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第3 1 卷2 0 1 3 年第 1 期 总第1 6 3 期 使用与维护 s v c在冶金企业中的应用 李国军 ’ 高辉。 1 ． 鞍钢鞍凌钢公司能源动力厂 2 ． 鞍钢工程技术有限公司 朝 阳 1 2 2 0 0 0 【 摘要】 介绍了冶金企业中轧机、 电弧炉负荷特征引起的谐波等问题及各种治理措施 ， 分析了S VC的运行 原理及应用效果 。 【 关键词】 轧机负荷 电弧炉负荷谐波S V C补偿装置 Ap p l i c a t i o n o f S t a t i c Va r Co mp e n s a t o r S VC i n t h e Me t a l l u r g i c a l P l a n t L I G u o - j u n 。 ， G A O H u i r J 『 ． E n e r g y a n d P o w e r P l a n t o f A n s t e e l A n - L i n g I r o nS t e e l C o ． L t d ． ； 2 ． A n s t e e l E n g i n e e r i n g T e c h n o l o g y C o ． ， L t d ． ， C h a o y a n g 1 2 2 0 0 0 【 A b s t r a c t 】 D e s c r i b e t h e h a r m o n i c w a v e p r o b l e m c a u s e d b y t h e l o a d c h a r a c t e r i s t i c s o f t h e r o ll i n g mi l l a n d t h e e l e c t r i c a r c f u ma c e i n t h e me t a l l u r g i c a l p l a n t ， a n d t h e t r e a t me n t me a s u r e s ， a n d a n a l y z e t h e S VC o p e r a t i n g p ri n c i p l e a n d t h e a p p l i c a t i o n e f f e c t ． 【 K e y w o r d s l M i l l l o a d ， e le c tr i c a g e f u r n a c e l o a d ， h a r m o n i c w a v e ， s t a t i c v a r c o m p e n s a to r s v c 1 轧机、 电弧炉负荷特征及其对 电网的影响 轧机电动机多数采用可控硅变流器供电， 负 荷较大 ， 负荷的变化速度快 、 变化幅值大， 是重复 冲击性 的， 具有一定的周期性 ， 如鞍钢股份 2 1 5 0 热 连轧电气设备的安装容量为 1 6 0 M W， 计算负荷的 有功功率为8 8 M W， 无功功率为3 4 M V A， 冲击功 率为 7 9 MW。 与轧机负荷一样 ， 电弧炉也具有负荷容量大 的特点 ， 与轧机负荷不同的是电弧炉负荷变化没 有规律， 由于电弧炉在融炼期间电极经常短路， 电 弧不稳定造成电流波动剧烈 ， 而且 电流严重失 真。因此与轧机比起来， 电弧炉给电力系统带来 的影响更加严重 。 一 般来讲轧机 、 电弧炉负荷引起的问题主要 包括电压闪变、 电流与电压谐波、 功率因数低 、 不 对称 、 频率波动等。这些方面的问题主要会引起 以下几个方面的危害 1 电压波动与闪变造成电网电压质量下降， 严重影响其他用户的用电安全。 2 电压与电流谐波引起电力系统谐振， 产生 过电压 、 过电流导致设备绝缘击穿、 损坏与烧毁。 一 般而言， 轧机负载的谐波以奇次谐波为主， 电弧 炉负载的谐波则奇次谐波和偶次谐波都 比较严 重。 ． 2 8 - 3 电压和电流谐波还容易导致计算机和保 护装置失灵， 测量装置误差增大， 对弱电系统产生 较大的干扰。 4 功率因数低造成线损增加， 线路传输能力 下降； 不对称也会使得系统的传输能力大幅下降。 5 由于无功 的剧烈变化 ， 容易引起 自身用电 系统乃至 电网的电压 不稳定 ， 而有功的剧烈变化 则容易导致频率波动剧烈， 系统失去功角平衡。 6 电压降低还降低了轧机或电弧炉的有效 输出功率。 至于频率波动的问题， 只有通过增加系统容 量来实现 ， 而其他 问题如 电压闪变 、 电压低下 、 功 率因数低下、 不对称、 电流与电压谐波等问题都可 以在一套设备 中加以解决 ， 这一设备就是新 型高 压动态无功补偿设备。可见这一设备对轧机和电 弧炉的运行以及相关电网的安全可靠运行具有十 分重要的意义 。 2 电网对轧机、 电弧炉负荷的限制措施 正是因为轧机与电弧炉负荷对电网的严重影 响以及对 电网安全经济运行的重要性 ， 电网对此 类负荷的入网提出了相应的要求 。以鞍钢股份 2 1 5 0 热连轧生产线为例， 电网提出主要的要求包 括 l O k V 母线电压降最大值为 2 ％； 功率因数为 使用与维护 第 3 1 卷2 0 1 3 年第1 期 总第 1 6 3 期 O ．9 5 ； 电压波形总畸变率为4 ％。 对谐波电流 ， 国家也规定了相应的标准， 对于 各个电压等级对谐波的规定是不同的， 6 6 k V要求 各次谐波的电流值小于表 1 中规定的值。 表 1 6 6 k V谐波电流允许值 谐波次数 2 3 4 5 6 7 8 9 1 0 电流允许值／ A 1 6 1 3 8 ． 1 1 3 5 ．4 9 ． 3 4 ． 1 4 ． 3 3 ． 3 谐波次数 1 1 1 2 1 3 1 4 1 5 1 6 1 7 1 8 1 9 电流允许值／ A 5 ． 9 2 ． 7 5 2 ． 3 2 ．6 2 ．0 3 ． 8 1 ． 8 3 ．4 为了实现对电压闪变、 电压低 、 功率因数低 、 不对称、 电流与电压谐波等问题的治理 ， 目前一般 采用S VG ／ A P F ， S VC以及新型S V C等三种方案。 2 ． 1 AS VG／ A P F方案 由于采用了有源的方案 ， 不再需要电容作为 补偿使用， 而且开关元件均为可关断的高频开关 器件如G T O 、 I G C T 等， 所以A S V G ／ A P F 的方案具有 设备体积小 、 响应速度快、 无谐波污染、 对电网呈 现电流源特性 电网电压对设备容量， 尤其是无功 容量的影响呈线性关系 等优点， 是当今最先进的 无功补偿 与谐波治理装置 。但是 由于设备复杂程 度高、 稳定性差， 开关器件可靠性差、 价格昂贵等 原因， 这种方案性价比较低， 基本不具备工业现场 运行 的条件u 。所 以， 在冶金行业 ， 解决轧机 和电 弧炉带来的各种问题 ， 主要的方案还是 S V C 和新 型 S V C这两种方案 。众所周知 ， 单纯无功 的补偿 是很容易通过并联电容器实现的， 而在需要治理 谐波时， 真正实用的滤波方案还是无源滤波， 因此 在同时需要这两种功能的场合， 它们被合二为一， 组成F C 网络。而电压闪变的治理、 无功变化的动 态补偿以及不对称的治理也都需要通过动态无功 补偿装置来实现。 2 ． 2 S VC方案 自2 0 世纪8 0 年代以来， 传统S V C 经过长足的 发展， 成为主要的动态无功补偿装置。它以响应 速度快 ， 技术相对成熟以及高压S C R 器件可靠性 高于G T O 、 I G C T 等为人们所熟知。但是， 即使是经 过 了2 0 来年 的发展 ， 还是无法克服装置本 身所 固 有的缺陷 1 硅塔可靠性低。由于硅塔由单只S C R串 联而成， 任何一只S C R损坏都会造成硅塔整体损 坏， 因此， 传统S V C的可靠性等级始终无法达到理 想的水平。 2 谐波污染大。传统的S V C 装置带给系统 的另外一个问题 就是引起 了大量的谐波 ， 因此 即 使系统 自身不存在谐波， 也需要安装滤波装置， 增 加了造价与占地面积。 3 体积庞大。由于采用的是空心电抗器 ， 而 且滤波装置容量大， 硅塔的安装需要专门的厂房 ， 而且硅塔需要水冷装置 ， 诸多原因导致传统 S V C 的占地 面积非常庞大嘲 。 2 ． 3 新型 S VC方案 随着控制技术 的不断发展和对 电抗器工艺与 结构的突破性改进， 在克服了传统饱和电抗器响 应速度慢、 损耗大、 噪音大、 谐波大等缺点之后， 一 种基于磁阀式饱和电抗器的新型 S V C装置在具备 了响应速度快 的特 点的同时 ， 克服 了传统 S V C的 上述诸多缺陷。正因如此， 美国电科院于2 0 0 2 年 向本国企业推荐这种新型S V C 为传统S V C的替代 产品。与传统 S V C 相比， 这种新型S V C 最主要的 特征就是S C R安装在控制回路而不直接安装在主 回中， S C R所需要承受的电压仅为主回路的1 ％左 右。归结起来 ， 新型的S V C 装置具有以下显著特 点 1 极 高的可靠性 。 2 较低 的谐波 含量 ， 三相角接 系统 的 电流 T H D小于5 ％， 符合国家规定的相关标准。 3 体积小 ， 可调电抗器部分体积仅为传统 T C R的 1 ／ 5 左右 。 4 响应速度快 ， 可以达到 2 0 ms 左右 。 3 新型8 V C 装置的工作原理及其应用 3 ． 1 工作原理 新型S V C的系统 见图2 构成与传统s v c 见图1 相 同 ， 由F C和可调 电抗器两部分组成 。区别在于传 统 S V C可调 电抗器为 T C R， 而在新 型的 S V C可调 电抗器为 P T C R。P T C R的渊源来 自磁放大器 以及 传统的饱和电抗器， 但是由于它们的响应速度慢、 损耗大、 噪音大、 谐波大等缺点 ， 长期以来没有得 到广泛的应用， “ 磁阀” 概念的提出， 大大改善了饱 和电抗器在损耗、 噪音以及谐波等方面的性能， 使 得饱和电抗器的性能得到了突破性的改进。而控 制技术与电力电子在饱和电抗器中的创新应用 ， 使得传统饱和电抗器响应速度慢的缺点得到了根 本性的改进 ， 而响应速度的改进大大扩展了饱和 电抗器在动态无功补偿领域应用。正是饱和电抗 器在动态无功补偿领域的应用 ， 改变了动态无功 一 2 9 第3 l 卷2 0 1 3 年第 1 期 总第 1 6 3 期 使用与维护 补偿技术的格局， 使得一种可靠性更高、 基本谐波 污染小 、 体积更小、 对环境适应能力更强的动态无 功补偿装置在技术上成为可能[2 1 。 传统饱和电抗器是通过改变直流激磁进而改 变铁心的饱和程度， 从而达到平滑调节无功输出 的目的的。磁阀式饱和电抗器见图3 与传统饱和 电抗器的主要差别在于 1 铁心中具有小截面段， 即所谓的“ 磁阀” 。 2 励磁采用 自耦方式， 降低成本， 并使得超 高压应用成为可能。 图 1 S V C原理 ． 3 0 - 晶闸管相控电抗器 T C R 图2 新型 S V C 原理 壅 图3 磁阀式可控电抗器原理 可 以看 出， 电抗 器 由一 个 四柱铁 心和绕组组 成 ， 中间两个铁心柱为工作铁心 ， N k 为控制绕组 ， N为工作绕组。由于可控硅接于控制绕组上， 其电 压很低 ， 约为系统额定 电压 的 l ％左右 ， 从 而大大 提高了运行可靠性。 通过控制可控硅的导通角， 可以控制五 。 和五 的大小， 从而控制工作铁心的饱和度， 就可以平滑 的调节电抗器的容量。从图中， 还可以看出， 磁阀 式饱和电抗器具有 自耦励磁功能， 省去了单独的 直流控制电源。 磁阀式饱和电抗器的另一特点是小截面铁心 处于极限饱和状态 。而其他铁心则处于不饱和状 态， 降低了有功损耗， 降低了谐波含量[2 1。 3 ． 2新型 S VC的应 用 在冶金企业中安装新 型动态无功补偿装 置 ， 解决轧机或电弧炉等负载带来的问题 ， 对公共电 网及其用户 ， 主要解决了以下几个方面的问题 1 克服因为无功冲击造成的电压降低与电 压闪变， 系统电压降低 1 ％， 工业企业产量将会降 低0 ． 5 ％， 因此， 具有重要的社会与经济效益。 2 提高功率因数， 提高线路传输能力 ， 降低 线路损耗。 3 消 除谐波 污染与 负序 电流 ， 提高 电能质 量， 降低系统损耗， 提高系统安全运行水平。 4 降低线路损耗电费。 5 免除功率因数低罚款 ， 获得功率因数奖 励。 6 免除谐波和闪变超标罚款。 7 增加产量， 降低能耗。 以鞍钢股份 2 1 5 0 连轧为例 ， 通过安装 S VC ， 使 得整个系统的参数达到了相应的国家与国际标准 要求 见表 2 。 表2 安装S V C之后的相应数据测试表 上述对电网的改善主要是针对公共 电网而 言， 就安装S V C 的鞍钢股份公司自身而言， 也获得 了可观的经济效益 每年可以节约线损电费 1 6 _3 使用与维护 第3 1 卷2 0 1 3 年第 1 期 总第1 6 3 期 万元 ； 节约无功罚款 1 8 0 0 万元 ； 增加无功奖励收入 1 2 0 万元； 免除谐波和闪变超标罚款。 4 结 论 由上述分析可见， 在冶金企业的轧机、 电弧炉 等负荷的供电系统中安装新型S V C 不仅可以保证 冶金企业的正常运行 ， 而且可以改善功率因数、 消 除谐波与电压闪变， 提高电压稳定水平， 提高电力 系统传输能力。 新型S V C由于降低 了电压波动 、 提高了电压 水平 ， 提高了电弧炉使用效率， 缩短了冶炼时间， 增加了产量 ， 降低了单产电耗。具有很好的经济 效益和社会效益 。 [ 上接第2 4页] 整定计算过程 。在保护层次较 多 ， 同时受上级 电 网定值时限限制 ， 保护之间的时限匹配是保护定 值需要考虑的重要因素。保护定值的匹配使故障 时保护正确动作 ， 不越级跳闸； 发电机和变压器双 差保护配置 ， 提高了保护装置的可靠性。该工程 于 2 0 1 2 年年初顺利投运 ， 发电机变压器 的保护定 值整定准确可靠， 系统运行稳定。 参考文献 【 1 】1国家技术监督局． 继电保护和安全 自动装置技术规 [ 上接第 2 7 页] 基于磁阀式饱和 电抗器 的新型 S V C装置由于 具有响应速度快、 可靠性高、 体积小、 谐波含量低、 环境适应能力强、 安装调试方便等诸多优越性， 是 传统S V C 的理想升级替代产品。 参考文献 [ 1 】 周鹤 良． 我 国电力市场与对策． 第七届全 国“ 智能化 电器及 应用 ” 学术年会 暨“ 2 0 0 4 年配 网 自动化 和 变电站 自 动化” 论坛论文集． 南京 中国电工技术学会电器智能化 系 统及应用专委会 ， 2 0 0 4 1 3 ． 【 2 】 赵贺． 电力电子学在电力系统中的应用一灵活交流 输电系统． 北京 中国电力出版社， 2 0 0 1 2 0 - 5 0 ． 2 0 1 2 - 0 8 - 1 4 收稿 程GB ／ T 1 4 2 8 5 --2 0 0 6 [ 1 ． 北京 中国标准出版社 ， 2 0 0 6 ． 【 2 】 王维俭． 电气设备继电保护原理与应用f M】 ． 北京 中 国 电 力 出版 社 ， 1 9 9 6 ． 【 3 ] 贺家李 ， 宋从矩． 电力系统继电保护【 M】 ． 北京 中国 电力出版社 ， 2 0 0 4 ． [ 4 14北京四方继保 自动化股份有限公司． CS C- 3 0 6 数字 式发 电机保护装置说 明书．2 0 1 0 ． 【 5 】 北京四方继保 自动化股份有限公 司． C S C～ 3 1 6 M数 字式 变压器保护装置说 明书． 2 0 0 6 ． 2 0 1 2 -1 1 - 0 5 收稿 5 板坯连铸机振动装置的发展趋势 随着科学技术 的发展 ， 连铸机振 动装 置也 由 机械振动发展为液压振动、 伺服电动缸振动。由 于机械振动装置存在的固有缺陷以及连铸生产对 振动性能要求的逐步提高， 板坯机械振动装置逐 步被淘汰， 取而代之的液压振动装置具有振动波 形 、 频率 、 振幅在线可调 的巨大优势 ， 在连铸机振 动装置中广泛采用。但液压振动也存在两振源的 同步性差 、 液压 系统维护 困难 、 过载能力小 、 能耗 较高及一次投资大等缺陷。伺服电动缸振动装置 较好地克服了液压振动装置的缺陷， 具有运动精 度高、 同步性好、 振动波形频率振幅在线可调、 实 现内外弧仿弧振动、 能耗低、 运行稳定、 不对环境 产生污染等优点， 已展示出其在连铸机振动装置 上推广应用的巨大优势和广 阔前景。 伺服电动缸不仅可在连铸机结晶器振动装置 中使用， 而且也在宁钢公司结晶器调宽装置中得 到应用， 其应用范围将会更加广阔。 参考文献 【 1 】 李宪奎． 连铸结晶器振动技术等． 冶金工业出版社． 【 2 】 板坯连铸机设计资料冲 冶赛迪． 【 3 】 镭钼公司伺服电动缸在振动装置上的应用介绍． 2 0 1 2 0 8 - 3 0 收稿 一 31