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《電氣時代雜志》2014年第五期

一、接入電石爐的系統分析

110kV整體系統圖如圖1所示，電石爐接入系統后，為了改善電能質量，MCR補償裝置隨后接入。電源S是345kV系統母線電壓，用理想電壓源代替，L0是其內阻；T1是降壓變壓器，電壓抽頭：345±8×1.25%/121，電壓比取345/121，線路是架空線LJG—2*300，豎直排列，距離8km；T2是電爐變壓器，電壓比110/0.5；電石爐是一個非線性負載，其仿真模型有很多種；SLOAD是110kV線路負荷，290MW，功率因數0.9。接入電石爐后線路的母線線電壓、無功功率、功率因數和線路諧波如圖2～圖5所示。

由圖2可知，當電石爐接入系統后，母線電壓由110kV跌至約91kV。電網電壓降低可導致用電設備不能正常工作，例如對于異步電動機，其電磁轉矩與外施電壓的二次方成正比，電壓下降時電磁轉矩將顯著降低，使電動機轉速減慢甚至完全停轉。由圖3和圖4可知，電石爐接入系統后，無功功率大幅度增加，功率因數由原來的0.9左右跌落至0.7左右。功率因數下降會增加供電線路的電能損失，增加線路電壓降，影響了電壓質量，降低發、供電設備的利用率，增加企業電費支出。電石爐接入系統會產生個各種諧波使得負載側電壓發生畸變，把負載側的電壓進行FFT分析，得到了2～15次諧波占基波的百分比，由圖5可知，其中2～5次諧波幅值較高，特別是3次諧波已經達到約25%。大量諧波進入電網會使得電壓電流的波形發生畸變，增加導體的損耗，影響斷路器的開斷能力。除了上面所說的幾點危害，由于電石爐工作時三相負載不平衡導致三相電壓電流不平衡，會產生負序電流，負序電流對發電機和電動機均會造成較大危害，會使得轉子局部過熱，產生振動和噪聲，并會使繼電保護裝置誤動作。

二、接入MCR無功補償裝置的系統分析

由上面的分析可知，必須加入既能提高功率因數又能濾除諧波的裝置，而MCR無功補償器正好滿足兩點要求。接入MCR無功補償裝置的系統圖如圖6所示。MCR無功補償裝置由電抗器支路和2～5次濾波支路組成。電抗器支路三角形接法，濾波支路由電容電感組成，電容星形接法并接地。投入的順序為磁控電抗器MCR－2次濾波支路－3次濾波支路－4次濾波支路－5次濾波支路；切除順序是5次濾波支路－4次濾波支路－3次濾波支路－2次濾波支路－磁控電抗器MCR。K1～K5是斷路器，用來投切各支路。當系統頻率角速度為ω，電容為C，以及電容額定電壓為U時，則電容器補償的無功容量為經過計算以及仿真調整，可得每個支路的參數如下表所示。接入MCR后線路的母線線電壓、無功功率和功率因數如圖7～圖9所示。由圖7可知，在t1時刻投入電石爐，母線電壓降低至91kV左右，在t2時刻，投入MCR電抗器支路，母線電壓再次降低，后來隨著2～5次濾波支路分別在t3、t4、t5、t6時刻的投入，母線電壓逐步抬高，最后穩定在110kV左右。由圖8可知，在t1時刻投入電石爐，線路無功功率增加至250Mvar左右，在t2時刻，投入MCR的電抗器支路，無功功率再次稍微增加一些，后來隨著2～5次濾波支路分別在t3、t4、t5、t6時刻的投入，無功功率逐步減小，最后穩定在140Mvar左右。由圖9可知，在t1時刻投入電石爐，線路功率因數降低至0.7左右，在t2時刻，投入MCR的電抗器支路，功率因數再次稍微減低一些，后來隨著2～5次濾波支路分別在t3、t4、t5、t6時刻的投入，功率因數逐步增大，最后穩定在0.9左右小幅振蕩。隨著MCR各支路的投入，線路穩定運行后，各諧波的含量如圖10所示，可知2～5次諧波含量會大大降低。

三、結束語

通過研究投入MCR無功補償裝置前后電石爐對系統電能質量的影響，得到了以下兩點結論。1）在電石爐接入系統后投入MCR補償支路前，母線電壓大幅降低，線路無功功率消耗增大，功率因數大幅降低，電石爐產生諧波尤其是2～5次諧波含量較大進入電網，嚴重影響電能質量。2）在投入MCR無功補償支路后，母線電壓得到提高，線路的無功消耗減少，功率因數增加，并且負載側的諧波含量也大大降低。

作者：陳偉單位：西安交通大學電氣學院，電力設備電氣絕緣國家重點實驗室