一种电弧炉低压无功补偿及滤波装置及其电压控制方法与流程

本发明具体涉及一种电弧炉低压无功补偿及滤波装置及其电压控制方法，属于电弧炉生产节能降耗领域。

背景技术：

电弧炉是利用电弧热冶炼金属的一种电炉，属高耗能生产设备；是利用石墨电极与被熔炉料之间的高温电弧热冶炼生产合金钢的设备；产品有工具钢、不锈钢、特种钢等；电弧炉炼钢工艺由补炉，装料，启弧，熔化期，精炼期，出钢六个阶段组成；现有的电弧炉在使用过程中存在着某些不足。

（1）电弧炉低压侧功率因数比较低；有载调压变压器、短网、软缆呈现电感性特征，数万安培的电流经过变压器、短网、软缆时产生大量的无功功率，低压侧功率因数仅能维持在0.84左右，明显低于国家高压供电用户功率因数0.90的规定。

目前，电弧炉多数采用高压、中压无功补偿，虽然能满足国家高压供电功率因数的要求，但因电弧炉无功损耗主要集中在有载调压变压器的低压侧，因此，企业并没有多少节电效益；如果不进行有效的低压无功补偿，无功电流仍占用大量供配电设备容量，设备不能充分利用，企业产能也会受到限制。

（2）电弧炉在炼钢过程中，负荷电流急剧频繁无规则的变化，产生非正弦不对称的畸变，不仅引起电压波动和闪变，还产生大量的谐波频率；特别是熔化期间炉料倒塌、电极短路、相电压不平衡，不仅产生奇次谐波，而且还产生偶次谐波，对电网造成用电环境污染；主要产生2～7次谐波频率，包括100hz、2次谐波，150hz、3次谐波，200hz、4次谐波，250hz、5次谐波，300hz、6次谐波，350hz、7次谐波频率等，其中2、3、5次谐波频率含量最高。

（3）传统采用开关投切电容器的低压无功补偿，还存在着一些技术难题：

(a)低电压大电流开关选择困难，都在探讨、研究新型开关的应用；

(b)投切开关产生脉冲电压与浪涌电流，容易损坏无功补偿电容器；

(c)传统的电弧炉低压无功补偿设备还存在故障多、寿命短、后续维护工作量大的问题。

上述问题造成传统模式的低压无功补偿装置，无法满足电弧炉低压无功补偿的技术需求。

专利申请号为cn201420792645.9的实用新型专利，公开了一种矿热炉低压无功补偿装置，提供了一种电压控制矿热炉低压无功补偿量的方式；然而上述无功补偿装置，对电弧炉低压无功补偿并不适用，原因如下。

（1）矿热炉是利用电弧高温熔化矿料的特色冶金设备。电极埋在炉料中，炉料在电弧热和电阻热的高温下直接反应生成产品，产品有电石、硅、硅铁、硅锰等；矿热炉生产是一个连续冶炼的生产过程，常常是连续数月生产不停炉；电极电压按生产工艺，选择一个固定值的小范围内；电极电压变化小，冲击电压与浪涌电流也很小；三相电源平衡，仅产生3、5、7次谐波频率，无偶次谐波。

（2）电弧炉是利用石墨电极与被熔炉料之间的高温电弧热冶炼生产合金钢的设备，产品有工具钢、不锈钢、特种钢等。电弧炉是以冶炼每炉钢水为一个生产周期；电弧炉负荷特点是电流瞬时变化非常激烈，且持续时间长；特别是在熔化期炉料倒塌、电极短路，电流在秒级的时间内变化会达数百安培之多；电流产生非正弦不对称的畸变，电弧炉三相电源的不平衡，不仅产生3、5、7次谐波，还产生2、4、6偶次谐波频率；依据电弧炉冶炼工艺要求，设定各冶炼阶段的电极电压；在启弧期选择较低的电极电压，供电时间最短；在熔化期选择最高的电极电压，通电时间也长；精炼期电极电压也相对低一些；电弧炉石墨电极的供电电压，通常采用电弧炉优化供电曲线来描述。

（3）电弧炉供电优化曲线也称电力曲线，是描述电弧炉冶炼过程中电极电压随冶炼时间变化的曲线；主要是解决炼钢过程中，各冶炼工艺阶段的优化的电极电压与优化的供电时间参数，目的是快节奏、低成本的冶炼出每炉钢水。

专利申请号为cn201420792645.9的实用新型专利，提供的矿热炉低压无功补偿装置的供电方式，不适用电弧炉低压无功补偿装置的供电要求。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种电弧炉低压无功补偿及滤波装置及其电压控制方法；本发明通过如下方法解决了背景技术中的问题：（1）低压无功补偿是用性质完全相反的储能元件与该元件就地并联，使这一充放电过程在两个贮能元件之间进行，缩短无功电流的路径，就地补偿的关键是补偿切入点接近负载端；通过将低压无功补偿与滤波机柜接在短网末端，实现就地补偿，缩短无功电流的路径，进行有效的低压无功补偿，且无功电流不会占用大量供配电设备容量，设备能够充分利用，提高产能；（2）无功补偿量的控制方式；是采用电弧炉有载调压变压器输出优化供电曲线电压，进而调控电弧炉低压无功补偿与滤波机柜的端电压；实现电弧炉低压无功补偿量的控制，避免传统采用开关投切电容器的低压无功补偿方式存在的技术难题；（3）谐波频率的滤除，电弧炉在生产过程中，电流变化非常激烈，产生非正弦不对称畸变及谐波频率；利用多路组合式电容器与电抗器串联电流谐振电路，滤除谐波频率，净化电弧炉的用电环境。

本发明采用的技术方案如下：

一种电弧炉低压无功补偿及滤波装置,包括供电网络、高压断路器、高压电抗器、电弧炉有载调压变压器、低压短网、软缆、石墨电极、炉体与水冷系统、低压无功补偿与滤波机柜、电弧炉控制台；其特征在于：所述供电网络、高压断路器、高压电抗器、电弧炉有载调压变压器、低压短网、软缆、石墨电极、炉体与水冷系统顺序连接；所述低压无功补偿与滤波机柜接在短网末端，其内部设置多路无功补偿电路和多路组合谐振式滤波电路；实现无功功率就地补偿，同时，电弧炉低压无功补偿与滤波机柜接在短网的末端，靠近石墨电极处对电网电压稳定、降低电压闪变、阻尼振荡、消除谐波等有良好的作用。

所述的多路组合谐振式滤波电路包括：2路100hz的2次谐波滤波电路，3路150hz的3次谐波滤波电路，及1路250hz的5次谐波滤波电路，每路谐波滤波电路为串联电路，包括滤波电容器、滤波电抗器。

所述的2路100hz的2次谐波滤波电路，包括由电抗器l1、电容器c1、空气开关k1-1串联组成的第一路2次谐波滤波电路；由电抗器l2、电容器c2、空气开关k1-2串联组成的第二路2次谐波滤波电路；所述的1路250hz的5次谐波滤波电路，由电抗器l3、电容器c3、空气开关k1-3串联组成；第一路2次谐波滤波电路、第二路2次谐波滤波电路、1路250hz的5次谐波滤波电路并联，整体与熔断器rd1串联；所述的3路150hz的3次谐波滤波电路，包括由电抗器l4、电容器c4、空气开关k2-1串联组成的第一路3次谐波滤波电路；由电抗器l5、电容器c5、空气开关k2-2串联组成的第二路3次谐波滤波电路；由电抗器l6、电容器c6、空气开关k2-3串联组成的第三路3次谐波滤波电路；第一路3次谐波滤波电路、第二路3次谐波滤波电路、第三路3次谐波滤波电路并联、整体与熔断器rd2串联。

多路组合谐振式滤波电路，对高次谐波频率同样具有滤波作用；多路组合谐振式滤波电路结构简单，调谐容易，谐波频率滤除效果好于传统失谐滤波的方式。

所述低压无功补偿与滤波机柜内设置多路无功补偿电路，每路无功补偿电路为串联电路，包括无功补偿电容器、无功补偿电抗器；所述的多路无功补偿电路包括由电抗器l7～l30、电容器c7～c30，开关k3-1～k10-3串联组成的24路无功补偿电路；其中电抗器l7、电容器c7、开关k3-1串联为一路，电抗器l8、电容器c8、开关k3-2串联为一路，依次类推，直至电抗器l30、电容器c30、开关k10-3串联为一路，组成24路无功补偿电路；24路无功补偿电路按顺序每三条串联电路并联为一组，每一组串联一个熔断器rdx，x为3-10；低压无功补偿与滤波机柜内的无功补偿电容器采用大容量低压自愈式电容器，无功补偿电抗器的电抗率选择0.1%～1%。有利于抑制冲击电压与浪涌电流。

电弧炉低压无功补偿及滤波装置的电压控制方法，其特征在于：所述电弧炉控制台依据电弧炉优化供电曲线参数，控制电弧炉有载调压变压器输出优化供电曲线电压；再由优化供电曲线电压调控电弧炉在不同冶炼阶段的石墨电极电压，同时调控低压无功补偿与滤波机柜的端电压；即，实现电弧炉有功功率的调控和电弧炉低压无功补偿量的调控；电弧炉低压无功补偿量与机柜的端电压成正比，端电压升高低压无功补偿量增加，端电压降低无功补偿量减少；优化供电曲线是按电弧炉冶炼工艺设定的供电曲线，是描述电弧炉在各个冶炼阶段石墨电极工作电压随时间变化的曲线。

本发明的有益效果在于：利用电弧炉有载调压变压器输出的优化供电曲线电压，调控电弧炉石墨电极电压和电弧炉低压无功补偿与滤波机柜的端电压；实现电弧炉有功功率与低压无功补偿量的控制；利用电弧炉低压无功补偿与滤波机柜内设置的多路组合串联电流谐振电路，滤除电弧炉的2、3、5次谐波频率；即2路100hz2次谐波滤波电路；3路150hz3次谐波滤波电路；1路250hz5次谐波滤波电路。

此方案具有如下技术优势：

（1）利用电弧炉的优化供电曲线电压，调控电弧炉低压无功补偿量；避开传统使用开关投切电容器的无功补偿模式，规避了大电流投切开关的使用，也规避了投切开关产生的脉冲电压与浪涌电流，减小了对电网环境的污染；

（2）电弧炉有载调压变压器电压调整，电压档位的电压差很小，电压是小幅度的逐级提升或降低，电压调整产生的冲击电压和浪涌电流都很小；传统开关投切电容器调整无功补偿量，冲击电压和浪涌电流比较大，对电容器造成各种危害，容量下降、tgδ增大、绝缘加速老化，电容器寿命降低；

（3）利用多路组合电流串联谐振式滤波电路，滤除电弧炉2、3、5次谐波；滤波效果好于传统的失谐的滤波方式，串联谐振电路调谐容易。

附图说明

图1为本发明的电弧炉低压无功补偿及滤波装置连接示意图。

图2为本发明的一种低压无功补偿与滤波机柜电路图。

图3为本发明的一种优化供电曲线示意图。

图1中：供电网络1，高压断路器2，高压电抗器3，电弧炉有载调压变压器4，低压短网5，软缆6，石墨电极7，炉体与水冷系统8，低压无功补偿与滤波机柜9，电弧炉控制台10。

图2中：电压表v，电流表a，罗氏线圈互感器m，熔断器rd1～rd10，指示灯led1～led10，开关k1-1～k2-3组合谐振式滤波电路维修开关，开关k3-1～k10-3低压无功补偿量设定与电路维修开关；滤波电路：由电抗器l1～l6与电容器c1～c6串联，组成6路谐波滤波电路；无功补偿电路：由电抗器l7～l30与电容器c7～c30串联，组成24路无功补偿电路。

图3中：优化供电曲线示意图，ⅰ断电、装料，ⅱ通电启弧（430v、5min），ⅲ第一次熔化供电（550v、15～20min），ⅳ第一次断电、出渣、加料，ⅴ第二次通电启弧（430v、5min），ⅵ第二次熔化供电（550v、15～20min），ⅶ精炼供电（490v、15～20min）；ⅷ断电、出钢。

具体实施方式

以下为本发明对一个40吨电弧炉的低压无功补偿与滤波机柜的具体设计方案，但并不因此而限定本发明的保护范围。

⑴无功补偿需求量计算：电弧炉有载调压变压器容量25000kva。低压侧cosφ1=0.84，额定功率p=25000×0.84=21000kw；功率因数由cosφ1=0.84，补偿到cosφ2≥0.92，查表得补偿系数k=0.22；

补偿量需求计算：q=p×k=21000×0.22≈4620kvar；

⑵电容器选择：滤波电容器q=100kvar，u1=1.05kv（电容量288.86μf），补偿电容器q=50kvar，u2=0.63kv；每个机柜设计滤波电容器6个，补偿电容器24个；

⑶为了描述电弧炉优化供电曲线，各阶段电极电压与无功补偿量的关系；引入低压无功补偿与滤波机柜各阶段电压时，无功补偿量的计算公式：

q＝a(u1／u0)²q1＋b(u2／u0)²q2

式中：q电容器总补偿量，q1为每个滤波电容器标定补偿量（kvar），q2为每个补偿电容器标定补偿量（kvar），u0电容器实际工作电压（v），u1为滤波电容器标定电压值（v），u2为补偿电容器标定电压值（v），a=6滤波电容器个数，b=24补偿电容器个数；

熔化期：q550v＝6(550v÷1005v)²×100kvar＋24(550v÷630v)²×50kvar

=179.6＋914.6=1094kvar

精炼期：q490v＝6(490v÷1005v)²×100kvar＋24(490v÷630v)²×50kvar=142.5＋725.9=868.5kvar

启弧期：q430v＝6(430v÷1005v)²×100kvar＋24(430v÷630v)²×50kvar=109.8＋558.9=668.8kvar

⑷电弧炉炼钢通电阶段集中在熔化期，熔化期电极电压为550v电压，计算电容器的补偿量q=1094kvar；

⑸电弧炉低压无功补偿及滤波装置及其电压控制方法由9面低压无功补偿与滤波机柜组成；每相配置3面机柜；设备总补偿量q＝1094kvar×3×1.73≈5677kvar；

5677kvar＞4620kvar可以满足电弧炉的低压无功补偿的需求（本机柜设计最高工作电压为630v）；

⑹滤波电容器选择较高的工作耐压，按288.86μf电容量，设计2、3、5次谐波滤波电抗器的电感量；每个机柜内设置2路2次谐波滤波电路，设置3路3次谐波滤波电路，设置1路5次谐波滤波电路；

⑺滤波电路采用滤波电容器c1、滤波电抗器l1、开关k1-1串联组成第一路2次谐波滤波电路；滤波电容器c2、滤波电抗器l2、开关k1-2串联组成第二路2次谐波滤波电路；滤波电容器c3、滤波电抗器l3、开关k1-3串联组成5次谐波滤波电路；以上三路滤波电路并联为一组，串联一个rd1熔断器；滤波电容器c4～c6、滤波电抗器l4～l6、开关k2-1～k2-3串联组成3路3次谐波滤波电路，以上三路滤波电路并联为一组，串联一个rd2熔断器；

⑻机柜内由电容器c7～c30、电抗器l7～l30、开关k3-1～k10-3，组成24路低压无功补偿电路；电抗器的电抗率选用0.1%～1%；每三路无功补偿电路并联为一组，串联一个对应的rd3～rd10熔断器。

尽管参照前述实施例，对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行和修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。