1、- 1 -高 阻 抗 电 弧 炉 电 气 运 行 分 析摘 要高 阻 抗 电 弧 炉 的 电 气 运 行 特 性 与 普 通 超 高 功 率 电 弧 炉 有 很 大 的 差 别 ， 尤 其 是 供 电制 度 与 以 往 不 同 ， 目 前 国 内 对 此 研 究 较 少 。 作 者 首 次 在 南 钢 电 炉 厂 70/100t 高 阻 抗 电 弧炉 实 现 了 电 气 运 行 参 数 的 在 线 测 试 ， 研 究 了 高 阻 抗 电 弧 炉 在 炼 钢 过 程 中 对 供 电 电 网 的影 响 、 三 相 电 压 及 三 相 电 流 变 化 特 征 、 电 抗 器 上 下 两 端 的 谐
2、波 情 况 、 非 线 性 电 抗 模 型以 及 电 抗 器 的 功 率 损 耗 ， 在 此 基 础 上 确 定 了 高 阻 抗 电 弧 炉 电 气 运 行 参 数 的 设 计 原 则 ，并 将 研 制 的 合 理 供 电 曲 线 用 于 生 产 实 践 。 论 文 工 作 的 主 要 内 容 包 括 ：(1)首 次 应 用 美 国 施 耐 德 (Square D/Schneider)公 司 生 产 的 PowerLogic2000 电 力 参 数线 路 监 控 仪 CM2250 及 CM2350， 在 大 型 高 阻 抗 电 弧 炉 炼 钢 过 程 中 实 现 了 供 电 主 回路 电 气
3、运 行 参 数 的 多 点 测 量 。 先 后 进 行 了 两 次 电 气 运 行 参 数 实 测 研 究 ， 获 得 了 20 余 万组 电 气 运 行 参 数 数 据 。(2)应 用 目 前 国 际 上 最 先 进 的 大 型 统 计 软 件 SAS， 对 实 测 数 据 进 行 统 计 分 析 ， 研 究了 高 阻 抗 电 弧 炉 在 炼 钢 过 程 中 对 供 电 电 网 的 影 响 ； 分 析 了 电 弧 炉 设 备 的 三 相 不 平 衡 情况 ； 研 究 了 高 阻 抗 电 弧 炉 炼 钢 过 程 中 电 抗 器 上 下 两 端 产 生 的 谐 波 情 况 ， 从 理 论 上 分
4、 析 了电 弧 炉 谐 波 产 生 的 机 理 以 及 电 抗 器 抑 制 谐 波 的 作 用 ； 建 立 了 高 阻 抗 电 弧 炉 炼 钢 过 程 中 实际 的 非 线 性 电 抗 模 型 ， 探 讨 了 大 型 交 流 电 弧 炉 非 线 性 电 抗 模 型 的 特 点 ； 研 究 了 高 阻 抗电 弧 炉 电 抗 器 的 各 项 功 率 损 耗 。(3)研 究 了 高 阻 抗 电 弧 炉 电 气 运 行 特 性 ， 对 高 阻 抗 电 弧 炉 的 电 气 参 数 设 计 进 行 了分 析 ， 给 出 了 高 阻 抗 电 弧 炉 电 气 参 数 设 计 的 设 计 原 则 。(4)研 制
5、 了 南 钢 电 炉 厂 70/100t 高 阻 抗 电 弧 炉 电 气 特 性 图 、 电 气 圆 图 、 工 作 点 总 表 ，并 且 制 定 了 合 理 供 电 曲 线 。 将 研 制 的 供 电 曲 线 用 于 生 产 实 践 ， 取 得 了 节 电 25kwh/t 坯 ，缩 短 通 电 时 间 3min 的 冶 金 效 果 。关 键 词 ： 炼 钢 ， 高 阻 抗 ， 电 弧 炉 ， 合 理 供 电- 2 -Study on Electric Operating of High Impedance EAF Steelmaking ProcessAbstractThere exist
6、great differences in the electric operating characteristics between High impedance EAF and regular UHP-EAF, especially in power input system, which has been less studied at present in China. Author firstly measured the electric operating parameters in the 70/100t High impedance EAF steelmaking plant
7、 NANJING iron and steel corporation, and studied effect on the electric net, harmonic on the two sides of reactor, non-linear reactance model and power consumption of the reactor in the High impedance EAF steelmaking. On the base of research the principle of High impedance EAF electric operating par
8、ameters is designed, and the optimized power curve is used in the steelmaking process. The main contents are included as follows:(1) Firstly with CM2250 and CM2350 meter- PowerLogic2000 circuit monitor of USA Square D/Schneider corporation measuring electric operating parameters of more point in the
9、 High Impedance EAF steelmaking process are achieved. With two measuring of electric operating parameters, two hundred thousands of electric operating parameters are obtained.(2) Measured electric parameters are analysed and studied with advanced statistical softwareSAS, in the High impedance EAF st
10、eelmaking. The affects on the electric net in EAF steelmaking and three phases unbalance of EAF facility are studied. The harmonics on the two sides of reactor in the High impedance EAF steelmaking are studied. The high harmonic source of EAF and function of control high harmonic with reactor are th
11、eoretically analyzed. On the base of measuring of electric parameters, non-linear reactance model in the High impedance EAF steelmaking is established and characteristics of large AC EAF non-linear reactance model is discussed. All kinds of power consumption of High impedance EAF reactor are studied
12、. (3) The electric operating characteristics of High impedance EAF are studied, the analysed design electric parameters in High impedance EAF, and the principle of design in High impedance EAF electric parameters are listed.(4) The electric characteristic diagram, electric circle diagram, operating
13、points and optimized power input curve are used in 70/100t High impedance EAF steelmaking process of NanJing Iron and Steel Group Co.,Ltd. The optimized power input curves has been used in process, and electric consumption can be reduced by 25kwh/t and power on time can be shorten by 3 min.Key words
14、: steelmaking， high impedance， EAF， optimized power input- 3 -目 录摘 要 .1Abstract .2主 要 符 号 及 其 意 义 .1引 言 .21 文 献 综 述 .31.1电 弧 炉 炼 钢 技 术 的 发 展 .31.1.1电 弧 炉 炼 钢 概 述 .31.1.2电 弧 炉 炼 钢 新 技 术 现 状 .51.1.3电 弧 炉 炼 钢 的 能 量 利 用 .71.2电 弧 炉 电 气 运 行 特 性 研 究 .111.2.1有 关 电 弧 现 象 的 研 究 .111.2.2电 弧 炉 电 气 运 行 特 性 .121.
15、2.3高 阻 抗 电 弧 炉 的 电 气 运 行 .191.3我 国 电 弧 炉 电 气 运 行 现 状 .221.4本 文 研 究 的 主 要 内 容 .252 研 究 的 工 程 背 景 .272.1高 阻 抗 电 弧 炉 炼 钢 工 艺 和 供 电 概 况 .272.1.1南 钢 70/100t高 阻 抗 电 弧 炉 炼 钢 工 艺 概 况 .272.1.2 70/100t高 阻 抗 电 弧 炉 供 电 概 况 .282.1.3问 题 的 提 出 .292.1.4研 究 难 点 和 研 究 意 义 .292.2小 结 .303 高 阻 抗 电 弧 炉 炼 钢 过 程 电 气 运 行 参
16、数 实 测 .313.1实 测 研 究 基 础 .313.1.1实 测 设 备 .313.1.2设 备 软 件 简 介 .313.1.3实 测 数 据 处 理 方 法 .323.2实 测 方 案 .343.2.1实 测 中 应 注 意 的 问 题 .343.2.2确 定 实 测 方 案 .353.3实 测 过 程 .363.4实 测 数 据 分 析 .373.4.1数 据 选 取 .373.4.2误 差 分 析 .383.4.3基 本 统 计 分 析 .393.4.4其 他 统 计 分 析 .413.4.5方 差 分 析 .433.5小 结 .44- 4 -4 供 电 电 网 及 高 阻 抗
17、电 弧 炉 电 气 参 数 评 价 .454.1供 电 电 网 电 气 参 数 评 价 .454.1.1功 率 波 动 情 况 .454.1.2谐 波 电 压 及 谐 波 电 流 .464.1.3负 序 .464.1.4电 压 波 动 和 闪 变 .474.1.5电 网 的 稳 定 性 分 析 .474.2高 阻 抗 电 弧 炉 设 备 参 数 评 价 .474.3高 阻 抗 电 弧 炉 电 抗 器 功 率 损 耗 评 价 .484.3.1电 抗 器 的 结 构 特 点 及 其 基 本 作 用 .484.3.2实 测 结 果 .494.3.3电 抗 器 功 率 消 耗 分 析 .514.4小
18、结 .525 高 阻 抗 电 弧 炉 炼 钢 过 程 中 的 谐 波 分 析 .535.1谐 波 分 析 的 数 学 基 础 .535.1.1傅 立 叶 级 数 .535.1.2傅 立 叶 变 换 .555.2有 关 谐 波 的 基 本 概 念 .555.3三 相 交 流 电 路 的 谐 波 分 析 .585.4谐 波 电 压 及 谐 波 电 流 实 测 研 究 .605.4.1实 测 方 案 及 过 程 .605.4.2实 测 结 果 及 分 析 .625.5分 析 讨 论 .655.6小 结 .676 高 阻 抗 电 弧 炉 非 线 性 电 抗 模 型 研 究 .686.1问 题 的 提
19、出 .686.2非 线 性 电 抗 模 型 研 究 .696.2.1建 立 模 型 的 基 点 .696.2.2操 作 电 抗 与 电 极 电 流 的 关 系 .706.2.3指 数 曲 线 类 型 的 非 线 性 电 抗 模 型 .716.2.4双 曲 线 类 型 的 非 线 性 电 抗 模 型 .726.2.5确 定 非 线 性 电 抗 模 型 .736.3短 路 电 抗 求 解 .746.4分 析 讨 论 .766.4.1操 作 电 抗 与 功 率 因 数 的 关 系 .776.4.2功 率 因 数 与 电 抗 率 的 关 系 .776.4.3高 阻 抗 电 弧 炉 总 电 路 的 特
20、征 分 析 .806.5小 结 .817 高 阻 抗 电 弧 炉 电 气 运 行 参 数 分 析 及 设 计 .827.1高 阻 抗 电 弧 炉 的 电 气 运 行 特 性 .827.2高 阻 抗 电 弧 炉 电 气 参 数 设 计 原 则 .85- 5 -7.2.1等 效 电 路 .857.2.2电 弧 炉 电 气 运 行 参 数 .857.2.3计 算 公 式 及 基 本 假 设 .857.2.4变 压 器 的 选 择 .877.2.5电 抗 器 参 数 与 工 作 电 流 的 关 系 .877.2.6电 抗 器 参 数 与 变 压 器 容 量 的 关 系 .877.2.7设 计 流 程
21、图 .887.3高 阻 抗 电 弧 炉 电 气 参 数 设 计 实 例 .887.3.1选 定 变 压 器 容 量 .907.3.2约 束 条 件 .907.3.3设 定 基 本 电 气 运 行 参 数 .907.3.4制 定 电 弧 炉 变 压 器 二 次 分 接 电 压 .917.3.5计 算 相 应 电 压 级 别 下 所 需 配 加 的 电 抗 器 电 抗 值 .927.3.6电 气 特 性 曲 线 的 绘 制 与 合 理 工 作 点 的 选 择 .947.4 分 析 讨 论 .977.5小 结 .998 高 阻 抗 电 弧 炉 电 气 运 行 合 理 化 研 究 .1008.1电 气
22、 特 性 图 研 究 .1008.2电 气 圆 图 研 究 .1018.3工 作 点 总 表 研 究 .1028.3.1工 作 点 总 表 .1038.3.2工 作 点 总 表 评 价 .1038.4合 理 供 电 曲 线 的 研 究 .1048.5分 析 讨 论 .1048.5.1原 料 条 件 对 电 弧 炉 工 作 点 选 择 的 影 响 .1058.5.2供 氧 对 电 弧 炉 工 作 点 选 择 的 影 响 .1068.5.3泡 沫 渣 对 电 弧 炉 工 作 点 选 择 的 影 响 .1068.6小 结 .1069 工 业 试 验 和 生 产 应 用 .1079.1工 业 试 验
23、概 述 .1079.2可 操 作 性 试 验 .1079.3合 理 供 电 工 业 试 验 .1079.3.1第 一 次 工 业 试 验 .1079.3.2第 二 次 工 业 试 验 .1089.4合 理 供 电 生 产 对 比 试 验 .1109.5分 析 讨 论 .1119.6小 结 .113结 论 .114参 考 文 献 .116在 学 研 究 成 果 .122致 谢 .123- 1 -主 要 符 号 及 其 意 义符 号 物 理 意 义 单 位 符 号 物 理 意 义 单 位SCN 电 网 公 共 接 点 的 短 路 容 量 Pa A 相 有 功 功 率 MWSCC 电 抗 器 上 端
24、 的 短 路 容 量 MVA Pb B 相 有 功 功 率 MWSCR 变 压 器 一 次 侧 的 短 路 容 量 MVA Pc C 相 有 功 功 率 MWSCS 变 压 器 二 次 侧 的 短 路 容 量 MVA Pttl 三 相 总 有 功 功 率 MWrA A 相 电 阻 MVA Qa A 相 无 功 功 率 MVARrB B 相 电 阻 m Qb B 相 无 功 功 率 MVARrC C 相 电 阻 m Qc C 相 无 功 功 率 MVARXA A 相 相 电 抗 m Qttl 三 相 总 无 功 功 率 MVARXB B 相 相 电 抗 m Sa A 相 视 在 功 率 MVAX
25、C C 相 相 电 抗 m Sb B 相 视 在 功 率 MVAVA A 相 相 电 压 m Sc C 相 视 在 功 率 MVAVB B 相 相 电 压 V Sttl 三 相 总 视 在 功 率 MVAVC C 相 相 电 压 V n 谐 波 次 数XOP 操 作 电 抗 V An 各 次 谐 波 基 波 百 分 比 %r 单 相 平 均 电 阻 m Xn 各 次 谐 波 电 抗 mU 单 相 平 均 相 电 压 m f0 基 波 频 率 HzRarc 电 弧 电 阻 V fn 各 次 谐 波 频 率 HzZ 额 供 电 系 统 的 额 定 阻 抗 m K 电 抗 率Z 供 电 系 统 的
26、总 阻 抗 m Xsc 短 路 电 抗 mUavg 三 相 线 电 压 的 平 均 值 V Isc 短 路 电 流 AUab AB 相 的 线 电 压 V Ra 电 弧 电 阻 mUbc BC 相 的 线 电 压 V X1 电 网 电 抗 mUca CA 相 的 线 电 压 V X2 降 压 变 压 器 电 抗 mIavg 三 相 相 电 流 的 平 均 值 A X3 电 炉 变 压 器 电 抗 mIa A 相 的 相 电 流 A X4 短 网 电 抗 mIb B 相 的 相 电 流 A Xr 电 抗 器 电 抗 mIc C 相 的 相 电 流 A R1 电 网 内 阻 mk 变 压 器 的
27、变 比 R2 降 压 变 压 器 内 阻 mU1 变 压 器 一 次 侧 电 压 V R3 电 炉 变 压 器 内 阻 mU2 变 压 器 二 次 侧 电 压 V R4 次 级 线 路 内 阻 mUavg 折 算 后 的 三 相 平 均 线 电 压 V 0 电 抗 器 下 端 功 率 因 数 角 Iavg 折 算 后 的 三 相 平 均 相 电 流 A 电 抗 器 上 端 的 功 率 因 数 角 cos 功 率 因 数 Q0 电 抗 器 无 功 消 耗 MVARPFa 实 测 A 相 功 率 因 数 E 系 统 电 压 VPFb 实 测 B 相 功 率 因 数 S 电 抗 器 上 端 的 视
28、在 功 率 MVAPFc 实 测 C 相 功 率 因 数 S0 电 抗 器 下 端 的 视 在 功 率 MVA- 2 -引 言2000 年 ， 世 界 电 炉 钢 比 约 为 33.7%， 预 计 到 2010 年 将 达 到 40%； 而 我 国 的 电 炉钢 比 仅 为 15.7%， 与 工 业 发 达 国 家 相 比 电 炉 炼 钢 还 处 于 发 展 阶 段 。 对 于 电 炉 炼 钢 而 言 ，选 择 合 适 的 供 电 制 度 极 为 重 要 。 因 为 电 能 占 电 炉 炼 钢 总 能 量 输 入 的 60 70%， 合 理 使用 这 部 分 能 量 将 有 助 于 实 现 电
29、 炉 炼 钢 的 高 效 化 。 北 京 科 技 大 学 近 年 来 一 直 从 事 大 型 超高 功 率 电 弧 炉 炼 钢 合 理 供 电 技 术 的 研 究 工 作 ， 在 电 弧 炉 炼 钢 电 气 运 行 参 数 、 工 作 点 、供 电 曲 线 制 定 等 方 面 具 有 扎 实 的 理 论 基 础 和 实 际 工 作 经 验 。 通 过 对 电 弧 炉 炼 钢 过 程 中电 气 运 行 特 性 的 研 究 ， 揭 示 了 大 型 交 流 超 高 功 率 电 弧 炉 炼 钢 过 程 中 电 气 运 行 的 基 本 规律 。高 阻 抗 电 弧 炉 炼 钢 技 术 是 近 年 来 发
30、展 起 来 的 新 型 炼 钢 技 术 ， 与 普 通 阻 抗 的 超 高 功率 电 弧 炉 相 比 ， 具 有 降 低 电 耗 、 电 极 消 耗 和 缩 短 通 电 时 间 的 效 果 。 对 于 高 阻 抗 电 弧 炉炼 钢 过 程 的 电 气 运 行 特 性 及 合 理 供 电 问 题 ， 文 献 上 未 见 详 细 报 道 。 本 文 基 于 电 工 学 基础 ， 对 高 阻 抗 电 弧 炉 炼 钢 过 程 中 的 电 气 运 行 特 性 进 行 研 究 。 基 本 研 究 过 程 ： 测 量 电 弧炉 供 电 主 回 路 的 基 本 电 气 运 行 参 数 ， 进 行 分 析 处
31、理 后 得 到 电 弧 炉 供 电 主 回 路 的 短 路 电抗 和 操 作 电 抗 ， 应 用 这 些 电 气 参 数 制 定 合 理 的 电 弧 炉 供 电 制 度 。 高 阻 抗 电 弧 炉 由 于 增加 了 电 抗 器 ， 故 其 电 气 运 行 特 性 亦 相 应 变 化 。 由 于 供 电 主 回 路 阻 抗 的 增 大 ， 导 致 高 阻抗 电 弧 炉 变 压 器 的 二 次 电 压 提 高 ， 二 次 电 流 降 低 ， 功 率 因 数 略 有 降 低 。 根 据 高 阻 抗 电弧 炉 炼 钢 过 程 中 的 电 气 运 行 特 性 ， 就 可 研 究 如 何 选 择 合 适
32、的 工 作 点 、 应 用 合 理 的 供 电曲 线 ， 达 到 提 高 入 炉 的 有 用 功 率 及 电 效 率 的 目 的 。本 文 在 高 阻 抗 电 弧 炉 炼 钢 过 程 中 ， 应 用 高 精 度 智 能 仪 表 ， 在 供 电 主 回 路 上 多 点 同时 测 量 电 气 运 行 参 数 ， 测 取 了 如 三 相 线 电 压 、 三 相 相 电 流 、 三 相 功 率 因 数 及 三 相 有 用功 率 、 三 相 无 用 功 率 、 三 相 视 在 功 率 等 多 种 电 气 参 数 。 应 用 SAS 软 件 对 实 测 数 据 进 行分 析 处 理 ， 研 究 高 阻 抗
33、 电 弧 炉 炼 钢 过 程 中 电 气 运 行 特 性 ， 制 定 适 合 于 高 阻 抗 电 弧 炉 炼钢 过 程 的 合 理 供 电 制 度 ， 达 到 比 外 商 更 好 的 技 术 经 济 指 标 。 本 文 的 研 究 结 果 对 于 提 高我 国 电 弧 炉 炼 钢 生 产 技 术 整 体 水 平 以 及 丰 富 高 阻 抗 电 弧 炉 的 电 气 参 数 设 计 具 有 重 要 的指 导 意 义 。- 3 - 4 -1 文 献 综 述1.1 电 弧 炉 炼 钢 技 术 的 发 展1.1.1 电 弧 炉 炼 钢 概 述电 弧 炉 经 历 了 从 普 通 功 率 电 弧 炉 到 高 功 率 电 弧 炉 再 到 超 高 功 率 电
