[发明专利]电弧炉分段线性的仿真阻抗模型

说明书

技术领域

本发明涉及一种研究电弧炉对电网影响的模型，特别是一种电弧炉分段线性的仿真阻抗模型。 

背景技术

电弧炉是利用交流电弧产生的热来熔炼金属的一种电炉。我们通常所说的电弧炉，一般指炼钢电弧炉。在电弧炉中，电弧发生于专用的电极棒和被熔化的炉料之间，炉料受到电弧的能量直接加热。电弧炉炼钢近几十年来发展尤为迅速，已经成为主要的炼钢方式之一。 

电弧炉的发展趋势是容量大型化、超高功率化，电弧炉由一台电炉变压器供电，三相交流电通过三根电极、三相电弧、被熔金属形成三相通路。电弧炉通过电弧产生的热量熔炼金属。 

炼钢电弧炉主要分为两大类：三相交流电弧炉和直流电弧炉。图示为电弧炉的示意图，其中石墨电极和炉底电极之间为电弧部分，石墨电极通过短网与外电路相连接。交流电弧炉为3根石墨电极，其极性和底电极的极性呈周期性变化。直流电弧炉为1根或多根石墨阴极（一般为3根，此类直流电弧炉大多为交流电弧炉改造而成），炉底电极部分为阳极。另外，电弧炉的炉顶电极可通过电极调节系统进行控制。 

电弧炉内的整个炼钢过程一般分为三个时期，即固体炉料熔化期、氧化期和还原期（精炼期）三个阶段，各个阶段对冶炼温度和功率的要求各不相同。熔化期的任务是将固体炉料熔为钢液，这个期间要求尽可能地向炉内输入最大电功率，以保证炉料在尽量短的时间内熔为金属液。氧化期内主要是通过脱碳反应造成钢液沸腾，从而达到下述目的：（1）从钢液中除去溶于其中的大量气体（主要是氢气）和非金属夹杂物；（2）使钢液的温度和成分均匀；（3）除磷；（4）将钢液温度均匀加热至高于出钢温度。这些任务的完成，主要通过脱碳反应所造成的钢液沸腾来实现。还原期的主要任务是：（1）使钢和炉渣还原；（2）除去钢液中的氧和硫，使其含量达到规定的要求；（3）调整钢液的化学成分，使其达到熔炼钢种所要求的成分；（4）加热钢液至正常出钢温度。另外，由于电弧炉炉衬在炼钢过程中处于高温、机械冲击和化学侵蚀的状 态下，每炉冶炼后炉衬总要受到不同程度的损坏，为了保证炼钢生产的顺利进行和提高炉衬寿命，每次出钢后必须进行补炉。 

由于各个时期的任务不同，因此电弧炉在不同时期所表现出来的特征也有所不同。熔化期的特点是电弧炉输入的电功率急剧波动，同时经常伴随有电流冲击。在电弧刚刚起燃时，由于炉料温度较低，电弧不易稳定燃烧，电弧在炉料上随机移动。当部分炉料熔化后，产生炉料倒塌，使电极发生短路，从而引起电流的冲击。当电极调节系统性能较差时，常常会处于反复调节的过程之中，这种状况不但影响电弧炉的电效率，也会对电网电压产生明显的影响，造成电压波动及闪变等问题。在熔化期的后期，炉料全部融化，电弧电流相对比较稳定。在氧化期，由于脱碳反应造成钢液的强烈沸腾，电弧的等效弧长会发生周期性、准周期性或随机性的波动，造成电弧电流长时间不规则的波动。常规的调节系统无法有效地减少这种波动，在某些情况下反倒有可能加剧电弧电流的波动，因此产生持续性的电压波动与闪变问题。还原期的特点是电弧较短，燃弧较稳定，输入电弧炉的功率较稳定，但电网的谐波问题仍比较明显。 

大型电弧炉已成为电力系统中的一类重要负荷，一方面是由于其对供电可靠性要求较高(我国规定为二类负荷)，另一方面，由于单台电弧炉的容量不断增大，目前不断出现的超高功率电弧炉最大功率已超过100MW，接近一座小城市的用电量，电弧炉的不良影响也随之越来越明显。 

其主要表现在以下几个方面： 

1.产生大量的谐波电流、使电网的谐波电压产生畸变 

电弧电流是不规则的，且急剧变化，其电流波形可分解为2次和2次以上的各次谐波电流，主要为2-7次，其中2次和3次最大，其平均值可达基波分量的5%-10%，最大可达15%-30%；4-7次平均值为2%-6%，最大值可达6%-15%，而电网中的铁磁元件也产生高次谐波，以3次和5次谐波电流较大，其中3次分量最大，而电炉刚好也是3次谐波电流很大，这对电网是极为不利的。谐波电流流入电网，使其电压波形发生畸变，引起电气设备发热、振动，增加损耗，干扰通信，使电力电缆局部放电绝缘损坏，电容器过载损坏等。 

2.引起电网电压急剧波动