不平衡度允许值为2 ，短时不得超过4 ，其 短时允许值是指在任何时候均不能超过的限值。 而且，该标准还解释：不平衡度允许值指的是在电力系统正常运行的最小方 式下负荷所引起的电压不平衡度为最大的生产( 运行) 周期中的实测值，例如炼 钢电弧炉应在熔化期测量等。在确定三相电压允许不平衡指标时，该标准规定用 9 5 概率值作为衡量值。 ( 5 ) 电力系统频率允许偏差 电能质量电力系统频率允许偏差( g b 厂r1 5 9 4 5 1 9 9 5 ) 中规定：电力系 统频率偏差允许值为+ o 2 h z 一0 2 h z ，当系统容量较小时，偏差值可放宽到+ o 5 h z - - 0 5 h z 。实际运行中，我国各跨省电力系统频率都保持在+ 0 1 h z 一 0 1 h z 的范围内。 加强电能质量管理，提高电能质量，已经成为电力系统广泛关注的重要内容 之一。若用户的非线性负荷、冲击负荷、非对称负荷对供电质量产生影响或对安 全运行构成干扰和妨碍时，用户必须采取措施加以消除。通过对影响电能质量的 五个方面国家标准的了解，从而为抑制电网谐波“污染”、减小电压波动等找到决策 与设计的依据。 5 第一章绪论 1 4 张家港地区冲击负荷研究已完成的工作 张家港电网冲击负荷较多。为确保该地区超高功率电弧炉及电网能安全稳定 运行，江苏省电力设计院、苏州电力设计研究院对该地区电弧炉等对电网影响做 了大量工作，具体列举如下： ( 1 ) 张家港永新钢厂供电工程张家港永新钢厂冲击负荷影响分析报告 ( 2 ) 张家港永新钢厂供电工程永新钢厂对系统影响分析及2 2 0 千伏钢厂 变电所接入方案报告 ( 3 ) 沙钢集团永新、润忠钢铁有限公司超高功率交流电弧炉冲击负荷对电网 影响分析专题报告 ( 4 ) 江苏沙钢集团( 海力变) 超高功率交流电弧炉冲击负荷对电网影响专题 报告 ( 5 ) 江苏沙钢集团( 海力变) 超高功率交流电弧炉冲击负荷对电网影响复核 计算分析报告 ( 6 ) 张家港浦项不锈钢有限公司供电接入方案及冲击影响专题报告 1 5 本文的主要工作内容 本课题研究的目的就是对张家港电网冲击负荷对电网运行影响的研究分析， 为今后张家港电网安全稳定运行提供一些可参考的数据及建议。 本文主要做了以下工作： 1 简要介绍对电网产生较大冲击负荷的电弧炉，并具体阐述了电弧 炉对电网产生的若干影响及抑制措施。 2 利用a t p e m t p ( t h ea l t e r n a t i v et r a n s i e n t sp r o g r a m t h e e l e c t r o m a g n e t i ct r a n s i e n t sp r o g r a m ) 1 程序，通过对冲击负荷、发 电机及其励磁系统进行详细建模，仿真计算各种工况下发电机和 励磁系统的响应，研究冲击负荷对发电机影响的程度，为今后冲 击负荷接入电网提供参考。 3 本文对张家港地区电弧炉等冲击负荷接入电网后产生的电压质量 及对发电机的影响进行定量的仿真计算分析，结合地区电弧炉负 荷发展对地区电弧炉负荷的供电方式及地区电网运行提出建议。 6 东南大学硕士学位论文 第二章电弧炉等冲击负荷对电网及电气设备的影响综述 2 1 电弧炉简介 由于电弧炉在技术、经济上的优越性，它在炼钢工业中所占的比重越来越大， 成为现代炼钢的重要手段。鉴于沙钢集团有限公司及张家港浦项不锈钢有限公司 两家大型冲击负荷均使用交流电弧炉，下面对交流电弧炉作介绍。 交流电弧炉是利用3 相电极短路产生的电弧来熔化废钢等原料。由于电弧的 高度非线性特性和冶炼过程中三相不断地短路和开路，在炼钢过程中，电弧炉将 产生谐波、负序、电压波动和闪变、无功冲击、有功冲击。 电弧炉的炼钢过程有三个时期：熔化期、氧化期和还原期。 熔化期：在电弧刚刚起燃时由于炉料温度较低，电弧不易稳定燃烧，电弧在 炉料上随机移动使电弧电流的波形和有效值大小的变化很不规则，部分炉料熔化 后产生炉料倒塌使电极短路，从而引起电流冲击。由于三相耦合作用，某相短路 后其他相可能未经炉料短路，三相电弧电流的波动过程更加明显。 氧化期：由于钢液的强烈沸腾，电弧的等效弧长发生波动，造成电弧电流长 时间不规则波动。 还原期：燃弧较稳定，输入电弧炉的电流、电压变化规律也较稳定，谐波问 题较前两个阶段明显好转。 电弧炉是一个激烈变动的负荷，尤其是在熔化初期，电流变动的范围常达到 电炉变压器额定电流的0 3 0 0 。交流电弧炉简化单线图和运行功率圆图分别如 图2 - 1 ( a ) 、2 - l ( b ) 所示。其中，u o 为供电电压，x o 为电弧炉供电回路的总阻抗 ( 包括供电系统、电炉变压器和电极阻抗) ；r 为回路的总电阻，以可变的电弧电 阻为主，p + j q 为电路复功率。 当r 变化时，电弧炉运行的功率p 、q 如图2 - 1 0 3 ) 所示，按半圆轨迹移动，其 直径坳2 岛= 诉矗为理想的最大短路( r _ o ) 容量。图2 - 1 ( b ) 中a 点为熔化期的额 定运行点，相应的回路阻抗角c o s 。o 7 0 8 5 ，b 点为电极三相短路运行点，此时 r a = 0 ，短路回路阻抗角c o s c p s2o l 0 2 。 交流电弧炉生产时，其电压和电流频繁随机变化，主要由于电弧长度的随机 变化、电极间和电极与炉料、钢水间的频繁短路和开路产生的。而变化的频度和 大小取决于很多因素，包括：炉料形状、炉体结构、电极的机械强度、废钢的温 7 第二章电弧炉等冲击负荷对电网及电气设备的影响综述 度、是否吹氧等。特别在塌料的时候，电弧长度不断改变，有功功率也持续较大 变化。在图2 1 ( b ) 的a 、b 点问频繁变动，对电网产生较大的冲击。 ( a )( b ) 图2 - 1 交流电弧炉等值电路单线图和功率圆图 交流电弧炉电气特点主要表现为以下四个方面 ( 1 ) 电压闪变和波动 随着电弧炉电流的增加，无功功率q 急剧增大，必将引起从电力系统吸收的 无功功率剧烈变动，一般电弧炉负荷产生的变动频率为0 1 3 0 h z ，从而在电力系 统公共母线上产生剧烈的电压波动和闪变。 ( 2 ) 功率因数低 为使电弧能稳定燃烧，电弧炉的功率因数不能取得太高，因此电弧炉负荷是 高感性的，超高功率电弧炉运行在熔化期时，功率因数甚至低到o 1 ，这样引起母 线电压严重降低。电压降低又相应降低电弧炉的有功功率，使熔化期延长，生产 率下降。 ( 3 ) 负序分量 电炉在熔化期，各相电弧电压是独立变化的，三相电弧各自发生急剧无规则 变化，故其三相电流是不对称的。在正常生产情况下产生的负序电流约为电炉变 压器额定电流的2 0 左右；在不正常情况下，如一相断弧时，可达5 6 左右，如 两相短路的同时，第三相又断弧，此时可达8 6 左右，负序电流流入电网，使电 网电压产生负序分量，影响用电设备使用效果，严重时可能造成损坏，还会使继 电保护误动作。 ( 4 ) 高次谐波 8 东南大学硕士学位论文 交流电弧炉的谐波电流成份主要为2 7 次，其中2 ，3 次最大，其平均值可 达基波分量的5 1 0 ，谐波电流流入电网，使电压波形发生畸变，引起电气设 备发热、振动以及保护误动作等。 2 2 电弧炉产生的电压波动及闪变 电弧炉在运行过程中伴随着突然的、剧烈的无功功率冲击，导致电网电压的 快速波动，电压波动将会引发开关或接触器掉电、计算机发生计算错误甚至数据 丢失、用电设备无法正常开启、并联电容器导致谐振过流、导线绝缘遭到破坏甚 至击穿、电气设备热损耗增加、电光源出现眩光、设备器件过早老化等危害。 若在一段时间内电压持续波动，就可能引起低压电网中照明负荷的亮度发生 变化。这种人眼能感受到的灯光闪烁现象称为闪变。波动频率不同，对视觉的影 响也不同，而且这种感觉还因人而异通常把这种特性称为闪变敏感度频率特性 ( 见图2 - 1 ) 。 0 o o l0 n lo 5l 图2 - 1闪变敏感度频率特性 电弧炉波动频率一般为0 1 3 0 h z ，且波动幅值基本上与其频率成反比。影响 电压闪变的因素可分为电气因素与非电气因素。 电气方面的因素主要有： ( 1 ) 系统短路容量。系统短路容量越大，电弧炉在系统母线上产生的电压波 动和闪变越小。 ( 2 ) 电弧炉回路阻抗。回路阻抗越大，电弧电流变化越小，闪变越小。 ( 3 ) 电弧炉无功的变动量及其变化频度。在同一频度下，无功功率变动量越 大，闪变越严重。 非电气方面的因素主要是：操作程序、炉子容量和熔化时间、是否采取热装 钢水、有无废钢预热装置、是否吹氧、废钢的材质、形状及装入顺序等。 9 0 8 6 4 2 l o 0 o o 第二章电弧炉等冲击负荷对电网及电气设备的影响综述 电弧炉处于熔化初期( 起弧和穿孔阶段) 到塌料阶段时功率变化最为剧烈， 而在精炼期，负荷波动趋于平稳。实测表明，无功冲击最大值一般出现在熔化期 的塌料阶段，最大冲击变化量可达电炉变压器容量的1 5 倍。无功冲击将导致电网 电压波动，带来电压闪变的危害。 预测电弧炉最大无功变动量可用式( 2 2 1 、2 2 2 ) 估算： a q n l a x = c e = o e o c ：一o b s i n # a 一一o a s i n , , ：丽s i n 2 九一s i n 2 九) ( 2 2 - 1 ) 所以，q m a x ：& i s i n 2 九一s i n 2 九) ，由于8 i n 2 九“1 ，可知： q m a x s c o s 2 九 实际上，电弧炉在融化期电极和炉料( 或融化期钢水) 接触时可以有开路或 短路两种极端状态，若相继出现这两种极端状态，则此时： q i i l a x & ( 2 2 - 2 ) j ：r l a p + x l a q x l 0 0 。, 4 在得出a q m a x 之后，可利用 u ” 计算出电压波动值，进 而得到电弧炉产生的闪变值。 2 3 谐波电流的产生及其影响 由于自身设备的工作特性，电弧炉已经成为常见的谐波源。电弧炉产生的谐 波电流有如下特点：谐波电流瞬时变化快，主要集中在2 7 次。其中2 、3 次最大， 其平均值可达基波分量的5 1 0 ，最大可达1 5 3 0 ；4 - 7 次平均值为2 - 6 ， 最大值可达6 1 5 。 电弧炉产生的高次谐波会产生谐波损耗，使发电、变电和用电设备效率降低， 加速电力电缆绝缘老化，影响继电保护自动装置动作的准确性，对通信线路和控 制信号造成电磁和射频干扰。由于谐波电流的存在，设备的损耗可通过式( 2 3 1 ) ( 2 3 3 ) 确定： l o 东南大学硕士学位论文 铜耗：a p r = t h d ；& = t h d ；+ 气 ( 2 3 1 ) 铁耗： 最一一基频下电阻的功率损耗； 删、删一一电流、电压总谐波畸变率； 最= 矗( 书+ 气+ 而2 ( 争忍。 ( 2 3 - 2 ) 2 r ， r h = l 1 1h ；l 1 1 1 ，一一指数，其值取决于铁芯材料； h - - 一谐波次数： 厶一一磁化电流的第h 次谐波峰值； 只l 一一基波时的磁滞损耗； 一一基波时的涡流损耗； 介质旒乃= 荟唧2 兄一一基波时的介质损耗； 圪一一第h 次谐波的峰值电压； 2 4 有功冲击对发电机组的影响 电弧炉在冶炼过程中其冶炼功率的增加主要通过调整电炉变次级电压分头来 进行，在达到额定功率时电压分头相对固定，以额定恒功率进行冶炼。在冶炼熔 化过程中由于控制、操作等原因电炉会出现较大的功率陡降和陡升。电炉功率的 陡升、陡降将给钢厂附近的大、小电厂带来影响。冲击功率在系统发电机组间的 功率分配大致由下述三阶段构成： ( 1 ) 冲击瞬间由于冲击母线电压相位突变造成系统中所有机组对冲击点的功 角有一个角增量，各机组按其功角特性曲线初始运行点的斜率( 整步功率) 的大 第二章电弧炉等冲击负荷对电网及电气设备的影响综述 小来分担冲击功率，因此在电气上靠近冲击点的机组将承担较大的负荷，而与其 容量大小无关； ( 2 ) 当各机组受到有功功率的冲击后，由于此时原动机出力不变，各机组将 作减速运动( 减速度各不相等) 。在系统整步功率作用下各机组趋向一个平均减 速度，各自按转子动能大小供出惯性功率； ( 3 ) 电网频率降低到越过机组调速系统不灵敏区后，调速器开始动作，企图 把转速恢复至原来数值。在全网原动机调速器共同作用下最终达到新的平衡，各 机组承担的功率变量与它们各自调节速度成正比。 正是由于系统中机组在各阶段供出( 吸收) 的功率不同，因此在由初始状态 依次向三个阶段过渡时，将在整个动力系统中造成频率和功率振荡。电力系统冲 击负荷急剧变化( 近似阶跃脉冲序列) ，所以对系统危害比较严重。例如，有功冲 击负荷会使系统频率和功率振荡，造成同步电机摇摆，严重时会使同步电机转轴 扭坏或造成系统解列。 有功冲击一般可采用程序如e m t p 及电力系统分析综合程序( 中国电力科学研 究院) 等进行计算。 有功冲击负荷对邻近发电机组的影响有以下几个方面： ( 1 ) 有功和无功功率冲击引起发电机调速器、励磁调节器频繁动作，运行 点超出出力限制或失去稳定。 ( 2 ) 有功功率冲击如引起发电机功率大幅度变化，影响锅炉和汽机的运行 和寿命。 ( 3 ) 有功的大幅度波动将引起锅炉蓄热、汽包压力及过热器压力，给水调 节阀频繁往复动作，给水流量剧烈波动，水位频繁大幅度变化； 总的来说，汽轮机可以接受最大连续负荷以内的任何负荷。但有功功率变化 速率和幅度如超出汽轮机的限制，将引起轴系寿命损失；汽轮机负荷变化时，汽 轮机轴向推力急剧变化，汽轮机内各级汽温都发生变化，而调节级汽温变化尤为 明显，2 0 0 m w 汽轮机定压运行在额定参数状态下，从额定负荷变化到空负荷，调节 级汽温变化约为1 0 0 左右。温度的剧变对转子及汽缸的热应力和相对膨胀会产生 不利影响。在较低负荷下，汽轮机末级叶片部存在着负反动度，使蒸汽倒流，及 由于蒸汽湿度大和低压排汽缸温度高使用喷水等原因造成叶片冲刷和根部水击， 损害叶片寿命，易发生断裂、脱落等事故。 d l t6 0 8 1 9 9 62 0 0 m w 级汽轮机运行导则和d l t6 0 9 1 9 9 63 0 0 m w 级汽轮机 运行导则对变负荷运行的要求：2 0 0 m w 级汽轮机在定压运行方式正常情况下的负荷 变化速度应限定为额定负荷的4 一5 m i n ，变压运行时的负荷变化速度限定 为额定负荷的2 一3 m i n ；3 0 0 m w 级汽轮机定压运行方式正常情况下的负荷变 1 2 东南大学硕士学位论文 化速度应限定为额定负荷的l 一2 m i n ，变压运行时的负荷变化速度应以锅 炉适应能力而定，般为额定负荷的2 一3 m i n 。 ( 4 ) 冲击造成发电机电磁功率和机械功率的不平衡，在轴上产生扭转应力。 气隙转矩将发电机的轴系和电网紧密的联系在一起，因此，电网中的任何操 作及故障所形成的突变力矩均将作用于发电机的轴系，形成程度不同的冲击，引 起轴系扭转振荡，产生疲劳寿命损耗，由于疲劳寿命损耗是累计的，因此频率很高 的轻微扰动和概率虽低但较严重的扰动均将引起轴系的寿命损失。 随着大机组大电网的出现，扭振对机组可能造成的危害越来越引起人们的重 视。机组轴系断螺栓、断轴、断叶片等事故的出现与扭振冲击有密切关系，甚至 是由扭振冲击直接造成的。造成机组轴系扭振的原因主要来自机械扰动和电气扰 动两类。轴系的驱动力矩与负载力矩一旦失去平衡，扭振就会发生。 ( 5 ) 有功和无功功率冲击还将引起发电机机端电压、频率的变化。 2 5 负序电流对发电机组的影响 负序电流和谐波流入发电机，使发电机转子产生发热和附加损耗，引起机组 振动。在绝大多数交流电弧炉采用s v c 的情况下，冲击负荷注入电网的负序电流 瞬时数值仍较大，但持续时间较短，平均值很小，再加上其它线路的分流作用， 同时接入2 2 0 k v 电网的机组容量较大，因此注入发电机的负序电流是不会达到发 电机不平衡负载运行限值的。 1 3 第三章电弧炉等冲击负荷对电网影响的抑制方法 第三章电弧炉等冲击负荷对电网影响的抑制措施 3 1 电压波动及闪变的抑制措施 炼钢电弧炉引起的电网电压波动和闪变是随机性的，熔化期尤为严重。世界 各国对电压波动、闪变的限制值都有明确规定，以保证电网的供电质量。目前， 对于电弧炉引起的电压波动、闪变的抑制从技术上来说比较困难，需要从多方面 综合加以考虑。 3 1 1 改进炼钢工艺、优化电弧炉设计参数 l 、废钢料预热 在高温下，将废钢料中一部分不导电的杂质除掉，废钢变软且电阻率变大， 这样熔化期电弧将相对稳定，引起的电压波动和闪变也相对降低。 2 、破碎工艺 大块的废钢在电弧炉内不易融化，而且容易短接电极造成短路使电弧不稳定， 增大了无功冲击、增加了冶炼时间、降低了效率。因此，现代炼钢工艺都逐步采 用废钢破碎和净化技术来降低生产成本，同时也降低了熔化期的电压波动和闪变。 3 、喷吹辅助燃料 在熔化期喷入重油或天然气等辅助燃料，可降低炼钢综合成本，这种炼钢工 艺对降低电压波动和闪变也有一定作用。 4 、优化电弧炉的设计 通过优化电弧炉本体的设计降低电压波动和闪变是最有效的方法，可以降低 补偿容量，减小工程投资。 3 1 2合理选用供电电源 1 、采用专用直配线供电：采用专用高压直配线供电最为合理，在电弧炉附近 设置电弧炉专用降压变电所。 2 、把电弧炉接到短路容量较大的电网上：电网的短路容量是决定大容量电弧 炉允许运行的决定条件。 3 1 3 改进电弧炉供电设备 l 、在高压侧串联电抗器 1 4 东南大学硕士学位论文 在高压侧串联阻抗为2o 的空芯电抗器，采用熔化期喷吹辅助燃料的措施， 可以使电压波动和闪变降低2 5 。 2 、采用直流电源对电弧炉供电 直流电弧炉和交流电弧炉相比，所产生的电压波动和闪变可降低4 0 5 0 左右，不产生负序电流，对二次短网和电极来说没有集肤效应，二次侧可以采用 不同的接线方式。但由于增加了整流器，使其可靠性降低，有功损耗增大，维护 量大，造价高。 3 1 4 采用无功补偿装置“1 1 、静止无功补偿器( s v c ) 近年来发展起来的s v c 装置( s t a t i cv a rc o m p e n s a t o r ：静止型动态无功补偿装 置) 是一种快速调节无功功率的装置，由可控支路和固定( 或可变) 电容器支路 并联而成。已成功地用于电力、冶金、采矿和电气化铁道等冲击性负荷的补偿上， 它可使所需无功功率作随机调整，从而保持电弧炉等冲击负荷公共连接点的系统 电压水平的恒定【2 】。即 q i 。q d + q l q c 式中q j 为系统公共连接点的无功功率；q d 为负荷所需的无功功率；q l 为可 调( 可控) 电抗器吸收的无功功率；q c 为电容器补偿装置发出的无功功率，单位 均为k v a r 。 当负荷产生冲击无功q d 时，将引起q j = q d + q l 一q c ，其中q c = o ， 欲保持q j 不变，0 0 a q f 0 ，贝i j a q d = 一q l ，即s v c 装置中感性无功功率随冲击 负荷无功功率作随机调整，此时电压水平能保持恒定不变。 s v c 主要有四种型式，其基本结构如图3 1 所示。 翻酮季f 1 箍it c r 懋翰下e 下憋l e w 瓣移继 b , v s r 联 图3 1 常见的几种s v c 基本结构 近几年来，用于电弧炉的s v c 逐步得到改善，s v c 主要有以下4 种型式： 1 5 第三章电弧炉等冲击负荷对电网影响的抑制方法 ( 1 ) 晶闸管控制空芯电抗器型( t c r ) 即高压动态无功补偿及滤波装置( 简称t c r 型s v c 装置) ，见图3 - l ( a ) ，广泛 用于冶金、电气化铁路。它可使所需无功功率作随机调整，从而保持电弧沪等冲 击负荷公共连接点的系统电压水平的恒定。在抑制电压波动和闪变的同时，还有 抑制系统过电压、谐波电流、提高功率因数的效果。 t c r 型s v c 装置工作原理：s v c 的调节器自动跟踪负荷的工作状态，发出 与冲击负荷相关的t c r 晶闸管阀的触发脉冲；通过光电转换及高压光缆的传送， 使触发脉冲触发各晶闸管；不同的触发角，改变了流过t c r 回路中主电抗器的电 流量，从而改变了t c r 回路的感性无功功率；通过t c r 回路的感性无功功率的跟 随作用，使用户流入电网的无功功率趋于零，保持电压水平恒定不变。 目前，t c r 型s v c 在电弧炉上的应用已经多年，该类型s v c 具有反应时间 快( 5 2 0 m s ) ，运行可靠、无级补偿、分相调节、能平衡有功、使用范围广、价 格便宜等优点。由于t c r 型s v c 装置的可靠性和价格都优于有源滤波器，因此大 部分用户采用该种形式的s v c 。 ( 2 ) 晶闸管阀控制高阻抗变压器型( t c t ) 即t c t 型，见图3 - 1 ( b ) ，该类型s v c 优点与t c r 型差不多，但高阻抗变压 器制造复杂，谐波分量也略大一些( 因阻抗最大只能做到8 5 ，起始控制角较t c r 型大，不能达到谐波量较小的起始控制角) ，并约有5 0 d b 左右的噪声。由于有油， 要求一级防火，只宣布置在一层房子内或户外，容量在3 0 m v a r 以上时价格较贵， 因而不能得到广泛应用。 ( 3 ) 晶闸管开关控制电容器型( t s c ) 即t s c 型，见图3 - 1 ( c ) ，这种类型s v c 的特点是反应时间快( 1 0 2 0 m s ) ， 能分相调节、直接补偿、装置本身不产生谐波、损耗小，但是它是有级调节，综 合价格较高，因而也未得到广泛应用。 ( 4 ) 自饱和电抗器型 即s s r 型，见图3 - 1 ( d ) ，s s r 型s v c 装置由于原材料消耗大，噪声大，补偿 不对称电炉负荷自身产生较多谐波电流，不具备平衡有功负荷的能力，加上制造 复杂等因素，在近阶段的应用日趋减少。 选用何种结构的动态调节装置是根据被补偿对象的特点决定的。对于电弧炉 负荷，国内外目前公认的是采用t c r 型动态调节器，并加附谐波滤波器( f c ) ， 组成t c r + f c 补偿装置，据了解，目前沙钢集团已大量采用这种装置。 2 、静止同步补偿器( s t a t c o m ) 基于电压源换流器的静止同步补偿器( s t a t i cs y n c h r o n o u sc o m p e n s a t o r ， s t a t c o m ) ，亦称a s v g ，属快速的动态无功补偿装置。在输电系统中，s t a t c o m 1 6 东南大学硕士学位论文 向系统迅速发出或吸收无功功率，既可补偿电压突降，又可降低过电压。在配电 系统中，s t a t c o m 作为电弧炉的无功补偿及抑制电压闪变的装置，其可向电弧 炉提供不平衡且任意波动的电流，使褥供电线路的无功功率波动减小，从而达到 抑制电压闪变的目的。s t a t c o m 抑制电压闪变的能力比s v c 效果更好。 目前的s t a t c o m 的造价比s v c 略高，这主要是由于占s t a t c o m 总费用 约5 5 的换流器件可关断晶闸管( g t o ) 元件还很昂贵。 3 2 谐波电流的抑制措施 抑制电弧炉谐波对电网及自身的影响主要有两种途径：一是靠改善自身设备 或提高供电电源的电压等级来达到减少谐波电流的目的；另一种则是根据产生的 谐波加装各种滤波装置( 如有源滤波器、无源滤波器等) ，使其对电网和自身的 影响在允许范围内，达到滤除谐波电流的目的。这两种途径相比，第一种途径是 治标的办法，因为电炉对电网和自身影响的各种量值并未消除，而是送到更高电 压等级电网去扩散，随着电炉不断建设发展，这些量值在电网中增加积累，泛滥 成灾，将会达到电网不能接受的程度，反而增加了对广大用户的影响，因此，使 用范围越来越小；而第二种途径是治本的办法，它使电炉对电网和自身影响的各 种量值大部分就地消除了，其应用前景广阔。 3 2 1提高用户电压等级或改造谐波源 谐波电源的供电电压对系统的谐波状况有很大的影响。供电网的电压等级越 高，其短路容量越大，容许存在的谐波电流也越大。提高供电电源的电压等级， 可以提高与电网公共连接点的短路容量，使其谐波电流含量达到国家标准以内， 对电网和设备的影响在允许范围内，虽然不能根本消除谐波，但也是解决谐波问 题的一种可取方法。 3 2 2s v c 装置 静止无功补偿装置( s v c ) 在电压波动及闪变的抑制措施中已经详细介绍。 当在s