国产-45Mvar～+50Mvar静止型动态无功补偿装置及其应用

摘　要：本文介绍静止型动态无功补偿装置(简称SVC)的结构和应用。针对炼钢电弧炉冲击负荷造成电压剧烈波动、谐波含量严重超标、功率因数很低、负序分量较大、电压闪变频繁等一系列电网公害而设置。该设备可以进行动态、分相补偿感性无功或容性无功，对提高电网质量是一种很好的手段。同时也可广泛应用在各种电压等级的枢纽变电站中，进行动态的无功、电压调整，其性能优于调相机，总体响应时间小于20ms。该设备的研制成功是对我国SVC国产化工作起了一定的推动作用。
关键词：静止补偿器　动态　无功功率　电力电容器　电抗器　电力系统公害处理　应用

1　概　述

静止型动态无功补偿装置(SVC)是国外七十年代末发展起来的一种快速调节无功功率的新型成套装置，是由可控硅控制电抗器支路(TCR）和固定电容器支路(FC)并联而成，FC支路按交流滤波装置布置，可以直接或通过变压器接到高压网络上。它的主要作用有：改善供电系统的稳定性；抑制系统过电压和改善其动态特性；抑制谐波以减少谐波造成的危害；抑制电压闪变，稳定系统电压；快速调节无功，提高负荷的功率因数等。因此，当前世界各国在该技术领域竞相发展。目前国内已购进十余套SVC装置，主要从ABB公司引进，安装在几个重要的500kV变电站(如武汉凤凰山、湖南株州、广东江门、河南郑州、辽宁东丰等)及几个大型冶金企业(如天津钢管公司、上海宝山钢铁公司、武汉钢铁公司、广州钢铁公司、福建中钢公司、河南舞阳钢厂等)。西安电力机械制造公司已在1980年和瑞士BBC公司签订了SVC技术引进合同，经过人员培训，引进资料消化，关键技术已经完全国产化。西安电力电容器厂已经逐渐具备了提供SVC成套装置的能力。从八十年代开始，西容厂参与了大冶钢厂2×50吨电弧炉、沙钢永新厂70吨电弧炉、武汉钢铁公司硅钢厂、泰国BNS钢厂、海南鹏达钢厂等国产化SVC设备供货。本文主要简述西容厂总承包的交钥匙工程——江苏沙钢集团润忠公司90吨竖式电弧炉-45Mvar～+50Mvar SVC装置，该装置在目前国产设备中为输出容量最大的一套。

2　电弧炉用SVC装置的选型

七十年代以来，用于电弧炉的SVC装置逐步得到完善。实践证明行之有效的有以下四种方法。
2.1　可控硅控制空心电抗器(TCR)型
其反应时间快(可达10ms)，无级调节，运行可靠，能分相调节有功和无功。适用范围广，价格较便宜等。因此，工业发达国家的主要电气制造公司都生产这种装置，广泛应用在电力系统和冶金企业，尤其是在控制电弧炉负荷产生的电压闪烁时，几乎都采用这种装置。
2.2　可控硅控制高阻抗变压器(TCT)型
与TCR型优点差不多，但由于高阻抗变压器制造复杂，容量在30MVA以上价格较贵。
2.3　可控硅开关操作电容器(TSC)型
有反应时间快(10～20ms)，分相调节，本身不产生谐波，损耗小等优点。缺点是只能分级补偿，而且价格较高，在10kV以上不能广泛应用，在低电压系统有使用的例子，在1kV以下广泛使用，进口设备最高用在8kV。
2.4　自饱和电抗器(SR)型
由于不需要复杂的控制系统，维护简单，反应时间快(10～20ms)。但由于其噪声很大，本身在三相不平衡时产生较多的谐波电流，其工作点受电压波动的影响较大，因其制造工艺复杂且价格较高，在较大容量领域也不能广泛应用。
综上所述，TCR型静止型动态补偿装置是现代在电力系统和电弧炉补偿领域广泛应用的主要型式，是发展的主流。张家港沙钢集团就是采用这种补偿方式。

3　现代大功率电弧炉对电网的影响

现代大型超高功率和高功率电弧炉，由于其容量大，对电网的影响具有举足轻重的作用。它具有功率因数差、无功波动负荷大且急剧变化，产生有害的高次谐波电流和三相负荷不平衡，产生负序电流等一系列对电网不利的因素，使电网质量恶化，危及邻近用户，成为电网公害之首。
3.1　功率因数差
交流电弧炉在熔化期功率因数低于0.7，在精炼期约0.8左右，近几年直流电弧炉也在推广，其功率因数更低。如采用普通电容器组补偿，在出钢或加料时会造成大量无功反送，导致电网电压升高，同时无功反送时供电局双向计量，因功率因数低照样罚款。若不补偿，则危及电网电压质量，降低冶炼功率和增加电能损耗。采用动态补偿是最佳选择。
3.2　无功负荷大且急剧波动
电弧炉最大无功负荷可达炉变容量的1.5倍左右，无功急剧波动主要是在打孔期和熔化期，从而引起电网电压急剧波动，类似调幅波形，波动频率达1～15Hz左右，使灯光和电视机屏幕产生闪烁，引起人的视觉疲劳而烦躁。此外还影响可控硅设备，精密仪表或加工设备的稳定运行，甚至产生质量事故。发达国家和我国对此危害制定了限制标准，即“闪变”限制标准。
3.3　产生大量高次谐波
电炉电弧电流是不规则的，且急剧变化，电流、电压波形都不是正弦波，它可分解为2次及以上的各次谐波电流，主要是2～7次，以2、3次最大，平均值为基波的10%以上，最大值可达30%。高次谐波对电网的主要影响是：引起电气设备发热、振动、增加损耗、缩短寿命、干扰通讯、使可控硅误触发、使部分继电保护误动作、使电气绝缘老化损坏等。
3.4　产生负序电流和负序电压
电炉在熔化期，特别是在打孔期，各相电弧电压是独立变化的，三相电流各自发生急剧无规则变化，正常情况下不平衡电流产生的负序分量为正序分量的20%左右。负荷电流对电网的发电机和电气设备的出力产生影响，严重者会损坏电气设备，还会使继电保护误动作。

4　电弧炉运行时，公害预测和经济效益分析

4.1　无功功率波动(见表1)

表1　电弧炉工作时无功波动

4.2　有功功率及cosφ(见表2)

表2　电弧炉工作时有功功率及cosφ

4.3　电压波动ΔV/V,电压闪变ΔV10(见表3)

　表3　电弧炉工作时，PCC点电压波动及闪变

4.4　谐波电流及电压畸变率
根据询价书中数据，统计整理，详见表4。

表4　谐波电流及电压畸变率

4.5　功率因数罚款
按90吨电弧炉年生产60万吨钢计算，润忠钢铁公司因功率因数低用电罚款额为每年500万元以上。
4.6　炼钢车间电弧炉运行时无SVC对工厂效益及电网的影响
根据以上数据分析，当无SVC时，每年有大量的用电罚款，其次主要矛盾为电压波动超标，2～4次谐波电流流入电网超过允许值，电压畸变率略超标。在电炉变的一次侧，33kV母线在炼钢时有较大的电压跌落(约10%)，使冶炼时间增加(热功率和电压平方成正比)，扣除氧油加热能量，冶炼时间(不包括加料等)约增加15%。
5　SVC成套设备技术方案

5.1　SVC装置的总体工作原理
TCR+FC型［可控硅控制电抗器+固定电容器(兼滤波)］SVC装置的总体原理是：
(a)FC支路提供足量的容性无功，滤除电弧炉工作时产生的谐波电流。
(b)TCR支路根据电弧炉工作时无功功率的变化，用可控硅触发角改变流过TCR支路的电流，从而使电弧炉无功Qarc(可变)，FC的容性无功QFC，TCR的感性无功QTCR(可变)达到动态平衡，即

∑Q=Q_arc+Q_FC+Q_TCR=0(或某一值)

(c)通过TCR+FC型SVC装置协调工作，使用户在电网的公共联接点(PCC点，考核点)的功率因数、闪变、电压波动、谐波和电压不平衡度等指标达到要求，并提高用户的经济效益。
5.2　SVC的组成部分简介
5.2.1　FC兼滤波器
额定工频电压：　33kV
最大持续运行电压：36.3kV
额定工频总补偿容量：50Mvar
(由系统设计定容)
最大持续补偿容量：60Mvar
分组：按系统设计中的滤波效果及考虑到35kV级断路器特性，分为4个滤波支路。
主设备：
(a)滤波电容器(总形式容量约为100Mvar，由系统设计确定参数)。
采用全膜介质，内熔丝结构，单台容量为334kvar。由于内熔丝结构使单台电容器运行的可靠性及电容量的稳定性大大增加，使故障率降到最低。该产品单台容量大，采用极板折边新工艺，使局部放电和介质损耗指标非常优良，是大容量滤波器用电容器的首选方案。
(b)滤波电抗器
采用加拿大干式空芯电抗器技术，铝导线环氧绝缘固化型，电感值精度高、稳定性好，具有很好的动、热稳定耐受能力和良好的通风散热性能，噪音低，电感值可在±5%以内连续可调。按35kV级绝缘水平制造。
(c)滤波电阻器
采用比利时引进技术，制造的编织式电阻器具有结构简单、工作可靠、动稳定和热稳定性能好等优点。按35kV级绝缘水平制造。
(d)ZnO避雷器
采用引进技术制造，其参数按动态模拟试验结果确定，主要保护电容器组免受有危害的过电压。每台避雷器接有计数器，对有危害的瞬态过电压进行统计。
5.2.2　TCR回路简介
TCR回路由并联电抗器和晶闸管阀体组成。并联电抗器也称主电抗器，每相由两只线包组成，晶闸管阀串接在两只线包中间，通过断路器直接接在33kV母线上(Δ接)。
主电抗器主要参数如下：
额定工频电压：33kV
最大持续运行电压：36.3kV
额定容量：45Mvar
最大持续运行容量：54Mvar
特点：Q值可高达180，损耗小，噪音低。
晶闸管阀(TCR阀)(户内式)主要参数如下：
额定工频电压：33kV
最大持续运行电压：36.3kV
额定容量：45Mvar
最大持续运行容量：54Mvar
额定电流(每相)：455A
最大持续运行电流(每相)：500A
主设备组成：TCR阀有四部分组成即：
(a)晶闸管串联堆
每一相晶

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