爱华网1. 引言
大功率电弧炉接于容量较小的电网会对电网和其它负载产生不利影响，主要表现在：
— 无功冲击及闪变
— 三相负荷不平衡
— 产生谐波电流
本文结合交流或直流电弧炉的工作特性对上述问题进行讨论，并提出解决方案。
2. 电弧炉的负载特性
用于冶炼的电弧炉在其给定的物理范围内工作时，负载电流会发生变形。物理范围可以用圆图来表示（图1）。
图1 电弧炉负荷
图1中首先将电弧阻抗看作纯阻性，在电弧截断时电阻值无限大，在短路时电阻值为零。在每个电流过零点，交流电弧须重新燃弧，但当功率因数大于0.9时，会导致电弧截断，并一直维持到输入能量与冷却能量不再平衡。
用于冶炼的电弧炉一般有三个特征工作阶段：
— 开始熔化阶段，固体炉料熔化，能量需求最大。
— 初精炼及加热阶段。
— 精炼期，此阶段输入能量只需平衡热损耗。
在废钢冶炼时电弧炉的工作特性为：
— 在开始熔化时电弧频繁出现截断和重新燃弧。
— 全熔化期出现电弧波动，并导致电流急剧变化。
— 发生塌料导致短路。
电弧炉在熔化期出现的电弧截断及短路现象，只有通过统计学方法进行评价。需注意的是各相不平衡电流、各相断续电流和半波不平衡电流，会导致电网在不同时间和不同相位产生的有功功率和无功功率值发生变化。调制电流使电网电压出现闪变效应，同时产生谐波电流注入电网，使电网电压发生畸变。
在电网阻抗上产生的电压降或电压改变可以分解为两个分量，即纵向电压降（导致电压幅值的变化）和横向电压降（导致电压相位变化）。因为在电网阻抗中阻性分量大约占感性分量的1/10或以下，所以电压量值的改变主要由无功功率的变化引起。有功功率的变化只影响电压的相位（见图2）。
在一个电网中，电压的改变会影响所有接于这个电网的负载，因此电弧炉对电网的影响可以称为电网的环境污染，必须采取技术措施进行抑制。当电弧炉功率大于电网短路功率的1/80时，通常需要考虑对电网的影响问题。
图2 工业配电网络及电压矢量图
E= 发电机母线
Rcc Xcc= 电网阻抗
U=接电点电压
V=其它用户
DI=电流改变量
j=相位角
3. 补偿任务
简单来讲，补偿的任务就是减少或抑制电弧炉对电网的影响。当然，这也和其它领域的环境保护一样，具有一定的难度，同时需要付出相应的费用。
补偿任务包括以下4部分：
— 通过调节电网提供的感性无功功率使电网纵向压降保持为常数。
— 通过并联电容器或容性负载降低电网纵向压降，从而改善电压水平。
— 使三相有功功率保持对称降低电网横向压降。
— 设置滤波回路，吸收谐波电流。
从上述要求可见，补偿设备必须能够分相进行调节，以使电网纵向压降保持三相对称。
3.1 调节纵向压降
负载电流在电网阻抗（接电点Pcc）上产生的电压改变按下式计算：
DUcc=DUL+DUQ
DUcc=e([cc Ip-Iq(+)Ip+ecc Iq])Xcc
式中
负载电流：I =Ip+j Iq
电网阻抗：Zcc =Xcc（ecc+j）
电网系数：ecc =Rcc/Xcc
有功电流：Ip
无功电流：Iq
纵向压降：DUL
横向压降：DUQ
如果将电压降调节为常数，即：
DUL=e(cc Ip-Iq)Xcc=常数
则电压改变值为最小。达到调节要求的控制原则为：
Iq=eccIp+Iq0（Iq0=工作点）
合成无功电流Iq所引起的纵向压降为：
DU=-Iq0 Xcc=常数
控制规则只是调节电网提供的无功功率的尺度，同时还应根据有功功率将功率矢量的峰值调节到负载直线段。
使电网功率因数保持为常数的要求不会导致与上述相同的结果，因为随着有功功率的变化总是会有纵向压降的残余分量，使纵向压降保持为常数，功率因数就不会为常数，或者相反。
图3a调节纵向压降图3b 调节功率因数
DUL=常数cosj=常数
3.2 电压有效值的改善
通过选择合适的工作点可以改善电压有效值，从而使平均功率因数得到改善，但先决条件是有足够大的容性负载供支配。
当有功功率变化较大时，负载直线具有时间滞后特性。对于长时间的电压改变可以调节变压器的分接头进行平衡。功率因数为特定时间内的平均值，例如30min平均值或月平均值。
3.3降低横向压降
通过使两相有功负载的对称化可以降低横向压降及电压改变，即通过使不平衡负载对称化来改善电压特性。根据Steinmetz公式通过在其它相接入容性和感性无功负载使两相有功负载保持对称。
3.4 吸收谐波电流
设置滤波回路可以吸收电网谐波电流，电容器容量选择应能满足补偿和对称化的要求。滤波支路的数量及容量应按电弧炉可能产生的最大谐波电流来考虑，滤波后电网谐波含量不超过有关规程的要求。
图4 两相负载的补偿与对称化
4.技术方案
抑制电弧炉对电网的干扰影响，有两种基本技术方案：
— 直接补偿方法
对常数容性负载通过分级投切来实现。
— 间接补偿主法
可变感性负载与常数容性负载的组合来实现。
4.1直接补偿方法
直接补偿方法虽然比较简单，但是有些技术难点不好解决。
对电容进行分相调节需要可变的容性功率，但是在具体工程中通常没有相应功率的容性设备，目前流行的是对电容的分级投切。
为了避免电容开闭过程中出现的平衡电流，必须使各个受控电容器组在电压正半波峰值或负半波峰值充电，而且总是在电压峰值处开闭操作。这样就限制了调节的动态特性。在一组电容器时跟随时间为10ms，在两组电容器时，跟随时间缩短为5ms。同时需要注意，电容器或滤波回路开闭操作时，同时会改变电网的谐振频率。
4.2 间接补偿方法
有两种方法可以调节感性无功功率：
— 对电抗器进行开闭操作，其作用原理及动态特性与开闭电容器相同。
—使用三个单相交流控制器与电抗器串联，通过晶闸管的控制角调节电抗器电流，电流值从0到最大值连续可调，短路电流由电抗器感抗决定。这种方法也称为TCR系统。
TCR方法的动态特性较好，跟随时间理论上为5ms（见图5）。
图5 TCR控制方法
1=空芯电抗
2=晶闸管交流控制器
3=控制装置
4=滤波回路
5=动态补偿装置
6=需补偿的负载（电弧炉）
在两种间接补偿方法中，TCR方法比较实用，其特点为：
— 动态特性好
— 无保护问题，短路电流=额定电流
三相动态补偿装置通常采用三角形接线，由于对正弦曲线进行相切，在电路电流中除了含有基波分量外，还有谐波分量，其频谱与三相桥式变流电路的相同，但幅值要低。在三相不平衡时，会产生三次谐波电流，注入电网后通常被电弧炉滤波回路吸收。
4.3 单炉系统
4.3.1 对电网的基本要求
供电系统首先应满足电弧炉的功率要求，同时在电弧炉工作时不能对其它负载产生干扰影响。电网技术参数主要为：
— 短路功率 S²kcc
— 电网系数 ecc=Rcc/Xcc
根据以往工程经验，为要满足上述要求，短路功率应为电弧炉额定功率的80~100倍。
当采用TCR动态补偿装置后，对电网短路功率的要求可降低1/2。
在将电弧炉功率因数提高到0.8时，同时假定电压改变不大于10%，电网短路容量至少为炉子额定熔化功率的7.4倍。这个数值远远低于电弧炉正常运行所要求的短路功率值，即无补偿时80~100倍，有补偿时30~40倍。
4.3.2 动态补偿的调节范围
如前所述，电弧电阻在0~最大值之间变化，炉子的每相电流在0~短路电流之间变化。如何合理平衡各相负载波动，主要取决于选技工作点及功率因数，当功率因数较高时（例如0.83），会导致较大的不平衡度。特别在熔化初期，经常出现电弧截断和类似短路的重燃。
在设计补偿装置时必须考虑额定负载下的单相电流截断，并以此确定可调电感的最小功率。在电流截断后出现的重燃短路对于动补装置设计没有影响。
在特殊情况下，例如电网容量很小，补偿装置设计时应考虑单相截断和两相短路的数值。
动态补偿的调节范围一般为1.6~3.4倍的电炉额定功率（假定额定功率因数0.8）。
根据TCR补偿原理，电弧炉的负载增加，补偿装置负载降低，因此动态调节的下限为负载为0时。电容器容量取决于所要求的平均功率因数和单相、两相和三相短路时的电网特性，在仅考虑单相短路时所需电容器功率最小，考虑两相短路时电容器功率最大。如果将电网纵向压降调节为0，则所需电容器功率为1.3~2.6倍的电炉额定功率，此时功率因数为1。
短路与电弧截断相比出现的较少，只有在电网很弱时才考虑短路的影响，原则是在短路时电网电压跌落不超过1.1%，以避免对其它设备的影响。
4.3.3补偿装置的动态特性
通过对一台额定功率为25MVA的电弧炉测量显示，在负载改变为10%以下时，动态特性为1~2MVA/ms。为了调节这种负载改变，需要高动态特性的电子电路及测量系统，图6为TCR动态补偿装置的频率响应曲线。该频率响应曲线是用仿真计算得到的动态补偿的减弱系数。在10Hz时干扰作用最强，其减弱系数约为3。在1~27Hz频率范围内的减弱系数平均为2.5~3。
图6 改善系数VF与频率的关系
4.4直流电弧炉
在上世纪末电弧冶炼技术的开始阶段使用的是直流电，但是随着电弧炉功率的增大，直流电不能满足要求，逐步使用单相交流或三相交流电。近年来电力电子技术有了很大进步，本世纪80年代出现了晶闸管变流器供电的直流电弧炉（图7），其优点是将电弧电路与电网隔离，同时由于变流器为对称连接，从根本上解决了电网的不平衡负载问题。
图7 直流电弧炉电气接线
出于经济性的考虑，交流电弧炉的功率越来越大。为了使耐火材料的磨损保持在极限值之内，必须限制电弧的长度。增大电弧炉功率通常采用降低供电设备阻抗的方法，但是由于炉几何形状和电炉变压器的影响，阻抗不能降低到无限小。同时电源电网的阻抗越低，对电网的干扰也越大，造成补偿装置的费用增加。
为了解决上述矛盾，近年来人们通过改变电弧炉工作方式，使用水冷炉体材料或泡沫溶渣以增大功率，即采用长弧冶炼，为稳定电弧又增大阻抗值。
直流电弧炉的出现开创了新的途径，无论多大功率也没有阻抗问题，为了稳定电弧反而需要一定的阻抗。相对而言，直流电弧炉的投资较高。
直流电弧炉引入的是定值电流，因此可消除闪变干扰。通过按额定电流整定保护限值，在塌料时不会发生短路故障跳闸，降低了电网和设备的故障率。
变流器产生的谐波电流与其脉动数有关，一台P脉动的变流器产生的谐波次数为：
n=k·p±1（k=1，2，3¼）
谐波电流的幅值为：
In=（1/n）·I1
与交流电弧炉的谐波相比，直流电弧炉的谐波频谱固定，可以预先进行比较准确的计算，从而有助于设计滤波回路。
谐波量值与控制角有关，在控制角连续改变时，受调制的影响，除了产生特征次谐波外，还会产生边带谐波，图8表示一相谐波的1min平均有效值。
图8 直流电弧炉网侧谐波电流和谐波电压
5.动态补偿装置的工作特性
补偿装置的动态特性用两个分量来表示，即实际值的测量时间和执行元件的跟随时间。由于谐波的影响，通常电流和电压不采用瞬时值测量方法，而采用功率分量测量方法。功率的有效值可以按周期积分方法测量，但是其缺点是要达到准确测量至少需要20ms的连续积分时间，如果将测量时间缩短为半个周波，由于谐波干扰会出现测量误差。
新的测量方法是使测量信号的相位旋转一个特定的角度，这就克服了其它测量方法的缺陷，即缩短了测量时间，并可避免谐波干扰。通过相互对立的信号的合成，抵消了100Hz调制分量，测量值以直流电压信号的形式出现。
当输入量发生突然变化时，测量信号滞后2ms（图9），如此短的时间无疑提高了整个系统的动态特性。
图9 实际值测量的动态特性
整个系统的动态特性见图10，正弦无功电流对应20MVAR，频率为10Hz。从图中可见，整个系统的反应时间低于10ms。在最不利情况下，即给定值和实际值均在过零点时，误差约为4ms。
图10 整个系统的动态特性
从图10也可以看出执行元件的反应时间约为5ms。在控制器功率上升（全控）时，没有偏移现象，而在功率封锁时出现较大的偏移。已经触发的阀只有在阀电流过零时才能截止，一般延续10ms。
图11 电弧炉熔化阶段无功功率的变化曲线
TCR型动态补偿装置的用于电弧炉的工作情况见图11，补偿跟随时间约为2s。无功功率信号的测量方法与给定值计算的测量方法相同。
关于闪变问题，通过一个40W白炽灯显示补偿装置通断时的光波动情况（图12），其比值为1:4，即补偿装置断开后光波动增大4倍。在投入补偿装置后光波动的频率增大，影响降低。
图12 补偿装置对闪变的抑制作用
补偿装置对电网电压波动的抑制作用见图13，在10Hz范围内电压波动降低约50%。
图13 电网电压波动的频谱分析
A =无补偿装置
B =有补偿装置
5.2 直流电弧炉的闪变问题
通过对交流电弧炉和直流电弧炉的网侧电流矢量轨迹（图14）进行比较可以看出，在同样功率下，直流电弧炉引起的闪变干扰比交流电弧炉的要小50%。
图14 直流电弧炉（GL）和交流电弧炉（DL）的电流矢量
Iq=无功电流
Iq=有功电流
Ik=短路电流
IN=电弧额定电流
dx=相对感性压降（GL）
图14中直流炉的电流曲线为常数直流电流，因为直流电弧炉的电弧基本稳定，同量直流回路中的电抗对稳定性也有改善作用。
根据在各种炉料时使用UIE闪变测量仪测量结果，补偿装置的实际运行情况与计算值相吻合。评价闪变作用采用99%值，即在10min测量间隔内，只有1%的概率超出允许值。如果不考虑异常点，则99%闪变有效值的最高值为0.75%，即对应于4.5MVA的交流电弧炉功率和180MVA的电网短路功率。
评价直流电弧炉的闪变作用同样采用99%值，闪变平均值低于0.25%的允许值（图15）。
图15 直流电弧炉对10kV电网的闪变作用
（10min周期）
Ch=炉料
t =时间
jeff=闪变有效值
细线=99%值
粗线=平均值
为便于对各种交流电弧炉和直流电弧炉的电网反作用进行比较，将测量出的99%闪变有效值按1GVA电网短路功率进行换算，并将换算值与实际电弧炉功率相联系，所得到的相对量值即为在1GVA电网短路功率和1MVA电弧炉功率时的闪变值。
通过对3~75MVA容量的各种交流电弧炉的实际测量，证明相对闪变有效值在0.06~0.093%/MVA变化。上限值对应额定功率为3MVA的交流电弧炉。
直流电弧炉的99%相对闪变有效值为0.03%/MVA，大约为同容量交流电弧炉的一半至1/3。
表 1各种电弧炉闪变作用
1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 |
设备 | 电压 kV | 炉变功率 MVA | 闪变值 % | 短路功率 MVA | 相关值 % | 每MVA闪变值 % |
A B C D 交流炉带电抗 交流炉无电抗 直流炉 | 110 50 25 30 10 10 10 | 75 35 12 2.7~3.2 2.05 2.25 4.5 | 5.9 4.25 2 1.4 0.7 1.35 0.75 | 765 635 300 200 180 180 180 | 4.5 2.7 0.6 0.28 0.126 0.243 0.135 | 0.06 0.07 0.05 0.093 0.06 0.11 0.03 |
6. 结论
传统交流电弧炉在空载和短路的运行工况下，特别在开始熔化期，各相电弧长度和电流值发生强烈波动。使用动态补偿及滤波装置可以降低电弧炉对电网的影响，通过补偿、对称化和稳定作用使电网闪变降低到系数3。直流电弧炉的运行特性比交流电弧炉要好，但也需要考虑无功补偿及谐波问题。
