1.引言
    大功率电弧炉接于容量较小的电网会对电网和其他负载产生不利影响，主要表现在：
      —无功冲击及闪变
      —三相负荷不平衡
      —产生谐波电流
    本文结合交流或直流电弧炉的工作特性对上述问题进行讨论，并提出解决方案。
2.电弧炉的负载特性
     用于冶炼的电弧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（图1）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在平衡。

用于冶炼的电弧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。

在废刚冶炼时电弧炉的工作特性为：
—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。

电弧炉在熔化期出现的电弧截断及短路现象，只有通过统计学方法进行评价。需注意的是各项不平衡电流、各项断续电流和半波不平衡电流，会导致电网在不同时间和不同相位产生的有功功率和无功功率值发生变化。调制电流使电网电压出现闪变效应，同时产生谐波电流注入电网，使电网电压发生畸变。
在电网阻抗上产生的电压降或电压改变可以分解为两个分量，即纵向电压降（导致电压幅值的变化）和横向电压降（导致电压相位变化）。因为在电网阻抗中阻性分量大约占感性分量的1/10或以下，所以电压量值的改变主要由无功功率的变化引起。有功功率的变化只影响电压的相位（见图2）。
在一个电网中，电压的改变会影响所有接于这个电网的负载，因此电弧炉对电网的影响可以称为电网的环境污染，必须采取技术措施进行抑制。当电弧炉功率大于电网短路功率的1/80时，通常需要考虑对电网的影响问题。

3.补偿任务
简单来讲，补偿的任务就是减少或抑制电弧炉对电网的影响。当然，这也和其它领域的环境保护一样，具有一定的难度，同时需要付出相应的费用。
补偿任务包括以下4部分：
—通过调节电网提供的感性无功功率使电网纵向压降保持为常数。
—通过并联电容器或容性负载降低电网纵向压降，从而改善电压水平。
—使三相有功功率保持对称降低电网横向压降。
—设置滤波回路，吸收谐波电流。
从上述要求可见，补偿设备必须能够分相进行调节，以使电网纵向压降保持三相对称。
3.1调节纵向压降
负载电流在电网阻抗（接电点Pcc）上产生的电压改变按下式计算：

ΔU_cc=ΔU_L+ΔU_Q ΔU_cc=((ε_ccI_P-I_q)+(I_P+ε_ccI_q)) X_cc

式中
负载电流：I=I_p+jI_q
电网阻抗：Z_cc=X_cc(ε_cc+j)
电网系数：ε_cc=R_cc/X_cc
有功电流：I_P
无功电流：I_q
纵向压降：ΔU_L
横向压降：ΔU_Q
将电压降调节为常数，如果： ΔU_L=(ε_ccI_p-I_q)  X_cc=常数
则电压改变为最小值。达到调节要求的控制规则为：I_q=ε_ccI_P+I_qo  (I_qo=工作点）
合成无功电流Iq所引起的纵向压降为：ΔU=-I_qo  X_cc=常数
      控制规划只是调节电网提供的无功功率的尺度，同时还应根据有功功率将功率矢量的峰值调节到负载直线段。使电网功率因数保持为常数的要求不会导致与上述相同的结果，因为随着有功功率的变化总是会有纵向压降的残余分量，使纵向压降保持为常数，功率因数就不会为常数，或者相反。

3.2电压有效值的改善
     通过选择合适的工作点可以改善电压有效值，从而使平均功率因数得到改善，但先决条件是有足够大的容性负载供支配。
     当有功功率变化较大时，负载直线具有时间滞后特性。对于长时间的电压改变可以调节变压器的分接头进行平衡。功率因数为特定时间内的平均值，例如30min平均值或月平均值。
3.3降低横向压降
    通过使两相有功负载的对称化可以降低横向压降及电压改变，即通过使不平衡负载对称化来改善电压特性。根据Steinmetz公式通过在其它相接入容性和感性无功负载使两相有功负载保持对称。
3.4吸收谐波电流
    设置滤波回路可以吸收电网谐波电流，电容器容量选择应能满足补偿和对称化的要求。滤波支路的数量及容量应按电弧炉可能产生的最大谐波电流来考虑，滤波后电网谐波含量不超过有关规程的要求。

4.技术方案
   抑制电弧炉对电网的干扰影响，有两种基本技术方案：
       —直接补偿方法
   对常数容性负载通过分级投切来实现。
       —间接补偿方法
   可变感性负载与常数容性负载的组合来实现。

4.1直接补偿方法
    直接补偿方法虽然比较简单，但是有些技术难点不好解决。
对电容进行分相调节需要可变的容性功率，但是在具体工程中通常没有相应功率的容性设备，目前流行的是对电容的分级投切。
为了避免电容开闭过程中出现的平衡电流，必须使各个受控电容器组在电压正半波峰值或负半波峰值充电，而且总是在电压峰值处进行开闭操作。这样就限制了调节的动态特性。在一组电容器时跟随时间为10ms，在两组电容器时，跟随时间缩短为5ms。需要注意，电容器或滤波回路开闭操作时，同时会改变电网的谐振频率。
4.2间接补偿方法
   有两种方法可以调节感性无功功率：
       —对电抗器进行开闭操作，其作用原理及动态特性与开闭电容器相同。
       —使用三个单相交流控制器与电抗器串联，通过晶闸管的控制角调节电抗器电流，电流值从0到最大值连续可调，短路电流由电抗器感抗决定。这种方法也称为TCR系统。
TCR方法的动态特性较好，跟随时间理论上为5ms（见图5）。

     在两种间接补偿方法中，TCR方法比较实用，其特点为：
     —动态特性好
     —无保护问题，短路电流=额定电流
    三相动态补偿装置通常采用三角形接线，由于对正弦曲线进行相切，在电路电流中除了含有基波分量外，还有谐波分量，其频谱与三相桥式变流电路的相同，但幅值要低。在三相不平衡时，会产生三次谐波电流，注入电网后通常被电弧炉滤波回路吸收。
4.3单炉系统
4.3.1对电网的基本要求
    供电系统首先应满足电弧炉的功率要求，同时在电弧炉工作时不能对其它负载产生干扰影响。电网技术参数主要为：
—短路功率
—电网系数
根据以往工程经验，为要满足上述要求，短路功率应为电弧炉额定功率的80~100倍。
当采用TCR动态补偿装置后，对电网短路功率的要求可降低1/2。
在将电弧炉功率因数提高到0.8时，同时假定电压改变不大于10%，电网短路容量至少应为炉子额定熔化功率的7.4倍。这个数值远远低于电弧炉正常运行所要求的短路功率值，即无补偿时80~100倍，有补偿时30~40倍。
4.3.2动态补偿的调节范围
    如前所述，电弧电阻在0~最大值之间变化，炉子的每相电流在0~短路电流之间变化。如何合理平衡各相负载波动，主要取决于选择工作点及功率因数，当功率因数较高时（例如0.83），会导致较大的不平衡度。特别在熔化初期，经常出现电弧截断和类似短路的重燃。
    在设计补偿装置时必须考虑额定负载下的单相电流截断，并以此确定可调电感的最小功率。在电流截断后出现的重燃短路对于动补装置设计没有影响。
   在特殊情况下，例如电网容量很小，补偿装置设计时应考虑单相截断和两相短路的数值。
   动态补偿的调节范围一般为1.6~3.4倍的电炉额定功率（假定额定功率因数0.8）。
   根据TCR补偿原理，电弧炉的负载增加，补偿装置负载降低，因此动态调节的下限为负载为0时。电容器容量取决于所要求的平均功率因数和单相、两相和三相短路时的电网特性，在仅考虑单相短路时所需电容器功率最小，考虑两相短路时电容器功率最大。如果将电网纵向压降调节为0，则所需电容器功率为1.3~2.6倍的电炉额定功率，此时功率因数为1。
    短路与电弧截断相比出现的较少，只有在电网很弱时才考虑短路的影响，原则是在短路时电网电压跌落不超过1.1%，以避免对其它设备的影响。
4.3.3补偿装置的动态特性

通过对一台额定功率为25MVA的电弧炉测量显示，在负载改变为10%以下时，动态特性为1~2MVA/ms。为了调节这种负载改变，需要高动态特性的电子电路及测量系统，图6为TCR动态补偿装置的频率响应曲线。该频率响应曲线是用仿真计算得到的动态补偿的减弱系数。在10Hz时干扰作用最强，其减弱系数约为3。在1～27Hz频率范围内的减弱系数平均为2.5～3。

公司地址：河北省保定市高新技术开发区火炬产业园
电  话：#86－0312-3321905 3321901
13700321953  传真：3321903
E-mail：lt@laite.com.cn
邮  编：071051