电力频道
0 引言
随着炼钢行业的发展，电弧炉炼钢已成为冶炼各类优质钢种和铁合金的重要手段。电弧炉炼钢法是利用电极电弧产生的高温使废弃固体钢铁熔化为液态的方法。电弧炉工作时电弧的不规律性和变化急剧性，导致电网波动剧烈、功率因数极低，严重影响了电网内其它设备的运行。SVC的应用，能稳定电网运行，提高功率因数，改善电网电能质量。
1电弧炉的工作原理及影响
电弧炉冶炼过程分3个阶段，即冶炼初期、熔化期和精炼期。冶炼过程中，电极上下运动，不断与废钢等物料接触产生高温电弧，对电网产生一系列不利影响：
⑴ 电压波动和闪变。电弧炉电弧的间断性和变化急剧性，使得三相负荷不平衡，导致供电系统整体电压波动剧烈，电压、电流波形发生严重畸变，电网内其它设备难以正常工作。
图1 SVC原理组成图
⑵ 谐波污染。电弧炉冶炼过程中，电流波形不规律，谐波含量大，主要为2~7谐波。大量谐波注入电网，引发电气设备发热、振动、绝缘老化和损耗增加。
⑶ 无功冲击和功率因数低。电弧炉有功
功率和无功功率随电流的变化而变化，大量的无功冲击降低了母线电压的同时，也导致了功率因数极为低下。一般交流电弧炉功率因数约为0.7左右，低于国家标准要求。
2 SVC原理和硬件组成
SVC主要由晶闸管相控电抗器（TCR）、滤波器（FC）和相关配套部分组成。图1为SVC一次系统与电弧炉配套图。SVC系统主要由TCR支路和FC滤波支路组成。TCR支路主体设备为晶闸管阀组和电抗器，通过晶闸管阀组的开通与关断来实现电抗器的快速频繁投切，从而平滑控制感性无功。FC滤波支路主体设备为高压电容器，2次滤波支路采用“C”型滤波器，目的是为了拓宽频带，增加阻尼和减少电阻基波功率损耗；3次、4次、5次滤波器采用单调谐滤波器，分别滤除3~5次滤波，保证电弧炉正常生产时注入电网的谐波电流低于国家标准的限制值。SVC正是通过不断调整TCR的无功功率
，使得电弧炉负载无功功率
和FC产生的无功功率
满足
，实现有效抑制电压波动和闪变、谐波滤除和提高功率因数的目的。
图2 SVC水冷机组
2.1 晶闸管阀组
TCR的每相回路中，正反并联连接的晶闸管阀组与电抗器串联在一起，由于要承受额定35kV的高压，兼之工作中阀组发热量相当大，因此实际应用还包括了阀组的均压、水冷散热、触发、阻容吸收等多套回路的设计。
晶闸管阀组的触发方式为光电触发，触发回路设计有足够的抗干扰能力，其发出的触发脉冲不受交流电源变化和失电的影响。
考虑到晶闸管的均压设计，串联晶闸管的冗余量为2支，单只损坏并不影响系统的正常稳定运行。
2.2 水冷机组
SVC阀组发热量大，其冷却方式是设计中至关重要的一环。SVC阀组冷却方式主要有3种：热管自冷式、风-水冷式、水-水冷式。热管自冷式是将热量通过金属元件散发至空气中，设备占地面积大，散热效率低，同时需增设空调或风机冷却周围空气，此种方式可靠性能低，极易发生散热不及导致发生击穿事故。风-水冷式和水-水冷式的主体构造相似，可靠性较高，区别在于前者用自然风冷却纯水，后者用低温水循环换热冷却纯水。考虑到北方炎热夏季室外温度较高，单纯靠风冷很难达到理想效果，因此，采用水-水冷式冷却方式。
水-水冷式是外循环水通过换热器冷却内循环水，内循环水流经晶闸管阀组带走热量。因阀组工作于高电压条件下，为防止高压环境下产生的漏电流，内循环水必须具有极高的电阻率。在其管路上设置离子交换器来净化析出的离子，另外，内循环管路系统从材质上也设计成绝缘体。整套纯水冷却系统采用PLC控制系统进行监控，对各项运行参数进行监视，异常情况下报警甚至退出SVC，确保水冷系统有效稳定的工作。如图2所示。
2.3 滤波电抗器与滤波电容器
滤波电抗器为空心、干式、F级绝缘的双铝线圈结构，电感调节范围±5%，为无级平滑调节，采用三角形接法，在补偿三相不平衡无功负荷的同时又滤除自身的三次谐波，具有1.3倍额定电流持续运行能力。
滤波电容器，集成内部放电电阻，选用小损耗值且高可靠性材料制造，并在设计时考虑避免其与变压器一次侧网络元件发生谐振。
3 SVC监控调节和软件保护
SVC采用基于数字信号处理芯片（DSP）的调节子系统和基于嵌入式系统的监控子系统，进行分层布置，通过变电站自动化系统和保护装置的通信接口，在图形化人机界面上将电力运行参数、阀组信息和水冷机组信息全部显示出来。 SVC监控与调节图如图3所示。
图3 SVC监控与调节图
3.1 阀组保护
3.1.1 过电压BOD
实际运行中会遇到TCR母线出现操作过电压或触发装置故障导致晶闸管无法立刻开通的情况，晶闸管阀组两端电压超过其耐压等级。阀组应设过电压保护，可在TCR相控电抗器近端装设避雷器，和在触发回路中增设BOD保护触发电路来实现。
3.1.2防误触发保护
晶闸管阀组的误触发主要表现为晶闸管误通和非正常触发两种情况。前者主要因冲击电压超过阀组耐压水平导致阀组非同步开通造成，不会对系统和TCR阀组产生危害，故采用监控阀组动作次数的方式来避免；后者主要因同步电路异常所致，可通过监控同步电路并设丢脉冲保护功能来保护。
3.1.3过压保护
TCR中每个晶闸管都有过电压保护，并能给一个或多个晶闸管在过电压或误触发脉冲时提供紧急触发脉冲。
3.2 水机保护
投入SVC前，需要先投入水冷系统，退出SVC后，方可退出水冷系统。纯水冷却系统对循环水的压力、温度、流量、电阻率、余水液位等参数进行实时监控，确保水机运行正常，若水冷系统出现故障，监控系统设置为先跳闸退出SVC系统。
3.3 滤波电抗器和滤波电容器保护
滤波电容器、滤波电抗器支路保护主要为过压、欠压、过流和不平衡电流保护，目的是监控支路的正常稳定运行。若运行中出现过压、过流等故障，可及时断开此支路，防止事故扩大化。
4 SVC性能效果和结语
西王特钢有限公司投运的SVC，TCR额定容量为70Mvar，FC基波容量70Mvar，其发出的容性无功功率为0～70Mvar，且连续动态可调，动态响应时间小于10ms，整机跟踪时间小于12.5ms。SVC投运后，经实际现场测试，其性能表现：
（1）电压闪变满足GB/T12326-2008《电能质量-电压波动和闪变》中对35kV电力系统公共连接点，电压长时间闪变小于1，35kV母线电压波动应小于2%的规定。
（2）SVC投入后，35kV侧的月平均功率因数达0.95以上，满足电力规范要求。
（3）谐波电压满足GB/T14549-93《电能质量-公用电网谐波》中对35kV电网谐波电压（相电压）限值为电压总谐波畸变率小于3%，奇次谐波电压含有率低于2.1%，偶次谐波电压含有率低于1.2%的规定。
（4）谐波电流符合35kV标准电压下，基准容量250MVA的电网公共连接点被注入的谐波电流分量（方均根值）的规定值。
SVC装置的应用，对改善该公司供电系统的电能质量、治理谐波、提高功率因数、降低电网损耗、稳定电网运行水平起到了积极而重要的作用。
参考文献
[1] 王兆安,杨君,刘进军,等.谐波抑制和无功功率补偿[M].北京：机械工业出版社，2006
[2 ]罗安.电网谐波治理和无功补偿技术及装备[M].北京：中国电力出版社，2006
[3] 罗承廉，纪勇，刘遵义.静止同步补偿器(STATCOM)的原理与实现[M].北京：中国电力出版社，2005
[4] 陈柏超.新型可控饱和电抗器理论及应用[M].武汉：武汉水利电力大学出版社，1999
[5] 王兆安，黄俊.电力电子技术[M].北京：机械工业出版社，2003