何慶亞

（上海追日電氣有限公司，上海 200331）

中頻電源作為一種控制方便、效率高、投資成本低的整流設備，被越來越多的用于工業(yè)生產中，中頻爐就是其中最典型的負荷。但同時中頻爐又是重要的諧波源，尤其是多臺中頻爐集中使用時，嚴重影響了整個系統(tǒng)的供電質量和用電安全[3]，因此必須裝設濾波裝置。

目前，無源濾波裝置是中頻爐諧波治理的主要方式，由無源 LC濾波原理，其濾波頻率固定，中頻爐生產工藝又非常復雜，所以設計時要充分考慮中頻爐各種工況及諧波頻譜，否則無源濾波裝置就會出現故障，甚至事故跳閘。

1 無源濾波設計

SY鋼廠是一家以中頻爐煉鋼為主的冶金企業(yè)，該廠35kV進線中有兩臺主變容量分別為12.5MVA、35kV/10kV，10kV母線上主要有3臺12t中頻爐，單臺爐變容量8000kVA，采用雙繞組12脈波整流。由于系統(tǒng)正在籌建，所以無法進行相關測試，SSE公司設計無源濾波裝置時，主要依據以下方面。

1）根據12脈整流方式中頻電源的工作特性，認為主要典型諧波次數應為11、13次同時含有5、7次，其平均值可達基波分量的5%～10%；并參照國標《GB/T 14549—93》諧波電流疊加公式，計算三臺中頻爐同時工作10kV側產生的最大諧波電流為5次60.36A，7次30.64A，11次68.46A，13次57.68A。單臺中頻爐正常工作周期為1.5h，主要有加熱和保溫兩種工作狀態(tài)，單爐正常工作時平均自然功率因數為0.90，將功率因數提高到0.95需要的補償容量為3000kvar。

2）根據諧波電流的特性確定3條濾波支路，各支路的調諧頻率和濾波器類型為5次單調諧結構，7次、11次二階高通結構[4]；根據系統(tǒng)工況及濾波要求確定 3條支路基波補償容量分別為 800kvar、800kvar和 1400kvar。單獨運行一臺中頻爐投入 5次和 7次支路；運行兩臺及3臺中頻爐，3條支路全部投入，以保證較好的濾波補償效果。

經過仿真和計算，確定各支路的參數選擇見表1。

表1 設計濾波支路參數

由表1可知，系統(tǒng)投入5、7、11次濾波支路后，實際的補償容量為 3018kvar＞3000kvar，可以滿足系統(tǒng)的平均功率因數在0.95以上。

2 投運效果及故障分析

而現場無源濾波設備投運后，5次和11次支路分別出現跳閘現象，設備不能穩(wěn)定運行，為了準確找出現場設備故障原因，SSE公司對該鋼廠10kV 1#變系統(tǒng)進行了實地測試，測試結果見表2和圖1。

由此可見，中頻爐諧波電流頻譜極為復雜，2～13次諧波電流含量都較大，與中頻爐 12脈整流方式下典型諧波含量有明顯出入，故SSE公司的設計依據有誤。

圖1 系統(tǒng)功率因數記錄

表2 諧波電流值(A)

中頻爐平均自然功率因數較低為0.85左右（用戶前期提供為0.90），保溫時功率因數只有0.25，并且用戶只有一條連鑄線，三臺中頻爐，最多有兩臺處在加熱狀態(tài)，有一臺始終處在保溫狀態(tài)。

為了準確找出5、11次支路跳閘的原因，對5、11次支路電流也進行了測試，發(fā)現5次濾波補償支路投入以后，對4次諧波進行了放大，大量的4次諧波流入支路，造成5次濾波支路過流跳閘。11次支路投運對 8－10諧波進行了放大，大量的 8－10次諧波電流流入11次支路，造成11次支路也過流跳閘。在現場測試發(fā)現中頻爐在工作的過程中 2－13次諧波電流均比較大，有大量非特性諧波和偶次諧波，濾波支路投入以后對這些諧波又進行放大[2]，是造成5次和11次支路過流跳閘的主要原因。

中頻爐非特征諧波主要是由于變壓器繞組的不平衡、磁路飽和、晶閘管觸發(fā)特性的差異等因素的影響產生；偶次諧波主要是由于波形的正負半周不對稱而產生，造成非特性諧波和偶次諧波產生與中頻爐廠家及整流變生產工藝水平息息相關[1]。

另 12脈整流中頻電源的功率因數取決于整流電路的工作方式。如果整流元件在受正向電壓時始終開通，此時電網側功率因數接近于 1；如果整流元件在受正向電壓一段時間后開通 （如受移相控制的可控硅），此時電網側功率因數等于控制角（120°-導電角）的余弦函數。中頻電源主要依靠改變SCR橋式整流器的控制角來調節(jié)整流器的輸出電壓，從而調節(jié)輸出功率。通常當爐料是冷態(tài)的時候，整流器全壓輸出，由于負載阻抗較小，整流器工作在限流狀態(tài)，輸出功率會小于額定功率，此時功率因數不會太高，隨著加熱進行，爐料逐漸融化，負載阻抗變大，功率因數逐漸提高；當中頻爐處于保溫期（保持爐料溫度）時，此時需要功率最小，整流器的電壓輸出控制角基本達到最大，功率因數最低。

現場中頻爐功率因數低，首先是由現場生產工藝決定，現場只有一條連鑄線，3臺中頻爐，最多有兩臺處在加熱狀態(tài)，有一臺始終處在保溫狀態(tài)，而保溫時功率因數只有 0.25。其次用戶 10kV被限流1000A，而額定電流就有1443A（2500/10/1.732=1443），中頻爐輸出電壓被限制，自然功率因數達不到 0.90。

3 設計更改

現場中頻爐諧波電流頻譜很復雜，如果要解決現場的諧波問題，必須在4次和7－11次之間增加補償支路，這樣將大大增加成本，且安裝空間有限制，現場難以實現。由于SY鋼廠急需設備盡快正常投運，以提高系統(tǒng)功率因數，避免供地罰款的損失，對濾波效果可不作具體要求，由此SSE公司經過仿真和計算，對現場設備進行整改，三條支路參數表更改如下。

表3 整改后濾波支路參數

現場調換3條支路電容，并更換一組電抗器，把11次支路改成了3次，調整后的實際補償容量為3196.4kvar，設備投運正常，連續(xù)運行3個月，使用良好。

現場功率因數問題，首先SY鋼廠改變生產工藝，盡量減少保溫時間。并與供電部門協(xié)商，放大電流限值，讓中頻爐工作在全壓、額定功率狀態(tài)，以提高自然功率因數。

4 結論

中頻諧波電流，理論計算與現場實測有很大出入。理論計算中頻爐的諧波發(fā)生量以11次和13次為主，而實測發(fā)現現場中頻爐的2－13次諧波都很大。實際中頻爐諧波發(fā)生量與中頻爐和整流變的制作、生產工藝有很大關系；中頻爐功率因數與現場生產工藝、供用電關系等都有很大影響，一般文獻提供的大多為中頻電源全壓輸出功率因數；對一些新建項目，建議等項目建成，進行實測后，再上濾波補償設備。尤其對一些生產工藝差、諧波電流頻譜比較復雜的中頻爐，建議以補償為主，濾波為輔，進行濾波補償設計。

[1]王兆安,黃俊.電力電子技術[M].北京:機械工業(yè)出版社,2001.

[2]周勇,王文峰,趙慧光.電容器的諧波放大問題分析[J].鄭州大學學報,2005(2).

[3]吳競昌,孫樹勤,宋文南.電力系統(tǒng)諧波[M]. 北京:水利電力出版社,1988.

[4]楊嘯天.電力系統(tǒng)諧波分析、測量、評估計算與抑制及諧波新技術實務全書[M]. 北京:中國電力科技出版社,2006.