4 高阻抗電弧爐抑制電壓波動原因分析

從電弧爐煉鋼來看，工作短路是不可避免的，它經常是在熔化期內當點弧或塌料時發生。點弧時所發生的工作短路持續時間一般不超過1～2s，這對電網危害不大，因為，短路持續時間很短。而爐料塌陷時的短路持續時間取決于電極移動速度及塌料深度。塌料深淺不同，相差懸殊，但在實際煉鋼過程中，很少遇到超過250mm的塌料深度。高阻抗電弧爐的電弧長度普遍大于250mm，本文中援引的例子，其電弧長度為350mm，所以，它在爐料塌陷時也不致于造成電極短路。電極同爐料短路時無功功率最大，則其引起的電網電壓波動也是最大，因為，電網電壓波動是由無功功率變化引起的，這可由下式說明。

Δu=×100％ （8）

式中：ΔQ為電弧爐無功功率變化量（Mvar）；

S_DR為供電點（35kV），供電系統短路容量（MVA）。

綜上所述，高阻抗電弧爐運行在較高的功率因數下（0.82以上），且不產生電壓閃變，這是因為電極和爐料之間保持較長距離，它使電弧長度變化百分數小，則二次電流和一次電壓變化率（Δu/u）也小，因此，電壓閃變就減少了。由于以上理由，高阻抗電弧爐絕對用不著裝設靜止式無功功率動態補償裝置（SVC裝置）。根據德馬格公司和丹澳利公司資料介紹，他們的高阻抗電弧爐在世界各地運行，全部不配裝SVC裝置。

電弧爐引起電壓波動的另一重要原因，過去一直鮮為人知，近年來在許多臺大型電弧爐上測試得知：交流電弧爐的電壓波動，在很大程度上是由于電極升降系統的機械共振所引起的。實踐證明，在交流電弧爐變壓器高壓側串聯電抗器，采用高阻抗，長電弧運行方式，限制電流變化率，就能有效地降低機械共振，因為，機械共振是由電流變化引起的。

圖4示出了機械共振對電壓波動的影響。由圖4可見，交流高阻抗電弧爐無機械諧振，其電壓波動幅值僅為5V左右。

圖4 機械共振對電壓波動的影響曲線圖

綜上所述，交流高阻抗電弧爐從根本上消除了由機械共振引起的供電電網電壓波動和電壓閃變，這比采用SVC裝置要優越得多。

5 高阻抗電弧爐抑制電壓波動實例

前已述及，電壓波動是由無功功率波動引起的，下面援引國外高阻抗電弧爐與普通電弧爐的無功功率波動對比實例。

意大利丹澳利公司（DANIELI）提出了高阻抗電弧爐和普通電弧爐的無功功率波動范圍，以資對比^[4]。圖5為高阻抗電弧爐的無功功率對電流的波動范圍，圖中Q為無功功率，I為電極電流。由圖5中可看出，當電極電流變化為ΔI=30kA時，引起無功功率變化為ΔQ≤50Mvar，有功功率變化為ΔP=7MW。

(a) 基本線路圖

(b) 功率/電流參數

圖5 高阻抗電弧爐基本線路與功率曲線圖

條件完全相同的普通電弧爐的無功功率對電流的波動范圍示于圖6。由圖6可看出，當電極電流同樣變化30kA時，其無功功率波動值竟達到60Mvar以上，有功功率變化為ΔP=13MW。由以上兩組數據可以看出，高阻抗電弧爐與普通電弧爐相比，在同樣條件下，前者的無功功率波動值和有功功率波動值均低于后者，因而高阻抗電弧爐的電壓波動也減小了。

(a) 基本線路圖

(b) 功率/電流參數

圖6 普通電弧爐基本線路與功率曲線圖

圖7示出了美國聯合碳化物公司提出的普通電弧爐（圖7a）和高阻抗電弧爐（圖7b）的輸入功率波動記錄曲線[3]。由圖7(b)可以看出，增加電抗后，輸入功率提高，電弧功率穩定。顯然，對于傳統的電抗低的普通電弧爐而言，由于沒有電抗器，煉鋼工作者選擇在很高的功率因數下運行，在爐料熔化期，電壓檔位在最高檔位，有功功率約20MW～50MW；而與此相對應的有串聯電抗器的高阻抗電弧爐，在功率因數合適的情況下，能夠得到較小的電極電流，結果，在最高電壓檔位運行時，有功功率約62MW～70MW，波動明顯減小。這種運行方式，有功功率高，電弧連續性好，對電網沖擊小，因而，抑制了電壓波動。

(a) 普通電弧爐

(b) 高阻抗電弧爐

圖7 煉鋼電弧爐的功率波動記錄曲線

6 高阻抗電弧爐的運行優勢

德國曼內斯曼·德馬格公司于1992年將1臺60t（40MVA）超高功率電弧爐改造成高阻抗超高功率電弧爐。表2列出改造前和改造后的運行參數對比[2]。

表2 普通電弧爐和高阻抗電弧爐參數對比