李學文

(昆明有色冶金設計研究院股份公司，云南昆明650051)

高鈦渣110 kV直流電爐電網(wǎng)污染治理

李學文

(昆明有色冶金設計研究院股份公司，云南昆明650051)

針對直流電弧爐對電網(wǎng)污染的治理問題，闡述了直流電弧爐對電網(wǎng)的污染情況、治理方法的選擇以及治理的效果。

高鈦渣;直流電弧爐;電網(wǎng)污染

0 引言

新立高鈦渣直流電弧爐冶煉項目是引進南非Bateman公司技術的一個項目。主要設備高鈦渣直流電弧爐功率30 MW，電爐變壓器44 MVA，變壓器一次電壓110 kV。該直流電弧爐是一個大型沖擊負荷，其運行將會給電網(wǎng)帶來諧波、電壓波動、電壓閃變等一系列電網(wǎng)污染。設計采用一套SVC裝置治理電網(wǎng)污染，取得了較好效果。該套裝置是世界上第一套應用于110 kV電壓等級的為電弧爐配套的SVC裝置。

1 電爐的基本參數(shù)

1.1 電爐主要參數(shù)

電爐是引進德國Demag公司產(chǎn)品，功率30 MW，最高運行電壓800 V，對應電流37.5 kA;最低運動電壓375 V，對應電流80 kA;電爐運行按恒功率控制，正常工作電壓范圍489.9～692.8 V。

1.2 整流變壓器參數(shù)

整流變壓器是引進德國ABB公司產(chǎn)品，容量44 MVA;一次電壓110 kV;29級有載調(diào)壓;變壓器二次最高電壓727 V，二次最低電壓394 V;最大二次電流31.5 kA;過載能力為10%，1 h，每天一次。

1.3 整流器參數(shù)

整流器為瑞士ABB公司產(chǎn)品，直流電壓800 V;直流電流80 kA;整流器連接為雙電橋;脈波數(shù)為12脈波;過流能力為10%，1 h。

1.4 電網(wǎng)參數(shù)

電網(wǎng)電壓110 kV;PCC點最大短路容量1 200 MVA;PCC點最小短路容量850 MVA;PCC點變壓器容量180 MVA;高鈦渣廠協(xié)議容量56.5 MVA。

2 電網(wǎng)污染情況

直流電弧爐是一個巨大的沖擊負荷，它的接入，將對電網(wǎng)造成以下污染。

2.1 降低電網(wǎng)的功率因數(shù)

根據(jù)ABB資料，在典型運行條件下，變壓器高壓側110 kV側的功率因數(shù)約為0.879，其注入電網(wǎng)的感性無功功率在17 MVar上下波動，最大無功功率42 MVar，最小時也達到14 MVar。

電網(wǎng)要求的功率因數(shù)為0.95，需對系統(tǒng)設置大量補償電容器，提供容性無功，抵消感性無功，提高功率因數(shù)。

2.2 向電網(wǎng)注入諧波

為了向直流電爐提供直流電源，需設置大功率整流設備，由此引起大量諧波注入電網(wǎng)。根據(jù)電網(wǎng)短路容量、本廠協(xié)議容量，按照國標《GB 14549－93電能質(zhì)量公用電網(wǎng)諧波》要求計算，得到本廠各次諧波允許值，再結合ABB公司提供的整流裝置諧波值，得出各次諧波超標情況，詳細參數(shù)見表1。

表1 諧波超標參數(shù)表Tab.1 Parameter of Overstandard Harmonic Current

從表1中可以看出，11、13次諧波超標較多，其它8、10、12、14、15、16、18、23、25 次諧波都有不同程度的超標，需要采取治理措施。

2.3 電壓波動情況

直流電弧爐屬于大型沖擊負荷，運行時有功和無功均會發(fā)生大幅波動。有功沖擊負荷將對電力系統(tǒng)的頻率產(chǎn)生影響，無功沖擊負荷將對電網(wǎng)的電壓產(chǎn)生影響。有功沖擊負荷須由系統(tǒng)承擔，無功沖擊負荷由企業(yè)無功功率補償來解決。

根據(jù)ABB提供的參數(shù)，最大有功沖擊約30 MW，最大無功沖擊約Q=42 MVar，在典型運行狀態(tài)，無功功率為17.17 MVar，則從典型運行狀態(tài)變化到最大無功時，無功變化量為:

ΔQ=42－17.14=24.86

則電壓波動值為:

Sc:系統(tǒng)最小短路容量

依據(jù)國標《GB 12326－2000電能質(zhì)量 電壓波動和閃變》的要求，電壓波動限值為1.5%，所以電壓波動超標超標，應該采取治理措施。

2.4 電壓閃變情況

電壓閃變是由電壓波動引起的視覺效應，是指燈光照度不穩(wěn)定造成的一種視覺感受。

對于閃變的數(shù)值，沒有一種權威的計算方法，一般是以專用儀器閃變儀測量的數(shù)值為依據(jù)。通常在沒有數(shù)據(jù)的時候，估算按電壓波動的一半計算，但是這很不準確。

對于直流電弧爐，其引起的閃變也沒有權威的計算方法，有一些經(jīng)驗公式，如根據(jù)Bateman提供的計算方法，電弧爐的閃變計算如下:

Pst=Kst·Fsht/Sc

Kst——爐子的閃變系數(shù)，20 ～40;

Fsht——爐子短路容量，取 44MVA。

計算結果:Pst=0.988～1.976。取值范圍很寬，沒有很大參考價值。

依據(jù)國標《GB 12326－2000電能質(zhì)量 電壓波動和閃變》的要求，電壓閃變限值為:PCC點為短時閃變0.8和長時閃變0.6。

根據(jù)本廠協(xié)議容量56.5 MVA，PCC點安裝容量180 MVA，安裝國標要求折算本廠閃變限值為:短時閃變限值0.544，長時閃變限值0.408。

從數(shù)值上看，閃變肯定是超標了，即使爐子閃變系數(shù)取20，仍然達不到標準要求，也需要治理。

3 治理方法的確定

治理電爐對電網(wǎng)污染方法主要有3種，即固定濾波補充裝置、SVC裝置和SVG裝置。

3.1 固定濾波補充裝置

固定濾波裝置是根據(jù)設備所產(chǎn)生的諧波情況，采用電容器和電抗器配合構成諧波通路，濾掉諧波，滿足濾波的需要。

同時濾波回路還能提供基波電容補償容量，對基波起到功率因素補償?shù)淖饔谩Ｈ绻a償容量不夠，還可設置專門的補償電容。滿足功率因素的要求。

固定濾波補償裝置由于其補償容量是固定不變的，對于穩(wěn)定負荷有很好的補償作用，但對于沖擊負荷，它就有些力不從心了。

由于直流電弧爐是沖擊負荷，其無功是變化的，固定的電容無法適應無功量的變化，其電容量的設置一方面要補償功率因數(shù)，另一方面又要防止過補，要在補償和過補之間尋找平衡點，設計較為困難，補償有一定的效果，但不太理想，要達到0.95幾乎不可能。

固定濾波裝置對電壓波動及閃變基本沒有作用。固定濾波裝置技術成熟，國內(nèi)生產(chǎn)廠家很多，價格便宜。

3.2 SVC 裝置

SVC是一種靜止的動態(tài)無功補償裝置。它的原理是按負荷最大無功沖擊量為依據(jù)設置補償電容，并配置適當?shù)碾娍蛊鳂嫵蔀V波回路，即FC回路。然后設置1個可控的電抗器，即TCR回路。根據(jù)負荷無功變化情況，快速調(diào)整TCR感性無功輸出量抵消容性無功容量，從而達到動態(tài)補償無功功率目的。

SVC對諧波濾除不存在問題，對功率因數(shù)的補償效果很好，達到0.95沒有問題，甚至需要更高時也很容易做到。

SVC對電壓波動的抑制作用有很好的效果，可以滿足規(guī)范的要求，但是對于電壓閃變的抑制作用有限，抑制系數(shù)在1.2～2間，做到2時已到了極限。對于我們的裝置，根據(jù)Bateman公司的計算值0.988～1.976，若閃變是下限值時，可以滿足要求，如果是上限值就有問題了。

SVC裝置技術已經(jīng)基本成熟，生產(chǎn)廠家也較多，國內(nèi)也有一些廠家生產(chǎn)，但價格較貴。

3.3 SVG 裝置

SVG實際上是一種可控的無功功率發(fā)生器，可以在相位和頻率方面與母線相匹配，并且由于其幅值能連續(xù)而快速的控制，可以很好的解決沖擊負荷帶來的各種問題。但是該技術還不普及，國內(nèi)只有極少的機構對這個問題有一定研究，國際上完全掌握該技術的也不多，而且價格非常昂貴。

3.4 治理方案的選擇

對于3種治理方法，邀請有關專家開展了相關論證。

固定濾波補償方式，由于其性能的局限被淘汰出局。但對于SVC和SVG的選擇有著激烈的爭論。SVG有著優(yōu)越的性能和良好的治理效果，是發(fā)展的方向，但其技術還不普及，國內(nèi)還處于研究階段，對用于要求快速反應的電弧爐負荷的SVG裝置還沒有應用的先例，只有設置變電站用于電網(wǎng)補償?shù)腟VG裝置，上海西郊變設有±50 Mvar的SVG裝置。進口大型SVG裝置在國內(nèi)應用也很少，連云港的1家韓資企業(yè)有1套ABB公司的裝置，據(jù)說效果很好，但由于廠方技術保密的原因，雖然多方聯(lián)系，也未能實現(xiàn)實地考察。

通過反復比較，充分考慮技術、價格、應用實例等因素，最后選定采用SVC裝置治理的方法。

4 SVC主接線方案的確定

在確定采用SVC的治理方法后，緊接著需要確定的是SVC裝置的主接線方案。

SVC裝置一般由兩部分組成，一部分是固定的FC濾波補償回路，另一部分是調(diào)節(jié)的TCR回路。由于電力電子元件的限制，TCR回路所能做到的最高電壓等級是35 kV，而我們的電爐一次電壓是110 kV，SVC裝置不能直接掛到110 kV電壓母線。需要采取措施。

根據(jù)調(diào)查，國內(nèi)外電爐變壓器的一次電壓都在35kV及以下，在為電弧爐配套的SVC裝置中，還沒有1例采用110 kV電壓等級的，沒有現(xiàn)成的方案可以借鑒。

不過，在電力系統(tǒng)中，有過35kV電壓等級SVC裝置通過變壓器連接到110kV電壓等級的成功經(jīng)驗，可以此為參考進行設計。兩者的不同之處是電弧爐系統(tǒng)要求比電網(wǎng)更快的調(diào)整反映速度。

通過與專業(yè)SVC廠家合作，昆明有色冶金設計研究院股份公司設計了2個主接線方案。

(1)方案1:FC回路和 TCR回路都設置在35kV母線上，通過變壓器T與110kV母線連接，接線見圖1。

圖1 方案1系統(tǒng)接線圖Fig.1 Scheme One System Wiring Diagram

該方案的優(yōu)點是接線、保護都很簡單，缺點是變壓器容量大，損耗大、投資較高。

(2)方案2:TCR回路仍然設置在35 kV母線上，但FC回路分成兩部分，一部分設置在110 kV母線上，另一部分設置在35 kV母線上。接線見圖2。

該方案的優(yōu)點在于設在110 kV的FC回路補償了電弧爐DHL的基本無功，濾出諧波，使基本無功和諧波不通過變壓器，大大減小了變壓器的容量和損耗，節(jié)省了投資，缺點是接線和保護都變得復雜，設備占地面積大。

設計最終選用了方案2，中標單位是遼寧榮信電力電子股份有限公司。通過廠家仿真計算，確定SVC裝置基本參數(shù)如下:

在110 kV母線設置6.5次、8次、10次、11次4個濾波補償回路，電容器安裝容量28 080 kVar，基本補償容量18 154 kVar。

圖2 方案2系統(tǒng)接線圖Fig.2 Scheme Two System Wiring Diagram

在35 kV設置3次、5次、7次濾波補償回路，電容器安裝容量25 680 kVar、基波補償容量17 095 kVar;TCR回路容量36 000 kVar;變壓器容量22 000 kVA。

5 治理效果

SVC裝置在2007年底招標，2008年1月簽定到了技術協(xié)議，2008年6月開始施工，由于電爐主體工程拖期，SVC的施工驗收也受到一定影響，到2009年3月才通過供電部門驗收。驗收后一直沒有使用。2009年10月電爐烘爐，烘爐完成后正式通電，SVC投入運行。

2011年7 月，榮信公司對SVC裝置做了全面測試，提出測試報告，主要指標如下:

功率因數(shù):0.99，滿足不低于0.95的要求。

電壓波動:1.16%，滿足不大于1.5%的要求。

短時閃變:0.30，滿足低于0.544的要求。

長時閃變:0.30，滿足低壓0.408的要求。

諧波:SVC投入后，各次諧波受到不同程度的抑制。SVC投入后的詳細參數(shù)見表2。

表2 SVC裝置投入后諧波參數(shù)表Tab.2 Parameter of Harmonic Current after Using SVC System

從表2可以看出，除25次諧波超標外，其他各次諧波都得到很好的抑制，對諧波起到了很好的抑制效果。

6 結語

該項目為引進技術工程的配套項目，從2005年7月項目開始啟動，到2011年7月全面測試，歷時6年。

由表2可知，各項指標基本達到了國家標準的要求。而且這也是SVC裝置在110 kV電弧爐的首次應用，是世界上第一套應用于110 kV電壓等級的為電弧爐配套的SVC裝置。

Control of Disturbance from 110kV DC Arc Furnace for High Titanium Slag to Power System

LI Xue－wen
(Kunming Engineering ＆ Research Institute of Nonferrous Metallurgy Co.Ltd，Kunming 650051，China)

In view of treatment on disturbances from DC electric arc furnace to power system，pollution of DC arc furnace to power grid，treatment measures and control effect were presented.

high Titanium slag;DC arc furnace;disturbances to power system

TM92

A

1004－2660(2011)04－0023－05

2011－06－16.

李學文(1962－)，男，四川人，高級工程師、注冊電氣工程師、注冊咨詢工程師.主要研究方向:電氣設計.