一種采用電弧電感修正系數(shù)的電弧電流估算方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種采用電弧電感修正系數(shù)的電弧電流估算方法，屬于電弧爐負荷分 析領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 當前，煉鋼電弧爐已經(jīng)廣泛地應(yīng)用在冶金行業(yè)，成為鋼鐵生產(chǎn)的主要設(shè)備。但在煉 鋼過程中，由于電弧爐的一些固有特點，如電弧阻抗的非線性、冶煉過程中電極同爐料的接 觸性短路、爐料的崩塌、鋼液面的劇烈波動等，使得電弧爐的負荷電流發(fā)生隨機變化。負荷 電流的隨機變化帶來了無功功率的沖擊，也給供電網(wǎng)絡(luò)帶來了較為嚴重的諧波、電壓波動 和閃變等電能質(zhì)量問題，因此在接入電網(wǎng)前需要對電弧爐進行建模，預(yù)測可能引發(fā)的電能 污染，以便及時有效地治理。然而已報道的大部分電弧爐模型把電弧作為純電阻考慮，將電 弧的非線性單一地歸結(jié)于電弧電阻的變化，忽略了電弧的電感特性，造成電弧電流等理論 計算數(shù)據(jù)與實際值偏差較大，不利于模型的精確性和有效性。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 鑒于此，本發(fā)明提出一種采用電弧電感修正系數(shù)的電弧電流估算方法，主要解決 在沒有實測條件下，如何通過電弧爐的電氣設(shè)備參數(shù)估算電弧電流，以便應(yīng)用于相關(guān)的模 型建立以及工程預(yù)估中。
[0004] 本發(fā)明采用的技術(shù)方法如下：
[0005] -種采用電弧電感修正系數(shù)的電弧電流估算方法，包括如下步驟：
[0006] (1)將電弧阻抗分解為電感和電阻，引入電弧電感修正系數(shù)：
[0007]
[0008] 式中：h是電弧電感修正系數(shù)；Lt是電弧爐用變壓器內(nèi)部電感；Ld是短網(wǎng)電感；L ara 是電弧電感；ω是供電頻率；
[0009] (2)確定電弧電感修正系數(shù)的取值范圍：
[0010] h的取值范圍是[0. 3571，1]，當電極接地短路時電弧熄滅，h取最大值1 ;當斷弧 時，h達到最小值0. 3571 ;在電弧爐運行的不同時期，根據(jù)冶煉時所需的電流大小不同，對h 的值進行適當?shù)剡x取，使得估算結(jié)果更符合實際工況；
[0011] ⑶結(jié)合電路原理，通過步驟⑴中的電弧電感修正系數(shù)，利用以下公式估算出電 弧電流：
[0012]
[0013] 式中：IRMS是電弧電流有效值；Uprms是電弧爐用變壓器檔位電壓對應(yīng)的相電壓有效 值；0是電弧爐用變壓器檔位電壓對應(yīng)的功率因數(shù)角。
[0014] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明方法的優(yōu)勢在于：一是充分考慮了電弧電感特性，有利于 建模；二是在目前技術(shù)上很難測得電弧電感的前提下，引入電弧電感修正系數(shù)，使求解出的 電弧電流更貼合實際。
【附圖說明】
[0015] 以下結(jié)合附圖對本發(fā)明方法做詳細說明：
[0016] 圖1為本發(fā)明提供的一種采用電弧電感修正系數(shù)的電弧電流估算方法流程圖；
[0017] 圖2為本發(fā)明提供的電弧爐三相交流電氣系統(tǒng)示意圖；
[0018] 圖3為本發(fā)明提供的電弧爐單相等效電路圖；
[0019] 圖4為本發(fā)明提供的電弧阻抗向量圖；
[0020] 圖5為本發(fā)明提供的電弧電流曲線。
【具體實施方式】
[0021] 本實施例提供了一種采用電弧電感修正系數(shù)的電弧電流估算方法，基于該方法建 立一種改進的交流電弧爐時域微分模型，進一步以某鋼廠40噸電弧爐作實施例進行仿真， 說明如下：
[0022] 如圖2所示，鋼廠主變壓器將110 kV的高壓電網(wǎng)電壓變?yōu)?5 kV，低壓側(cè)電抗為 0. 256 Ω，通過爐用變壓器將電壓降到420 V，短網(wǎng)電阻為0.4 ι?Ω，短網(wǎng)電抗為2.496 ι?Ω， 鋼廠主變壓器的額定容量為63 MVA，爐用變壓器的額定容量為22 MVA，內(nèi)部電阻為0.069 πιΩ，內(nèi)部電感為〇. 0022 mH，電弧爐的功率因數(shù)為0. 73。
[0023] 根據(jù)能量守恒定律以及氣體分子運動論推導出的交流電弧時域微分模型為：
[0024]
[0025] 式中：y是電弧導納；
[0026] L是電弧弧長；
[0027] i是電弧電流；
[0028] ki、k2、λ分別是供電調(diào)節(jié)因子、爐溫影響因子和伏安關(guān)系調(diào)節(jié)因子，三者均為與實 際電弧爐參數(shù)相關(guān)的特性參數(shù)，λ的取值范圍為[-4,-1]，本實施例中取值為-1.86;
[0029] Ic1的推導過程表示如下，由圖3和圖4計算得到：
[0030]
[0031] 式中：Irms是電弧電流有效值；
[0032] Uprms是爐用變壓器檔位電壓對應(yīng)的相電壓有效值；
[0033] F是對應(yīng)的功率因數(shù)角；
[0034] Lt是爐用變壓器內(nèi)部電感；
[0035] Ld是短網(wǎng)電感；
[0036] Larc是電弧電感；
[0037] ω是供電頻率；
[0038] 引入電弧電感修正系數(shù)h，將公式（2)改為
[0039]
[0040]
[0041] 式中：h是電弧電感修正系數(shù)。在實際冶煉中，電弧爐的運行電抗與短路電抗的比 值范圍一般在1 一2. 8之間，因此h的取值范圍是[0. 3571，1]。當電極接地短路時電弧熄 滅，h取最大值1 ;當斷弧時，h達到最小值0. 3571。在電弧爐運行的不同時期，根據(jù)冶煉時 所需的電流大小不同，對h的值進行適當?shù)剡x取，使得估算結(jié)果更符合實際工況，本實施例 中對電弧爐熔化期的特性進行仿真，故h取值為0. 645 8 ;
[0042] 電弧電壓有效值表示為：
[0043]
[0044] 式中：Uarfftis表不電弧電壓有效值；α是電弧陰極和陽極電壓降，一般取值為40 V ; β。表示弧柱梯度，取值為10 V/cm。
[0045] 根據(jù)圖3所示計算得到：
[0046]
[0047] 式中：rt是爐用變壓器內(nèi)部電阻；
[0048] rd是短網(wǎng)電阻；
[0049] 結(jié)合上述公式（3)、（5)和（6)得到此時的電弧弧長為：
[0050]
[0051] 電弧阻抗有效值表示為：
[0052]
[0053] 式中：Zarc是電弧阻抗有效值；
[0054] 根據(jù)功率的恒等關(guān)系，可得：
[0060] 式中：m是常數(shù)，取值為L 6014X IO4 K ;
[0055]
[0056]
[0057]
[0058]
[0059]
[0061] p是氣體壓力，取值為I W· s · cm3;
[0062] T1是電弧爐爐溫，取值為1150 K ;
[0063] J。為電流密度，一般取經(jīng)驗值，經(jīng)過辨識J。取值為164. 34A/cm2;
[0064] 下面對本發(fā)明的參數(shù)計算過程做簡要概述。
[0065] S1、由功率因數(shù)爐用變壓器內(nèi)部電感Lt、爐用變壓器內(nèi)部電阻^、短網(wǎng)電感 Lap短網(wǎng)電阻rd和電弧電感修正系數(shù)h，結(jié)合公式（8)，計算出電弧阻抗Z
[0066] S2、將爐用變壓器檔位電壓對應(yīng)的相電壓有效值Uprms、功率因數(shù)爐用變壓器 內(nèi)部電感Lt、爐用變壓器內(nèi)部電阻r t、短網(wǎng)電感LdM、短網(wǎng)電阻rd、電弧電感修正系數(shù)h、電弧 陰極和陽極電壓降α和弧柱梯度β。代入公式（7)，得到電弧弧長L。
[0067] S3、利用爐用變壓器檔位電壓對應(yīng)的相電壓有效值Uprms、功率因數(shù)CGS17K爐用變壓 器內(nèi)部電感L t、短網(wǎng)電感Ldl、電弧電感修正系數(shù)h、伏安關(guān)系調(diào)節(jié)因子λ和步驟S1、S2求出 的Z_、L代入公式（10)，求得供電調(diào)節(jié)因子4。
[0068] S4、根據(jù)公式（3)，將爐用變壓器檔位電壓對應(yīng)的相電壓有效值Uprms、功率因數(shù) 爐用變壓器內(nèi)部電感 Lt、短網(wǎng)電感LdM和電弧電感修正系數(shù)h代入計算出電弧電流 Irmso
[0069] S5、將πκρ、！^ J。和步驟S4求得的Irms代入公式（11)，求得爐溫影響因子k2。
[0070] 通過理論計算得到的電弧電流有效值為33589 A，仿真得到的電弧電流曲線如圖5 所示，兩者是基本吻合的。
[0071] 從上述【具體實施方式】中可以看出，本發(fā)明具有以下優(yōu)點：
[0072] 1.充分考慮了電弧電感特性，使模型更符合電弧爐的實際工況，在無需進行實 際測量的前提下，可以簡單、準確地求取電弧電流，進而求取電弧阻抗，從而改善了模型參 數(shù)的工程估算方法，使得該模型更具有合理性和擴展性，便于對不同的電弧爐進行理論研 究；
[0073] 2.在實際的工程應(yīng)用中，電弧爐的電流沖擊較為明顯，通過該模型仿真可以提前 準確地預(yù)知電弧電流的變化范圍以及電能質(zhì)量超標問題，在電弧爐接入電網(wǎng)前就進行治 理，有效地節(jié)省了成本，保護了電網(wǎng)環(huán)境。
[0074] 本發(fā)明未述部分與現(xiàn)有技術(shù)相同。
【主權(quán)項】
1. 一種采用電弧電感修正系數(shù)的電弧電流估算方法，其特征在于，該方法包括如下步 驟： (1) 將電弧阻抗分解為電感和電阻，引入電弧電感修正系數(shù)：式中：h是電弧電感修正系數(shù)；Lt是電弧爐用變壓器內(nèi)部電感；Ld是短網(wǎng)電感；Lara是電 弧電感；ω是供電頻率； (2) 確定電弧電感修正系數(shù)的取值范圍： h的取值范圍是[0. 3571，1]，當電極接地短路時電弧熄滅，h取最大值1 ;當斷弧時，h 達到最小值〇. 3571 ;在電弧爐運行的不同時期，根據(jù)冶煉時所需的電流大小不同，對h的值 進行適當?shù)剡x取，使得估算結(jié)果更符合實際工況； ⑶結(jié)合電路原理，通過步驟⑴中的電弧電感修正系數(shù)，利用以下公式估算出電弧電 流：式中：IRMS是電弧電流有效值；Uprms是電弧爐用變壓器檔位電壓對應(yīng)的相電壓有效值； P是電弧爐用變壓器檔位電壓對應(yīng)的功率因數(shù)角。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種采用電弧電感修正系數(shù)的電弧電流估算方法，主要解決在沒有實測條件下，如何通過電弧爐的電氣設(shè)備參數(shù)估算電弧電流，以便應(yīng)用于相關(guān)的模型建立以及工程預(yù)估中。首先將電弧阻抗分解為電感和電阻，引入電弧電感修正系數(shù)；然后利用電弧爐的運行電抗與短路電抗在不同工況下的比值，確定電弧電感修正系數(shù)的取值范圍；最終在電路理論的基礎(chǔ)上推導出電弧電流新的求法。本發(fā)明方法的優(yōu)勢在于：一是充分考慮了電弧電感特性，有利于建模；二是在目前技術(shù)上很難測得電弧電感的前提下，引入電弧電感修正系數(shù)，使求解出的電弧電流更貼合實際。
【IPC分類】G01R31/00, G01R19/00
【公開號】CN105158540
【申請?zhí)枴緾N201510490634
【發(fā)明人】張海龍, 廖延濤, 寧玉寶, 王恩榮, 顏偉
【申請人】南京師范大學
【公開日】2015年12月16日
【申請日】2015年8月11日