冶金钢铁企业供电系统电能质量问题典型案例研究.docx
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冶金钢铁企业供电系统电能质量问题典型案例研究
第六届电能质量高峰论坛典型案例集
冶金钢铁企业供电系统电能质量问题的典型案例研究
口北京博电新力电气股份有限公司杨传敏
1引言
电能是一种经济实用又清洁方便的能源形式，也是一种由电力企业向电力用户提供并由供用电双方共同保证质量的特殊产品。
与其他商品一样，电能也应讲求质量。
电能质量即电压质量，合格的电能质量应当是恒定频率和恒定幅值的正弦波形电压与连续供电。
在满足工业生产、社会和人民生活对电能需求量的同时，提高对电能质量的要求是一个国家工业生产发达、科技水平提高、社会文明程度进步的表现。
随着计算机技术、自动化技术、变流技术、电力电子技术的飞速发展，不间断电源、变流装置以及可控硅整流电源在冶金钢铁企业供配电系统中大量使用，大大增加了供配电系统中的非线性负荷，从而引起供电电压波形畸变，给电网注入了大量谐波，供电质量下降，对供配电系统造成严重的危害。
同时，随着电力系统的发
展和电力用户自动化水平的提高，电气设备对电源电压质量的要求越来越高，而波动性负荷造成的局部电网电压不稳和功率因数恶化严重威胁着高自动化水平设备的电气设各和自动化设备的寿命，制约着企业生产效率的提高。
冶金钢铁企业生产中一般采用电弧炉、精炼炉、中频炉或感应炉等，其产生的电能质量问题不容小觑。
以下是北京博电新力电气股份有限公司对武汉某钢铁企业的供电系统进行电能质量问题分析与治理的案例，分析电能质量治理在钢铁行业的应用。
武汉某钢铁企业建设一座220kV变电站，由1台180MVA主变供电（变比：
220kV／110kV／35kV），其中
35kV母线主要负荷为l台20T电弧炉、1台30T电弧炉、1台30T中频炉、1台100T电弧炉、1台120T精炼炉及1台
30T电渣炉；其中110kv侧降压至6kV，主要为螺旋桨厂、特殊钢厂、锻压厂等分厂供电，其中主要的负荷为1台30T精炼炉、1台40T精炼炉等。
对该钢铁企业220kV变电站电能质量进行分析和治理。
2负荷特性分析
电弧炉工作特点及主要影响：
用于冶炼的电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，如图
l所示，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。
用于冶炼的电炉一般有三个特征工作阶段：
开始融化阶段、固体炉料熔化，能量需求很大；初精练及加热阶段；精练期，此阶段输入能量只需平衡热损耗。
在废钢冶炼时电炉的工作特性为：
在开始熔化时电弧频繁出现截断和重新燃弧：
在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。
电炉在运行时电弧电流受电磁力作用、电极移动以及对流气体的影响变化剧烈，并且具有很大的随机性，特别在起炉、废钢熔化、打洞塌落、短接废钢、气体喷出时尤为严重。
剧烈的电弧电流变化，产生剧烈的无功、有功冲击。
电炉炼钢时产生以下现象：
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第六届电能质量高峰论坛典型寨例集
1）日于电弧电阻的非线性和瞬变性产生高欢谐波、
2l交流电炉运行时由于三相电弧不对称，产生夤序电流
3）在剧烈的无功、有功冲击电流作用下，供电系统产生剧烈的电压波动和周变
。
阅：
峪
LF精炼炉I作特点Ⅱ主要影响-LF炉即钢包精炼炉，是用来对初炼炉C自Ⅱ炉、平炉、转炉）所熔钢水进行精炼．并且能调节钢水温度，I艺缓冲，满足连铸、连轧的重要冶金设备．钢包炉是炉卦精炼的主要设备z一。
与电Ⅲ炉EAF桕M较，精炼炉的垆况％较平穗．不存在熔化期，有功Ⅱt功变化相对＆较稳定，虽没有EAF炉对电同影响太，但对供电质量殛用电设备也存在很大的影响。
中频妒I作特点及主g影响中频炉是一种将I频501tz交流电转变为中频f300Itz以上至20Hz）的电源装置，把三相工频空流电，整流后变成直流电，再杷直流电变为可调节的中频电流，供给由电容和感应线圈里流过的中频文变电流，在感应圈中产生高密度的碰力线，并切割感应圈￡盛放的金属材科，在金属材科中产生很大的涡流。
这种涡流同样具有中频电流的一g性质，即金属自身的自由电子在有电阻的金属体g流动要产±热量。
中频炉工作特点一由于负荷变动小、效率高，￡功波动较小，功率目数较高，但会产生大量的谐波（以
Nk±1为±，N为脉数l。
但由于技术厚目，目前24脉动∞中频妒除7F生23次和2锨谐波外还会产生3次、4
次、5扶和6发也№较大。
目此谐波是中频炉运行时主要的电能质量问题。
3变电站电能质量现状分析
220kV变电站供电
3135kV司t线上负荷；I起的电能质置问题分析通过对电m炉、精炼妒压中频炉等负荷的性质的*折，35kV母线屯能质量问题如1所}。
（1）谐波自流
第六届电能质曼高峰论坛典型案例集
根据对该企业变电站中同类负荷的电能质量测试数据的统计分析，并考虑负荷最大时，即6台电炉同时工作时，按国标对所有负荷产生的谐波电流进行叠加，叠加换算后注入35kV母线的谐波电流如表l所示。
表1ii．N35kV母线的谐波电流值（A）
谐波次数负荷注入35kV母线的谐波电流允许注入35kV母线的谐波电流结果分析
’
2123．5419．32超标
3237．591546超标
474．36992超标
5133．231546超标
625．346．57超标
733．2511．33超标
86．354．89超标
96．465．28超标
103．77399
”8．607．21超标
123．16335
136．96605超标
（2）谐波电压根据供电系统参数、负荷参数和谐波电流参数，建立谐波潮流计算网络，利用国际流行的仿真软件PSAF
进行仿真分析，谐波电压仿真结果如表2所示。
表235kV母线的谐波电压值（％）
谐波次数35kV母线的谐波电压值谐波电压限值结果分析
23．271．2超标
39．3624超标
44．061．2超标
58．722_4超标
62．181．2超标
73．3224超标
8O．771．2
91．022．4
100．61．2
110．9624
12O．681．2
130．922．4
电压总畸变率14643O超标从表1中可以看出，2次～13次谐波电流超过国标限值，不合格。
从表2中可以看出，2次～7次谐波电压含有率超过国标限值，不合格；电压总畸变率超过国标限值，不合格。
（3）电压波动及闪变交流电弧炉是一种特殊的非线性；中击负荷，运行中电弧炉从系统吸收的有功、无功功率的大幅度变化将弓
起电压波动。
国际上通用的计算交流电弧炉最大无功功率冲击的计算方法为：
岈笔
式中：
g——电炉最大无功冲击，Mvar；
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第六届电／日-x匕t5质量高峰论坛典型案例集
U。
——额定电压，kV；
x厂从电炉看到系统的综合阻抗，Q；
按以上给定的无功冲击计算方法及用户提供的系统参数，通过计算可得出各负荷产生无功冲击约为：
127．8Mvar，引起35kV母线电压波动为39．7％，电压闪变为11．9，均不满足国标要求，不合格。
（4）三相电压不平衡根据仿真计算，35kV母线所带负荷引起PCC点的电压不平衡度占u为13．56％，不满足要求，不合格。
（5）功率因数根据同类型负荷的实际测试统计及项目经验，该企业35kV母线所带负荷的无功分析，35kV母线的功率因
数在0．7左右，不满足要求，不合格。
3．26kV母线上负荷引起的电能质量问题分析通过对精炼炉及中频炉等负荷的性质的分析，6kV母线电能质量问题如下所示。
（1）谐波电流
根据对该企业变电站中同类负荷的电能质量测试数据的统计分析，并考虑负荷最大时，按国标对所有负荷产生的谐波电流进行叠加，叠加换算后注入6kV母线的谐波电流如表3所示。
表3注入6kv母线的谐波电流值（A）
谐波次数负荷注入6kV母线的谐波电流允许注入6kV母线的谐波电流结论分析
243．027．95超标
338．822．10超标
423．813．65超标
524．922．10超标
616．69．10超标
722．615．60超标
88．37．15超标
96．47．15
105．35．53
”18．510．40超标
124．14．62
139．18．45超标
（2）谐波电压根据供电系统参数、负荷参数和谐波电流参数，建立谐波潮流计算网络，利用国际流行的仿真软件PSAF
进行仿真分析，谐波电压仿真结果如表4所示。
表46kV母线谐波电压值（％）
谐波次数6kV母线的谐波电压值谐波电压限值结论分析
20．701．6
31．173．2
40，8616
51．263．2
61．1716
71043．2
80．471．6
9O．413．2
1002816
11O．8732
12O2116
130．5432
电压总畸变率2，094％合格
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第六届电钱质量高峰论坛典型案例集
从表3中可以看出，2次～8次、11次、13次谐波电流超过国标限值，不合格。
从表4中可知谐波电压满足国标要求。
（3）电压波动及闪变6kV母线的主要冲击性负荷为1台30T精炼炉及1台40T精炼炉，根据北京博电新力电气股份有限公司对同类
型负荷的测试数据及经验计算6kV母线各负荷引起6kV母线电压波动为9．8％，电压闪变为4．4，不满足要求，不合格。
（4）三相电压不平衡
根据仿真计算，6kV母线所带负荷引起的电压不平衡度占u为1．35％，不满足要求，不合格。
（5）功率因数据同类型负荷的实际测试统计及项目经验，6kV母线的功率因数在0．85左右，不满足要求，不合格。
3．3220kV母线电能质量问题分析
通过以上分别对35kV母线及6kV母线的电能质量分析，根据供电系统参数、负荷参数和谐波电流参数，建立谐波潮流计算网络，利用国际流行的仿真软件PSAF进行仿真分析，对220kV母线的电能质量问题分析。
（1）谐波电流
表5i主A．220kV母线的谐波电流值（A）
谐波次数负荷注入220kV母线的谐波电流允许注入220kV'l犟线的谐波电流结果分析
22312超标
341．7796超标
413．866超标
523．8196超标
64．99d超标
76．436．8
81．383
91333．2
100．842．4
111．2743
120．832
1313。
7
（2）谐波电压根据供电系统参数、负荷参数和谐波电流参数，建立谐波潮流计算网络，利用国际流行的仿真软件PSAF
进行仿真分析，谐波电压仿真结果如表6。
表6220kV母线的谐波电压值（％）
谐波次数220kV母线的谐波电压值谐波电压限值结果分析
2096O．8超标
32．6116超标
41．15O．8超标
52481．6超标
6062O8
7O941．6
8O230．8
90251．6
10O，1708
11O291．6
12O21O8
13O271．6
电压总畸变率4132O超标
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第六届电能质量高峰论坛典型案例集
从表5中可以看出，2次～6次谐波电流超过国标限值，不合格。
从表6中可以看出，2次～5次谐波电压含有率超过国标限值，不合格，电压总畸变率超过国标限值，不合格。
（3）电压波动及闪变通过对35kV母线及6kV母线所带负荷的无功冲击叠加计算可得出220kV母线电压波动为6．4％，电压闪变为
1．9，均不满足要求，不合格。
（4）三相电压不平衡
通过对35kV母线及6kV母线所带负荷的负序电流的分析及计算可得出220kV母线三相电压不平衡度占u为3．64％，不满足要求，不合格。
（5）功率因数根据同类型负荷的实际测试统计及项目经验，对35kV母线及6kV母线所带负荷的的功率分析，同时考虑主
变无功消耗，考核点220kV母线的功率因数在0．7左右，不满足要求，不合格。
4综合分析及确定治理措施
根据以上分析，由于该企业的生产性质及负荷特点，变电站中220kV母线、35kV母线及6kV母线的电能质量均存在不满足国家标准，甚至远远超过国标允许值的情况。
为保证电篚质量合格达标，应采取措施对其电能质量进行治理。
4．1SVC装置简介
SVC（StaticVarCompensator）——静止无功补偿器，其静止是相对于发电机、调相机等旋转设备而言的。
它可快速改变其发出的无功，具有较强的无功调节能力，可为电力系统提供动态无功电源、调节系统电压，当系统电压较低、重负荷时能输出容性无功；当系统电压较高、轻负荷时能输出感性无功，将供电电压补
偿到一个合理水平。
SVC通过动态调节无功出力，抑制波动冲击负荷运行时引起的母线电压变化，有利于暂态电压恢复，提高系统电压稳定水平。
北京博电新力电气股份有限公司生产的SVC装置具备以下技术特点：
控制系统采用基于DSP的全数字化控制系统，响应时间小于10ms，控制精度小于1％；监控系统采用就地及远方监控操作站，对一次、二次设备进行实时全面监控；保护系统采用双重数字化保护，控制系统作为快速、灵活的主保护，微机数字保护测控装置作为安全、可靠的后备保护，最大限度地确保SVC安全可靠的运行；晶闸管阀组采用国外著名公司晶闸管、高电位电路板取畿、进口BOD保护和紧凑的结构，运行安全可靠，维护便捷高效；冷却系统采用密闭式水冷却系统或高效的自冷系统，可根据用户要求灵活选择，冷却效率高，运行安全可靠，维护方便；采用光电触发方式，阀组与控制系统通过光纤隔离，抗干扰能力强；采用多种调节控制方式，可实现三相、分相、无功、电压调节控制，以及电压和无功联合调节控制或加权联合调节控制；采用多种通信规约；可以方便与变电站自动化系统（SCADA系统）通讯联接，真正实现无人值守或集中控制。
4．2治理措施及效果
4．2．135kV母线SVC装置
通过对以上负荷的分析，确定35kV母线安装1套额定容量为125Mvar的TCR型SVC（晶闸管控制型静止无功补偿装置）：
在该变电站中，成套装置的动态感性容量（TCR支路容量）为125Mvar，并直接挂在35kV母线上作集中电能质量治理，可以将考核点电压波动和闪变治理到国标范围以内。
4．2．2对于FC滤波支路的设计
确定了补偿容量后，需要将补偿容量分配到滤波支路上，臆波支路的配置需要考虑以TJL点：
根据谐波电流超标情况，确定滤波支路数量；根据谐波电流的大小，确定各个滤波支路的有效容量：
根据滤波支路的安全性，确定各个滤波支路的电容器额定电压；根据串并联台数以及保护方式，确定各个滤波支路的单台电容器容
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第六届电能质量高峰论珐典型案例集
量；根据多个仿真计算的结果，确定各个滤波支路的最终详细参数。
表7TCR电抗器技术参数
TCR电抗器技术参数
三相额定容量（Mvar）125
额定电压（kV）3B
额定电流（A）1191
频率（Hz）50
电容器组额定电压的选取考虑下列因素：
串联电抗器引起的滤波电容器工频电压升高；接入点的系统最高
运行电压；谐波引起的电容器电压升高；相问和串联段间的电压分配不均匀；根据以上几点，可计算出各个滤波支路的最终参数。
—r—丁
单调谐滤波嚣c型滤波器二阶高通滤波器
图3FC滤波支路常用接线方式
根据谐波电流注2＼35kV侧的情况，滤波支路设置方案：
加装2次、3：
2、4次和5次四组滤波器。
所有滤波器同TCR均直挂在35kV母线。
滤波器支路采取如下接线方式，见表8所示。
表8FC滤波支路参数
FC滤波支路参数
滤波支路（次）2345
额定容量（Mvar）125
额定工作电压（kv）35
频率（Hz）50
接线方式Y—Y
4．2．36kv母线SVC装置
通过对以上负荷的分析，确定6kV母线安装I套额定容量为25Mvar的TCR型SVC（晶闸管控制型静止无功补偿装置）：
在该变电站中，成套装置的动态感性容量fTCR支路容量）为25Mvar，并直接挂在6kV母线上作集中电能质量治理，可以将考核点电压波动和闪变治理到国标范围以内。
表9TClLO。
3A．器技术参数TCR电抗器技术参数
三相额定容量（Mvar）25
额定电压（kV）6
额定电流（A）138．8
频率（Hz）50
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第六届电能质量高峰论坛典型案例集
4．2．4对于FC滤波支路的设计根据谐波电流注入6kv侧的情况，滤波支路设置方案：
加装2次、3>X、4次和5次四组滤波器。
所有滤波器
同TCR均直挂在6kV母线。
滤波器支路采取如下接线方式，如表10所示。
表10FC滤波支路参数
FC滤波支路参数
滤波支路（次）2345
额定容量（Mvar）25
额定工作电压（kV）6
频率（Hz）50
接线方式Y—Y
4．3SVC装置治理效果分析
3．3．135kV母线svc治理效果分析
（1）谐波电流
表11SVC投入后_；iA．35kV母线的谐波电流值（A）
谐波次数SVC投入后负荷注入3skV母线的谐波电流允许注入35kV母线的谐波电流结果分析
212．819．32合格
34．3215．46合格
4O．859．92合格
5O．5315．46合格
60．646．57合格
78．091133合格
82．184．89合格
q3．665．28合格
1023．99合格
114．377。
21合格
121．463．35合格
133．396．05合格
（2）谐波电压
表11SVC投）LN35kV母线的谐波电压值（％）
谐波次数35kV母线谐波电压值谐波电压限值结果分析
20．451．2合格
3O．132．4合格
4O．031．2合格
50．032．4合格
60．021．2合格
7O．582．4合格
8O．181．2合格
90522．4合格
10O．211．2合格
110．512．4合格
120．1812合格
1304624合格
电压总畸变率14830合格
从表11中可以看出，SVC投入后注入35kV母线的各次谐波电流均满足国标限值，合格。
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第走届电能质量高峰睦坛典型寨刚集
从表10中可H看出，SVC投AE35kV母线的各次诺波电Ⅱ含有率均满2国标限值．电压总畸变率满2目标限值，合格。
目4～图5为SVC投人前后3SkY母线的电流厦电Ⅱ波形
：
=|m￡i1—j￡—L——————————————————_J
（aJ
目4SVC＆^∞目35kV日＆自∞*Ⅳ
=堂±￡————————————————
la】
目5SVC＆^*目3skv日＆自Ⅱ#m
f3}电压波动和闰变
由于SVC的动态响应速度非常快，响应时间（15ms，即实现7％功功率的实时动态补偿，通过仿真分析，当svc投^后，改善月的电压波动为086％，同变值为072。
SVC投运￡，35kV母线的电压变动和阔变均满足要求，台格。
f4}=相电压不平衡度SVC具有*相调节功能，使三相不平衡负载得以抑制，目此女svc投i后，35kV母线正常电压不平街度
*LO％，满2要求，合格。
f5）功率因数
通过计算35kV母线所有负荷的功窄目数由O7提高到095所需要的基波￡功，同时者虑供电主变的￡功损耗，所镕￡功自率约*72Mvar<125Mvar。
目此，SVC投运后．PCC的功率目数可选g；lO95以上，且t自不会倒送，满足要求。
43．26kV母线SVC浩理效果分析
（1l谐波电流
^12svc&^e；iA．6kV{：
a¨镕＆tmm（A
☆t女tIsvc*^目m#＆^6w}＆∞**自％±*＆^j#^skv{lR∞*t自女
210782795
30702210
4031365
50z2210
6493910
7481560
8122715
92．95715
10109553
11321040
12067462
13184845
2）谐波电压
^13svc＆^月“v4＆∞*＆tⅡm（％
e镕e#
☆镕
☆镕自镕自镕自#e镕
☆镕e#
☆#e镕
=镕
从表12中可雌看出，SVC投^后注A6kV母线的各次谐波电流均满足目标阳值．台格。
n表13中可以看出，SVC投^56kv母线的各扶谐波电压吉有率均满足目标限值，电压总畸变率满足国标
煨值，台格。
豳6一目7为svc投^前矗6kV母线的电流及电压波形。
“4{船”
第六届电能质量高峰论坛典型案例集
徽一鬻罴兰盎一慧蔗娄兰墓一票竺爹
第六属电能质量高峰论坛典型宰铡集
1女波电流
^14svc&^￡iiA．220kV日"“∞*＆tmⅡ（A
SVCt^目m#4^芷okv4t∞*t自≈￡*＆^221№V日#∞*tt《
36712
07106
0146
00996
0074
14268
0383
09932
03524
07943
0252
0637
2l谐波电Ⅱ
^15SVC＆^e220kV4＆∞*《tAm（％
结论：
从表x45可以看出，SVC投^后注A220kV母线的各次谐波电流均满E国标m值，台格。
从表15中可以看出，SVC投^后220kV母线的各次谐波电压含有率均满2国标限值，电压总畸变率满足目
标限值，台格。
图9一图10为SVC投^前后220kV母线的电流厦电压波形。
一i器j娜荆：
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faI{bl
目9SVC＆^∞E220kV日《∞自∞*％
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目10SVG＆^*目220kV4a∞自Ⅱ＆Ⅳ
《3）电Ⅱ波动和闻变
通过仿真分析，当svc投i5，负荷在引起220kV母线的电压波动为052％．电压闪变*04．均满￡}求，合格。
（4）j相电压不平衡度女SVC投i5，220kV母线Ⅱ常电压不平衡度为065％满足g求，合格。
f5）功率目数
女svc投i后，220kV母线平均功率目数选到095H±，且T发±￡功剧送．满E要求，合格。
5结
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