中频感应炉谐波治理研究

中频感应炉谐波治理研究魏海啸吴红星聊城供电公司，山东，聊城，252000HarmonicGeneratedbyMedium-frequencyInductionFurnaceanditsPreventionWeiHaiXiaoWuHongXingPowerSupplyCompanyofLiaocheng,Shandong,ChinaABSTRACT:SincethetheharmonicsgeneratedbytheMedium-frequencyInductionFurnaceinfluencestheCorporatesafetyhazardsandSeriouspollutionproblemsofthepowersystem.ThispaperintroducestheworkingprincipleofMedium-frequencyInductionFurnace,analyzedtheharmonicgenerationmechanismandcharacteristics,basedonYixingIFfurnaceofasteelmill,introduceanoverviewofthecontentandconclusionsoftheharmonictest.Atlast,itputforwardaneffectivemeasuretosuppressharmonicpollution.Thepracticeindicatesthatitachievesdesirableeffectsoffiltrationandreactivepowercompensation.Moreover,savingenergyresultisremarkable.KEYWORD:Medium-frequencyInductionFurnace,harmonic,Filter,harmonicsuppression摘要：针对中频炉产生的谐波给企业带来的安全生产隐患及对电力系统的严重污染问题，本文简述了中频炉工作原理，分析了其谐波产生的机理和特性，并以宜兴某钢厂中频炉谐波治理工程为例，介绍了谐波测试的概况、内容和结论，结合工程实际及仿真模拟实验，给出了抑制谐波危害的办法，提出了合理有效的治理方案。实践证明该方案滤波及无功补偿效果良好，节能效果显著。关键词：中频炉；谐波；滤波器；谐波抑制中图分类号：TF7481前言随着国民经济的不断发展，钢铁材料的用途逐渐变广，用量也逐渐增大。在宜兴地区，作为支柱产业的钢铁行业有越来越多的冶炼炉挂网运行，且容量越来越大。造成本地区谐波污染及无功缺额问题日益严重，严重影响了当地的电能质量。本文详细阐述了钢厂中频炉产生谐波的机理、特性及治理，并对治理前后电网电能质量进行了对比分析。2中频炉工作原理及其谐波分析2.1中频炉工作原理自BBC公司于1966年研制了第一台用于感应熔炼的晶闸管中频电源开始，中频炉就成为金属冶炼行业的重要工具[1]。典型的中频炉电源采用AC-DC-AC变换方式[2]，其主电路与工作框图如图1、2所示。先将三相50Hz工频电能经整流电路整为直流，滤波后由逆变电路为负载提供单相中频(500~10KHz)电流。该电流于熔炉感应线圈中产生中频的交变磁场，使金属炉料感应出电动势，产生涡流，致使炉料被加热升温，直至熔化[3]。中频炉变压器整流逆变负载滤波ABC整流电路滤波器三相50HzcUcjdUdi逆变电路负载电路aiaU图1中频电源主电路图2中频电源原理框图Fig.1MaincircuitofMedium-frequencyInductionFurnaceFig.2TheprincipleblockdiagramofMedium-frequencyInductionFurnace22.2谐波分析中频电源注入电网的谐波主要由其整流电路产生。以三相6脉冲的全控桥式整流电路为例，在理想条件下，整流电路交流侧各相电流可以近似地用方波来表示。将A相电流波形分解为傅里叶级数，可以表示为[4]：611612311111[sinsin5sin7sin11sin13sin17571113171sin19]1923231sin(1)sin2sin(1)2sinadkddnkknnkiItttttttItIntnItInt(1)式中：k=1、2、3、…dI—整流电路直流侧电流平均值；16dII—整流电路交流侧基波电流的有效值；6ndIIn—整流电路交流侧n次谐波电流的有效值；从公式（1）分析可知，整流电路交流侧电流含有谐波电流，且谐波电流次数为61k（k=1、2、3、…），即5次、7次、11次……，三相6脉冲桥式整流电路的谐波就是这些次数谐波的合成，各次谐波电流有效值与基波电流有效值的比率为1n。同理用傅里叶级数分析可知12脉冲桥式整流电路网侧谐波电流次数为121k（k=1、2、3、…）；依次类推，由k个三相整流桥构成的6k相整流电路，其网侧的谐波电流次数为61k（=1、2、3、…），且各次谐波电流有效值和其谐波次数成反比。由分析可知，如果增加整流电路脉动数，中频电源注入电力系统的高次谐波可以得到有效的减小[5]。3中频炉谐波测试为全面掌握钢厂电能质量及谐波对电网的影响，选取钢厂10kV电能质量考核点及中频炉变压器低压侧400V母线进行了测量。钢厂供电系统简图如下所示：钢厂10KV生产线10K母线（滤波与无功补偿指标考核点）计量柜电缆进线柜引自宜兴供电局诸桥110KV变电站1600KVA10/0.4kV1ZB2ZB3ZB4ZB1号中频炉2号中频炉3号中频炉4号中频炉1600KVA10/0.4KV2000KVA10/0.4KV2000KVA10/0.4KV图3钢厂供电系统简图Fig.3Powersupplysystemofsteelplant供电系统技术参数：（1）公共连接点（P.C.C）：宜兴供电局诸桥110kV变电站钢厂10kV母线；（2）10kV母线短路容量：maxdS=291.2MVA；mindS=239.9MVA；（3）公共连接点的供电设备容量：80MVA；3（4）钢厂用电协议容量：11.65MVA；（5）1~4号中频炉变压器二次侧额定线电压：380V±5%；（6）额定频率：50Hz，允许变化范围49~50.5Hz；（7）中频炉变压器绕组形式：D/d0，Y11。根据中华人民共和国《电能质量公用电网谐波》（GB/T14549－93）的规定，注入10kV母线公共连接点谐波电流允许值应按照下面的公式计算[6]：ISSIhkkhp12（2）式中：1kS为公共连接点的最小短路容量，单位MVA；2kS为基准短路容量，单位MVA；hpI为短路容量为1kS时第h次谐波电流允许值，单位A；hI为短路容量为1kS时的第h次谐波电流允许值，单位A。如果公共连接点有多个用户，还要再按国标规定计算出同一个公共连接点的h个用户向电网注入的谐波电流允许值。根据供电部门提供数据及上述公式计算得出钢厂10kV母线谐波电流允许值与谐波电流实测值如表1所示：表1钢厂10kV母线谐波电流测试结果Table1Theharmonicon10kVBusofsteelplant谐波次数允许值（A）实测值（A）备注59.6320.65超标114%79.0911.21超标23%117.657.86超标3%136.877.08超标3%由表1可见，钢厂10kV电能质量考核点5、7次谐波电流超标严重。此外，测得10kV母线考核点电压总畸变率为4.29%，超过国标允许值4.0%；平均功率因数为0.799，不符合《全国供用电规则》第4.3条：“高压供电的工业用户和高压供电装有带负荷调整电压装置的电力用户，功率因数为0.9以上。”的规定，会遭受大量低功率因数罚款，必须加以治理，以消除谐波对电力系统的影响。表2中频变400V低压侧谐波电流测试结果Table2Theharmoniccurrentson400VbusofIFtransformer谐波次数允许值（A）实测值（A）备注562235超标279%744118超标169%112830超标7%132425.2超标5%由表2可见，钢厂中频变低压侧400V母线5、7次谐波电流严重超标；400V母线电压总畸变率为11.2%，超过国标允许值5.0%，畸变严重；400V母线平均功率因数仅为0.75，无功缺额严重，不符合规定。4谐波治理措施由测试结果可以看到，该钢厂电力系统被严重污染，由此带来很多不安全因素，例如引起系统谐振，开关无故跳闸，变压器内温升高等，所以钢厂谐波需及时治理，才可能保证该公司电网线路可靠安全运行。4.1滤波方案比较对中频炉谐波问题，可以安装滤波器来治理。依据滤波原理，可分有源滤波和无源滤波两种方式。有源电力滤波器原理是：检测补偿对象中产生的谐波电流，由补偿装置产生一个与该谐波电流大小相等而极性相反的补偿电流。经过补偿后，电网电流只含基波分量。但是有源滤波作为高新技术，其成本高，控制技术复杂，单柜容量小，自身损耗大，应用不广泛；无源滤波器由滤波电容器、电抗器等无源器件构成，与谐波源并联，滤波原理是对相应次数谐波形成低阻抗通道，使相应谐波电流流入无源滤波器而避免流入输电系统，4它除了滤波外还兼有无功补偿的作用。考虑到该钢厂谐波成分并不复杂，以5次、7次谐波为主，同时考虑到无功补偿，提高功率因数，因而可以采用无源滤波方案。无源滤波器根据安装位置分高压和低压两种方案，其优缺点对比如表3所示：表3无源滤波方案比较Table3Comparisonofpassivefilteringscheme项目10kV高压无源滤波方案400V低压无源滤波方案滤波效果较好好无功补偿效果较好好对中频变影响谐波仍要穿过中频炉变压器，中频变噪声变大，温度升高，损耗大谐波无需再穿过中频炉变压器，中频变噪声小，温升低，损耗低投资预算小较大由于宜兴钢厂设备多、负荷变动大，电力系统复杂，高压滤波装置不能够动态投切，容易过补，且容易发生并联谐振，使谐波放大；而低压滤波补偿装置方案虽然投资稍大，但滤波补偿效果更好且可以实现动态投切，仿真表明，重载时采用低压方案电流畸变会从20%降至6%左右。综合考虑技术、经济等因素决定采用在中频变400V母线安装晶闸管自动投切滤波补偿装置（LV-TSF），该装置分5、7次两个滤波支路，用来消除中频电源在生产过程中产生的谐波，提高功率因数，其无功容量分别为254kvar和124kvar。滤波补偿装置接线如图4所示：ABCQS1QS2QF1QF2KFU1KFU2TA1TA2L1L2C1C2KP1KP25次滤波支路7次滤波支路号中频炉11号中频变400V侧图4滤波补偿方案接线图Fig.4Thewiringdiagramofharmonicwavecompensationmethod4.2治理前后效果比较滤波补偿装置投入后，对钢厂中频变400V母线及10kV母线电能质量考核点进行测量、分析与计算，得出了钢厂供电系统各测量点在装置投入后电能质量的改善情况。4.2.1钢厂中频变400V母线电能质量改善情况图5滤波装置投入前中频变400V母线电压波形图6滤波装置投入前中频变400V母线电流波形Fig.5Thevoltagewaveformon400VbusbeforethefilterdeviceinputsFig.6Thecurrentwaveformon400Vbusbeforethefilterdeviceinputs5图7滤波装置投入后中频变400V母线电压波形图8滤波装置投入后中频变400V母线电流波形Fig.7Thevoltagewaveformon400VbusafterthefilterdeviceinputsFig.8Thecurrentwaveformon400Vbusafterthefilterdeviceinputs表4滤波补偿装置投入后中频变400V母线谐波Table4Theharmonicof40