基于PSAF,的电弧炉2,次滤波器优化设计及工程实施

戴立庆，张旭，魏孟刚，刘子涵，林恒青

（1.福建船政交通职业学院，福州 350007；
2.中电普瑞电力工程有限公司，北京 100089；
3.三峡电力职业技术学院，湖北 宜昌 443000）

交流电弧炉（electric arc furnace，EAF）是一种利用电弧产生的热量来高效熔化废钢并提升钢水温度的炼钢炉[1-6]。电弧炉负荷波动具有随机性和不规则型，除了产生整数次谐波外，还会产生大量间谐波[7-13]。目前国内电能质量治理厂家对EAF 的谐波治理，特别是2 次滤波支路的设计方面还存在思路误区。个别厂家为节约成本，省去了2 次滤波器，造成2 次谐波电流严重放大，忽视了2 次谐波附近的大量间谐波的存在，直接将2 次滤波器设计为单调谐形式，导致2 次附近的间谐波发生放大，电压畸变率增高，影响了系统安全稳定运行[14-22]。

本文对某特钢公司电弧炉供电系统谐波实测波形进行FFT 分解，得出电弧炉的2 次谐波、间谐波频谱及含量，然后采用电力系统综合计算分析软件PSAF 对比了不设置2 次滤波器、设置2 次单调谐滤波器、设置2 次二阶高通滤波器和设置2 次C 型高通滤波器4 种方案对2 次谐波和间谐波的改善情况，得出电弧炉设置2 次C 型滤波器的必要性。采用PSAF强大的谐波潮流和阻抗特性分析功能，得出C 型滤波器电阻值的最优取值区间。最后将上述研究结论用于工程实际的滤波器设计，通过工程案例证明了本方案设计的2 次滤波器的正确性和实用性。

广西某特钢公司电弧炉炼钢项目100 吨电弧炉的炉变容量为80 MVA，接入炼钢专用35 kV 母线，供电系统及设备主要参数见图1。

图1 特钢公司100吨电弧炉供电系统主接线图Fig.1 Primary wiring diagram of power supply system for 100t EAF in special steel company

总降主变和炼钢EAF 炉变参数见表1。

表1 总降主变和炼钢EAF炉变参数Table 1 Parameters of main transformer and EAF furnace for steelmaking

100 吨电弧炉实测电流波形见图2。

图2 电弧炉实测电流波形Fig.2 Actually measured current waveform of arc furnace

将实测电流波形和数据进行傅里叶分解后的间谐波频谱见图3。

图3 电炉A相间谐波Fig.3 Harmonic of phase A of electric furnace

图3 中以5 Hz 为间谐波分析间隔，基波电流对应横坐标10，2 次谐波对应横坐标轴的20，其余各次表达规律相同，从频谱图中可以看到电弧炉产生的5～100 Hz 的间谐波较大，具体见表2。

表2 电炉A相间谐波数据Table 2 Harmonic data of phase A of electric furnace

2.1 方案说明

根据《GB/T 24337—2009 电能质量公用电网间谐波》规定，本项目220 kV 母线短路容量4 500 MVA，对应2 次谐波电流不应大于8.11A，折算至35 kV母线为51 A，35 kV 母线2 次谐波电压电压畸变率不应大于1.2%，2 次附近间谐波引起35 kV 母线电压畸变不大于0.32%。对比限值指标和实测值可知，本项目电炉2 次谐波电流92 A，超过51 A 的限值指标，必须采取治理措施。

高压滤波装置常见型式有3 种，分别为单调谐滤波器、二阶高通滤波器和C 型高通滤波器[23-30]，见图4。

图4 常见滤波器类型Fig.4 Common filter types

从图4 可知，对电弧炉2 次谐波的治理措施有如下4 种。方案1：不加装2 次滤波器；
方案2：加装2 次单调谐滤波器；
方案3：加装2 次二阶高通滤波器；
方案4：加装2 次C 型高通滤波器。

在其他条件不变的情况，采用PSAF 对上述4种方案的滤波效果进行仿真分析。

本工程采用电力系统专业分析软件PSAF 完成谐波潮流和阻抗频率特性曲线的仿真。PSAF（power systems analysis framework）是由美国CYME公司开发的全图形界面的电力系统仿真分析计算软件，他主要是从原有的CYME 的多个电力系统分析软件加以改版，采模块化设计并整合而得，所有属于此一系列的软件，均冠上“PSAF”字头。在仿真分析方面，该软件集成了潮流分析、短路计算、暂态稳定分析、谐波分析、可靠性分析等模块，并提供了简便快捷的电力系统模型搭建方式，所有的电力系统参数输入和连线图操作都可直接在图形界面上完成，显示结果一目了然[31-33]。

根据特钢公司100 吨电弧炉供电系统结构和设备参数，搭建不同方案的谐波潮流仿真模型见图5。

图5 特钢公司EAF炉不同2次滤波器方案谐波潮流仿真模型Fig.5 Harmonic power flow simulation model ofdifferent secondary filter scheme of EAF furnace in special steel company

2.2 滤波器型式选择

经PSAF 仿真，不同滤波器型式即分别采用方案1 至方案4 时注入上级电网的的2 次谐波及间谐波电流数值见表3。

表3 采用不同治理方案时注入上级电网的谐波和间谐波电流对比Table 3 Comparison of harmonic and interhamonic currents injected into superior power grid with different treatment schemes

经PSAF 仿真，不同滤波器型式即采用方案1至方案4 的35 kV 母线阻抗频率特性曲线见图6。

图6 方案1至方案4的阻抗频率特性曲线Fig.6 Impedance frequency characteristic curve of scheme 1 to 4

分析表3 和图6 可知，对于50 Hz 以内的间谐波，4 种滤波方案的间谐波变化情况基本相同，阻抗特性曲线也无差异，但是对50～100 Hz 直接的间谐波和2 次谐波（100 Hz）的吸收（放大）情况，4 种方案有明显差异。其中：

方案1：无FC2方案，间谐波无明显放大，但由于3 次及更高次数滤波支路的存在，对2 次整数次谐波电流产生放大，放大倍数达到3.78 p.u.，2 次谐波放大后达到347.76 A，属于严重超标，因此，不设置2 次滤波支路将出现2 次谐波电流超标的问题。

方案2：FC2设置为单调谐滤波器，对2 次谐波电流的吸收效果最好，可以吸收88%的2 次谐波电流，但是对85 Hz 附近的间谐波放大倍数达到12倍，极易引起间谐波超标。

方案3：FC2设置为二阶高通滤波器，对2 次谐波的吸收率降低到69%，同时对85 Hz 附近的间谐波放大倍数降低至7.7 倍，电阻器损耗为22.4 kW/相。

方案4：FC5设置为C 型滤波器，对2 次谐波的吸收率进一步降低到46%，同时对85 Hz 附近的间谐波放大倍数进一步降低至3.9 倍，电阻器损耗为1.02 kW/相。

从上述分析可知，方案1 将产生2 次谐波电流超标问题，方案2 将引起间谐波严重放大。方案3和方案4 均通过加装阻尼电阻降低2 次谐波吸收效果的同时避免了间谐波严重放大，但方案3 中电阻器直接并联于电抗器两端，将产生22.4×3=67.2 kW的损耗，经济性指标较差。方案4 中C 型滤波器的电容器分为主电容和副电容，副电容与电抗器串联后与电阻器并联，由于副电容与电抗器在工频下串联谐振，工频电压近似为0，因此电阻器不承受工频电压，损耗仅1.02×3=3.06 kW，较方案3 显著降低，且其谐波特性与二阶高通滤波器相同。因此，电弧炉最为理想的2 次滤波器方案是采用C 型滤波器。

2.3 电阻值优化设计

C 型滤波器的特性与电阻值即Q值的大小密切相关，C 型滤波器的Q值定义为电阻器的电阻值与电抗器的感抗值之比，公式为

式中：R为C 型滤波器电阻器的电阻值，Ω；
XL为C型滤波器电抗器的感抗值，Ω。

Q值一般为10～40。经PSAF 仿真，Q取不同值时2 次附近的阻抗频率特性曲线对比见图7。

从图7 可以看出，Q取值不同时，串联谐振点（谐波吸收点）和并联谐振点（谐波放大点）的位置不变，说明Q值不会影响谐波吸收和放大的位置。但是，Q值对谐振点阻抗值和通频带产生影响，具体规律为：Q值越高，串联谐振点阻抗越小，对2 次谐波的吸收效果越好，并联谐振点阻抗越大，对间谐波的放大数值越高，通频带越窄。Q值越低，串联谐振点阻抗越大，对2 次谐波的吸收效果越差，并联谐振点阻抗越小，对间谐波的放大数值越低，通频带越宽。因此，Q值选择应满足如下原则：1）保证一定2次谐波电流吸收效果；
2）避免间谐波严重放大。

图7 Q取不同值时2次附近的阻抗频率特性曲线Fig.7 Impedance frequency characteristic curve near twice when q takes different values

C 型滤波支路的Q值不宜过高或过低，推荐为20～30。工程设计时，首先根据2 次谐波电流实际值和谐波电流限值，计算2 次谐波电流的改善率指标，通过改变Q值使2 次谐波电流合格，并保留一定的容量裕度。然后通过阻抗频率特性曲线仿真分析，校验是否会出现间谐波放大，最后进行安全性校核，包括C 型滤波器各组成设备的电压、电流、功率裕度的校核。具体流程见图8。

图8 2次滤波器优化设计流程Fig.8 Optimization design flow of secondary filter

2.4 工程设计

应用于电弧炉2 次谐波治理的C 型滤波电容器直接接入35 kV 母线，电容器采用先并后串的接线形式，双星接线（中性点不平衡电流保护）或单星接线（放电线圈电压差动保护）接线方式，见图9。

图9 工程常用的2次滤波器电气接线Fig.9 Electrical wiring of secondary filter commonly used in engineering

第1 种接线方式的优点是三相只需要一台电流互感器即可完成不平衡保护，且电阻器一般分为左右两个分支，单台电阻功率为总功率的一半，能够降低单台设备的尺寸和发热量，缺点是电阻器数量增加一倍，布局困难，同时第1 种接线方式的电容器组放电通过内部放电电阻完成，放电速度较慢，每次停电后需要10 min 以上放电间隔。

第2 种接线方式的优点采用放电线圈后放电速度加快，电阻器数量为每相1 只，缺点是放电线圈数量多，每个支路需要3 台带中间抽头的放电线圈。

目前第1 种接线方式较为常用，对于容量较小、电阻功率不大的2 次C 型滤波器，也可以采用简化接线方式，电阻器只加装1 台，如图9 中虚线所述分支的电阻器可省掉，实际的滤波效果不受影响，且不会引起中性点不平衡电流增大，该方案可简化回路接线，提高工程的经济性指标，具有一定的工程推广价值。

2.5 设备选型

2 次C 型滤波器主设备选型要求为：

滤波电容器采用内熔丝、内放电电阻、双套管、全膜、框架安装式电容器组，具有容值稳定，过载能力强等优势。

滤波电抗器采用干式、空心、环氧浇铸形式，具备±5%的电感值调谐范围，通过将电抗器分为上下两个单元、调节两个单元的间距进而改变回路电感。为了抵御系统运行方式变化产生的谐波放大风险，电抗器一般采用正偏调。

滤波电阻器一般采用编制式无感电阻，以高品质镍铬线或康铜丝为经线，以优质玻璃丝为维线编织而成的电阻单元，再经真空浸渍而成，然后经过串并连接而成电阻器[34-37]。作为经线的电阻丝在编制过程中使其呈S 形，其相邻的两条电阻丝是平行的，而且流过的电流方向正好相反，使其磁场互相抵消，实际上是一种无感排列，使整个电阻单元的电感几乎为零。

2 次C 型滤波器的实物照片见图10，工程1 中滤波电阻器采用落地式安装方式，工程2 中滤波电阻器安装于电容器框架上，节约了占地。

图10 电弧炉滤波工程常用的2次C型滤波器实物照片Fig.10 Photographs of secondary C-type filters commonly used in electric arc furnace filter engineering

根据上述分析结论，特钢公司100 吨电弧炉滤波装置采用2 次C 型滤波器，按照图8 设计流程进行优化设计，主要技术参数如下：

额定电压：28 kV

额定容量：43.2 Mvar

电容器单元：AAM7.0-600-1W

接线方式：4 串6 并

额定电容：58.47 μF/相

额定电感：43.33 mH/台

额定电阻：2 000 Ω/4 kW

电气主接线：见图11。

图11 滤波装置及TCR电气主接线Fig.11 Filter device and TCR electrical primary wiring

滤波支路投入后，母线阻抗频率特性曲线如图12所示。

图12 加入滤波器的母线阻抗频率特性曲线Fig.12 Frequency characteristic curve of bus impedance with addition of filter

经现场实测，电炉冶炼过程中2 次谐波电流降低至36 A，满足2 次谐波电流考核（≤51 A）要求，间谐波无明显放大，电压畸变率显著降低，系统运行稳定。工程验证本文所提供的2 次滤波器设计方案是安全、合理的。

本文使用PSAF 软件对某特钢公司负荷EAF炉的2 次滤波器设计方案进行仿真分析，主要结论如下：

1）通过对比不设置2 次滤波器、设置2 次单调谐滤波器、设置2 次二阶高通滤波器和设置2 次C型高通滤波器4 种方案对2 次谐波和间谐波的改善情况可知，电弧炉滤波工程应设置2 次滤波器，且应设计为C 型滤波器。

2）2 次C 型滤波器电阻取值应综合考虑2 次谐波电流改善率和间谐波放大倍数两个约束条件，Q值不宜过高或过低，推荐为20～30。

3）2 次C 型滤波电容器有“中性点CT 双星差流”或“放电线圈电压差动”两种接线方式，可根据实际需求进行选择。“中性点CT 双星差流”接线方式较为普遍，对于电阻器功率较小的场合，可采用每相1 只电阻器的接线方式，简化接线。

4）滤波电阻器推荐采用编制式无感电阻，直接安装于电容器框架上，节约占地。

最后通过特钢工程实施验证了本文所提供的2次滤波器设计方法和流程合理并具有可行性，该设计方法对于电弧炉谐波治理工程具有一定的参考价值。