1. 概述

　　電弧爐的大型化和超高功率化促進(jìn)了直流電弧爐和高阻抗交流電弧爐的發(fā)展，隨著大容量整流器和底電極等技術(shù)難題的突破，使直流電弧爐得以進(jìn)入工業(yè)化投產(chǎn)階段。超高功率直流電弧爐冶煉工藝與超高功率交流電爐類似，而直流電弧爐具有電弧穩(wěn)定，噪音小、電極消耗低等諸多優(yōu)點(diǎn)，在工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家獲得迅猛的發(fā)展，尤其是大容量(70～150t)超高功率直流電爐[1]。

　　與交流電弧爐相比而言，直流爐在電源系統(tǒng)及爐底電極的維護(hù)方面較為麻煩，但在降低電網(wǎng)污染及電極消耗等方面仍較交流爐優(yōu)越[2]，采用先進(jìn)的整流器供電系統(tǒng)及控制技術(shù)后，非常適合在弱電網(wǎng)的情況下運(yùn)行[3]，有時(shí)可以不安裝TCR等動(dòng)態(tài)補(bǔ)償裝置。直流電弧爐通過(guò)控制電弧電流和無(wú)功功率，可明顯減少電網(wǎng)電壓波動(dòng)和閃變；由三相交流電源分擔(dān)負(fù)載，基本消除了負(fù)序?qū)﹄娋W(wǎng)三相不平衡的影響。直流爐的低次諧波電流遠(yuǎn)比交流爐小，但高次諧波電流則比交流爐高，一般均裝設(shè)無(wú)源濾波器治理諧波，但由于電弧電流的快速波動(dòng)性，使用不同測(cè)試方法和儀器的測(cè)試結(jié)果差異較大，可能影響治理方案的制定、治理效果的評(píng)價(jià)。本文通過(guò)對(duì)某臺(tái)70t超高功率直流電弧爐用不同測(cè)量?jī)x器實(shí)測(cè)諧波數(shù)據(jù)的對(duì)比，分析產(chǎn)生差異的原因。

　　2. 測(cè)試及數(shù)據(jù)處理的基本方法

　　70噸直流電弧爐供電系統(tǒng)主接線如圖1所示，供電主變壓器容量為70MVA。分別采用ACE2000、TOPAS1000、PS-2三種電能質(zhì)量分析儀進(jìn)行了測(cè)試，儀器輸入信號(hào)取自220kV母線PT二次側(cè)相電壓和總進(jìn)線CT二次側(cè)電流。

　　測(cè)試按照諧波國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求，選擇在電網(wǎng)正常供電時(shí)可能出現(xiàn)的*小運(yùn)行方式，在電爐熔化期進(jìn)行；測(cè)量的諧波次數(shù)為第2到第19次；測(cè)量間隔時(shí)間小于2min，記錄數(shù)據(jù)遠(yuǎn)大于30組，測(cè)量結(jié)果取測(cè)量時(shí)段內(nèi)各相實(shí)際測(cè)量值的95%概率大值中*大的一相值，即將實(shí)測(cè)值由大到小次序排列，舍棄前面5%的大值，取剩余實(shí)測(cè)值中的*大值。為了區(qū)別暫態(tài)現(xiàn)象和諧波，每次測(cè)量結(jié)果為3s內(nèi)所測(cè)值的平均值，采用下式計(jì)算：

　                                                               　(1)

　　式中：Uhk—3s內(nèi)第k次測(cè)得的h次諧波的方均根值；

　　m —3s內(nèi)所取均勻間隔的測(cè)量次數(shù)，m≥6。

　　濾波器投入后，除了濾除電弧爐和精煉爐運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的諧波電流外，還會(huì)吸收電網(wǎng)的背景諧波，從220kV側(cè)測(cè)得的諧波是電爐諧波電流經(jīng)濾波器濾波后的所剩下的分量與濾波器從電網(wǎng)吸收的諧波電流的總和，因此應(yīng)對(duì)*終的測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行了背景諧波扣除。根據(jù)諧波國(guó)標(biāo)中的公式C6還可以采用式(2)進(jìn)行計(jì)算：

　　                                                                (2)

　　式中：α—相位疊加系數(shù)，按表1取值。

　　表1 各次諧波Kh系數(shù)和α系數(shù)

　　3. 主要測(cè)試結(jié)果

　　3.1. ACE2000的測(cè)量結(jié)果

　　該測(cè)試儀可以設(shè)置“采樣窗口”長(zhǎng)度，測(cè)試時(shí)設(shè)置為320ms。總測(cè)試時(shí)間達(dá)25個(gè)小時(shí)，在此期間電弧爐煉鋼大約25爐，共采集40000多組數(shù)據(jù)。按照規(guī)定方法統(tǒng)計(jì)出諧波電壓、諧波電流結(jié)果分別如表2、表3所列，背景電壓總諧波畸變率為1.24%，電壓總諧波畸變率為1.5%；這里電弧爐諧波電流的相位角是隨機(jī)變化的，按式(2)進(jìn)行合成計(jì)算。

　　前4小時(shí)的有功功率變化曲線如圖2所示，220kV總進(jìn)線的5次諧波電流變化曲線如圖3所示，從有功負(fù)荷和5次諧波電流的劇烈變動(dòng)可以看出直流爐的快速變化特性。

　　圖2 電弧爐煉鋼時(shí)的功率變化曲線

　　圖3 220kV總進(jìn)線的5次諧波電流變化曲線

　　3.2. TOPAS1000的測(cè)量結(jié)果

　　該電能質(zhì)量分析儀測(cè)量采樣窗口為固定值320ms，每次結(jié)果為3s平均值?？偟闹C波電壓的測(cè)量，是連續(xù)測(cè)量6爐次，每爐次取前7min期間條件*差的打孔期，進(jìn)行數(shù)據(jù)采集處理，然后取6爐次的平均值，將各次諧波值選出*大的值，作為總諧波電壓的測(cè)量值。背景諧波電壓的測(cè)量，是在上面連續(xù)的6爐次中間的3個(gè)停止冶煉期進(jìn)行測(cè)量，將測(cè)出的值選出*大的值，作為每次諧波的背景值。所有的值均取的是95%的概率大值，按公式(2)進(jìn)行背景諧波扣除，*后，進(jìn)行計(jì)算導(dǎo)出爐子的實(shí)際諧波電壓值見(jiàn)表4。同諧波電壓導(dǎo)出方法一樣可以導(dǎo)出爐子注入電網(wǎng)的諧波電流值見(jiàn)表4。

　　圖4是濾波器全投入時(shí)，停止冶煉時(shí)測(cè)出的背景諧波3秒值的平均電流值；圖5是濾波器全投入時(shí)，5小時(shí)內(nèi)測(cè)出的3秒值的平均諧波電流值的情況。

　　圖4 背景諧波電流

圖5 總諧波電流

　　3.3. PS-2的測(cè)量結(jié)果

　　該電能質(zhì)量分析儀基于1個(gè)周期采樣后進(jìn)行傅立葉分解得出各次諧波含量，每次結(jié)果為3s平均值。測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表5。

　　4. 造成測(cè)量差異的原因分析

　　三臺(tái)儀器的諧波電流測(cè)量結(jié)果互有差異，其中前兩臺(tái)測(cè)試結(jié)果基本接近(起碼在一個(gè)數(shù)量級(jí)上)，基本滿足工程允許誤差范圍；而第三臺(tái)儀器的測(cè)試結(jié)果明顯偏大，并且相差數(shù)倍，尤其是低次、偶次諧波很大，如果用來(lái)評(píng)價(jià)工程治理效果，必然“超標(biāo)”；如果以此作為治理方案的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，必然增加工程投資。

　　究其根源，主要是在同樣工況下所使用的儀器不一樣，不同儀器在軟件、硬件處理方面不一樣，諧波國(guó)標(biāo)中關(guān)于諧波測(cè)量方法的規(guī)定較為簡(jiǎn)單，并未涉及各種不同負(fù)荷諧波的窗口選擇。

　　采用快速傅立葉變換(FFT)要求采集點(diǎn)數(shù)必須是整周波或整周波的倍數(shù)，當(dāng)儀器采集頻率與電網(wǎng)不同步、沒(méi)有進(jìn)行整周波采集時(shí)，會(huì)造成采集值的積分與實(shí)際整周波的積分值之間存在偏差，使測(cè)量結(jié)果偏離實(shí)際值[7]?？梢圆捎靡韵路椒▉?lái)滿足測(cè)量精度的要求：

　　(1)按IEC61000-4-7:1991標(biāo)準(zhǔn)選用矩形窗插值算法和漢寧窗插值算法進(jìn)行修正，該方法對(duì)低次諧波(11次以下)精度提高較明顯，對(duì)高次諧波精度提高不多；

　　(2)修正理想采樣頻率，該方法只能減少50%的泄漏；

　　(3)采用鎖相器(PLL)使信號(hào)頻率和采樣頻率同步，該方法實(shí)時(shí)性較好，同時(shí)可以解決頻譜泄漏問(wèn)題。

　　IEC61000-4-7:1991標(biāo)準(zhǔn)按變化性態(tài)將諧波分為三類：準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)(慢變化)、波動(dòng)、快速變化，并對(duì)測(cè)量用FFT的儀器取樣窗口寬度提出了基本要求(80～500ms不等)，而且對(duì)波動(dòng)諧波和快速變化的諧波要求連續(xù)測(cè)量(即窗口間沒(méi)有間隔)，而國(guó)標(biāo)中沒(méi)有這些規(guī)定。

　　文獻(xiàn)8對(duì)由于取樣窗口寬度造成儀器測(cè)量誤差的原因進(jìn)行了分析，主要是一些諧波分析儀器似乎約定俗成，窗寬均取工頻的1個(gè)周期，這樣的儀器在測(cè)量一般帶有次諧波分量的波動(dòng)性負(fù)荷諧波時(shí)會(huì)造成附加誤差，因?yàn)榇沃C波分量會(huì)造成工頻1個(gè)周期的波形上下偏移，也就是前半周和后半周的大小和形狀發(fā)生變化，分析結(jié)果中低次諧波，特別是偶次諧波(2次、4次)較大；而用寬窗口測(cè)得的諧波含量明顯減小。這是因?yàn)橛脤挻翱谌?，基波變?yōu)楦叽沃C波(例如400ms窗口相當(dāng)于20個(gè)工頻周期，則工頻為分析結(jié)果的20次諧波)，主要的次諧波成分(即1/20次以上)不可能影響基波或更高次諧波的分析結(jié)果。

　　實(shí)際上有些儀器是按照?qǐng)D6所示，累積一定的波形周期數(shù)量(叫做采樣窗口)，計(jì)算出一個(gè)平均周期并執(zhí)行諧波解析得出結(jié)果，這也是一種處理波動(dòng)量的方法。不過(guò)，應(yīng)該視不同負(fù)荷的變化性態(tài)采用合適的窗寬，因?yàn)椴蓸哟翱诘倪x擇并不是越長(zhǎng)越好，當(dāng)然相對(duì)寬的采樣窗口會(huì)有過(guò)濾的影響，以便平滑可能的暫態(tài)過(guò)程或波形中非標(biāo)準(zhǔn)的諧波。但這種方法不可能分析間諧波成分，且其計(jì)算誤差高，應(yīng)做進(jìn)一步探討。

　　儀器各通道的同步采樣十分重要，有的儀器默認(rèn)為儀器的通道，如果該通道不接入被試信號(hào)，儀器測(cè)試數(shù)據(jù)將不正確(甚至儀器根本就無(wú)法正常工作)；有的儀器會(huì)自動(dòng)識(shí)別尋找接入儀器的個(gè)有效被試信號(hào)并以此同步，當(dāng)輸入信號(hào)太弱時(shí)會(huì)影響測(cè)量準(zhǔn)確性或變得完全不可信；有的儀器則提供可選項(xiàng)，可選值可能有：(1)電壓通道L1，采樣速率可以從L1電壓輸入信號(hào)的鎖定相循環(huán)中得到，正常功率和諧波測(cè)量宜選此項(xiàng)；(2)電流通道L1，采樣速率可以從L1電流輸入信號(hào)的鎖定相循環(huán)中得到，選擇這個(gè)選項(xiàng)一般為了獲得非常**的電流測(cè)量，特別是諧波測(cè)量；(3)50Hz(或60Hz)計(jì)時(shí)器，只有當(dāng)L1電壓或電流信號(hào)不能正確使用時(shí)(不可靠或在PLL界線以下的低水平信號(hào))選用；(4)交流電力線路，采樣速率可以從交流電力線路頻率中得到，選擇這些選項(xiàng)只有當(dāng)L1電壓或電流信號(hào)不能正確使用(不可靠或在PLL界線以下的低水平信號(hào))并且被測(cè)線路頻率與電力線路相同時(shí)選用。

　　5. 結(jié)語(yǔ)

　　諧波測(cè)量是電網(wǎng)諧波控制和管理、治理效果評(píng)價(jià)的重要依據(jù)，各種不同變化性態(tài)諧波負(fù)荷的測(cè)量方法不完全相同，使用不同測(cè)試儀的測(cè)試結(jié)果差異很大，應(yīng)充分了解不同儀器的性能，針對(duì)不同負(fù)荷選用合適的儀器以保證測(cè)量的可靠性和準(zhǔn)確性。

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