高阻抗電弧爐的供電電路

摘要：高阻抗電弧爐的供電電路具有以下特征：即電弧連續(xù)燃燒特性、高阻抗特性以及較高的變壓器二次電壓介紹了帶有飽和電抗器和固定電抗器的高阻抗電弧爐。
關(guān)鍵詞：高阻抗電弧爐；飽和電抗器；電壓閃變

0 引言
高阻抗電弧爐是一種高效率的新型煉鋼爐，它具有一系列突出的優(yōu)點(diǎn)：能大幅度地降低電能和電極消耗、能顯著地減少對(duì)供電電網(wǎng)的短路沖擊和諧波污染。

高阻抗電弧爐吸取了近25年來(lái)出現(xiàn)的所有電弧爐煉鋼新技術(shù)，再加上泡沫渣的成功應(yīng)用，使得一直發(fā)展緩慢的交流電弧爐在電弧穩(wěn)定性、效率和對(duì)電網(wǎng)短路沖擊減少方面均可同直流電弧爐相媲美。

本文介紹了帶飽和電抗器和固定電抗器的高阻抗電弧爐。前者具有高超的伏安特性，使短路電流很小，基本上達(dá)到了恒電流電弧爐特性。

1 高阻抗電弧爐的供電電源
1．1 對(duì)供電可靠性的要求
電弧爐屬于熱加工設(shè)備，如果中途停電，會(huì)造成很大的損失：使電耗和原材料增加，使產(chǎn)品質(zhì)量下降，甚至造成整爐鋼水報(bào)廢，爐子越大損失越大。根據(jù)有關(guān)規(guī)范規(guī)定，電弧爐屬于二級(jí)負(fù)荷。

對(duì)于爐子容量在50t及以上的電弧爐通常由兩路獨(dú)立高壓電源供電，爐容較小的可由一路高壓電源供電。

1．2 公共供電點(diǎn)的確定
電弧爐的公共供電點(diǎn)系指其與電力系統(tǒng)相連接的供電點(diǎn)，并接有其他用戶負(fù)荷。對(duì)公共供電點(diǎn)的要求主要考慮以下因素：
1)供電變壓器容量要能適應(yīng)電弧爐負(fù)荷特性的要求；
2)由電弧爐負(fù)荷引起的公共供電點(diǎn)的電壓波動(dòng)和電壓閃變值、以及諧波電流值不得超過(guò)國(guó)標(biāo)GBl4549-93中的允許值；
3)由電弧爐負(fù)荷引起的公共供電點(diǎn)的電壓不對(duì)稱度不得超過(guò)2％。

電弧爐的公共供電點(diǎn)有兩種情況，其一是電弧爐系統(tǒng)直接與電力系統(tǒng)相連接；其二是電弧爐系統(tǒng)通過(guò)企業(yè)總變電所與電力系統(tǒng)相連接。電弧爐一般不由車間變電所供電。

當(dāng)電弧爐由企業(yè)總變電所母線供電時(shí)，為了防止對(duì)其他負(fù)荷供電質(zhì)量產(chǎn)生不良影響，一般要求供電變壓器的容量為電爐變壓器容量的2．5倍以上。當(dāng)不能滿足此要求時(shí)，或增大供電變壓器容量；或采用專用中間變壓器供電，這需要經(jīng)過(guò)技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較來(lái)確定。

當(dāng)采用專用中間變壓器供電時(shí)，該變壓器容量的選擇，應(yīng)與電爐變壓器經(jīng)常過(guò)負(fù)荷運(yùn)行狀態(tài)相適應(yīng)。此時(shí)，供電變壓器二次側(cè)的電壓波動(dòng)可不受限制；當(dāng)供電變壓器二次側(cè)裝有無(wú)功功率動(dòng)態(tài)補(bǔ)償裝置時(shí)，該變壓器容量應(yīng)按補(bǔ)償后的負(fù)荷情況選擇。

2 高阻抗電弧爐的主電路
高阻抗電弧爐主電路與傳統(tǒng)電弧爐主電路的主要區(qū)別在于前者的主電路中串聯(lián)一臺(tái)很大的電抗器。它使電弧連續(xù)穩(wěn)定地燃燒、電弧電流減小、電弧電壓提高、電弧功率加大、電效率提高、諧波發(fā)生量及對(duì)供電電網(wǎng)的沖擊減小。

由于高阻抗電弧爐的工作電流小，所以其二次載流導(dǎo)體、短網(wǎng)的截面積小，這也是高阻抗電弧爐的優(yōu)越性。

電抗器分為固定電抗器和飽和電抗器兩種。前者的缺點(diǎn)是不能自動(dòng)調(diào)節(jié)電抗值。當(dāng)工藝改變，需要改變電抗時(shí)，要提起電極、斷電，然后才能改變電抗；而飽和電抗器則能根據(jù)爐況，自動(dòng)地改變電抗值，基本上達(dá)到了恒電流電弧爐操作。

下面對(duì)帶有不同電抗器的高阻抗電弧爐分別進(jìn)行討論。

2.l 帶固定電抗器的高阻抗電弧爐
在高阻抗電弧爐中，采用高電壓、低電流、長(zhǎng)電弧作業(yè)時(shí)，選擇合適的功率因數(shù)，并有合適的系統(tǒng)電抗以達(dá)到穩(wěn)定操作是至關(guān)重要的。在大多數(shù)情況下，必須采用電抗器與電爐變壓器串聯(lián)。帶有固定電抗器的高阻抗電弧爐主電路圖如圖l所示。

這種高阻抗電弧爐的設(shè)計(jì)特點(diǎn)如下：
1)因電抗器電感的儲(chǔ)能效應(yīng)和高起弧電壓的動(dòng)態(tài)特性所獲得的穩(wěn)定起弧條件，導(dǎo)致高集成功率輸入；
2)短路電流小，當(dāng)廢鋼塌陷時(shí)，電極、電極臂和電纜上的電流小，因此，電極損壞的危險(xiǎn)性小，機(jī)械磨損也少；
3)電極電流波動(dòng)小，因而對(duì)電網(wǎng)的干擾也??；
4)電抗器線圈常常作成抽頭式，以便根據(jù)不同工藝需要改變電抗值；
5)當(dāng)電抗器串聯(lián)連接于電路中時(shí)，電抗器的感抗相對(duì)值可按式(1)計(jì)算，XK％=100*(QK/Se)％ （1）
式中：QK為電抗器的額定容量，Kvar；
Se為電弧爐變壓器額定容量，KVA。
6)串聯(lián)電抗器和變壓器一樣，都是在重負(fù)荷情況下運(yùn)行，因此，對(duì)其熱穩(wěn)定性和機(jī)械強(qiáng)度要求較高；
7)對(duì)現(xiàn)有電弧爐變壓器及短網(wǎng)系統(tǒng)稍加改進(jìn)，即可實(shí)現(xiàn)高阻抗化。
折合到變壓器二次側(cè)的系統(tǒng)總電抗對(duì)電弧爐操作過(guò)程的影響可以用下列關(guān)系式表示(這里假設(shè)有強(qiáng)有力的三相平衡供電電網(wǎng))：

式中：U為變壓器二次電壓；

Uarc為電弧電壓；

I為電極電流；

X為折合到變壓器二次側(cè)的系統(tǒng)總電抗；

R為折合到變壓器二次側(cè)的系統(tǒng)總電阻；

P為有功功率；

φ為相位角。

由式(5)町明顯看出：對(duì)于同樣的功率和功率因數(shù)，提高電抗就可以降低電極電流。

為了說(shuō)明不同的系統(tǒng)總電抗對(duì)電弧爐操作的影響，表1給出了丹涅利公司3臺(tái)同樣容量(90MVA)、不同電抗器的電弧爐的運(yùn)行實(shí)例。

實(shí)例A為典型的傳統(tǒng)電弧爐設(shè)汁，而實(shí)例B則是設(shè)計(jì)成較高的電抗和低電流操作，電弧功率與實(shí)例A相同，其電極電流只有50kA，實(shí)例A為65kA。實(shí)例C則是完全按照高阻抗電弧爐設(shè)計(jì)的，其二次電壓高達(dá)1100V，系統(tǒng)運(yùn)行總電抗為8．2mΩ，電極電流為50kA，損失功率很小，只有2．．3MW，電效率非常高。短路電流小，只有93kA，短路電流倍數(shù)僅為1．86倍。其優(yōu)點(diǎn)是對(duì)電網(wǎng)的沖擊減小，使電弧更加穩(wěn)定。

這3臺(tái)爐子的負(fù)荷特性(有功功率、功率因數(shù)、電弧功率)分別如圖2和圖3所示。

2．2 帶飽和電抗器的高阻抗電弧爐
飽和電抗器是一種在同時(shí)有恒定磁場(chǎng)與交變磁場(chǎng)作用下工作的電抗器。飽和電抗器的電抗因其恒定磁場(chǎng)的改變而發(fā)生變化的這一特性被廣泛地應(yīng)用于各種電力調(diào)整設(shè)備中。利用飽和電抗器的下墜特性來(lái)限制短路電流，在真空電弧爐上曾經(jīng)有成功的應(yīng)用范例，為了這個(gè)目的而使用的電抗器有時(shí)被稱為電流補(bǔ)償電抗器。

當(dāng)高阻抗電弧爐正常工作時(shí)，主電路中的電流為額定值，此時(shí)飽和電抗器受到最大的磁化作用，它在特性曲線上的工作點(diǎn)如圖4中的a點(diǎn)所示，飽和電抗器的電壓降較小。當(dāng)爐子一旦發(fā)生工作短路時(shí)，流經(jīng)電抗器的交流電流增加了，而直流電流卻保持不變，這時(shí)的工作點(diǎn)移到同一曲線上的}1點(diǎn)，由圖4可看出，這時(shí)飽和電抗器的電壓降很大，從而限制了短路電流。即飽和電抗器的磁化作用自動(dòng)地隨著主電路所要求的電壓而改變。

帶有飽和電抗器的高阻抗電弧爐主電路如圖5所示。飽和電抗器是利用鐵磁材料的非線性磁化曲線進(jìn)行工作的。每相飽和電抗器可被視為具有兩個(gè)繞組的單相變壓器，其中NL線匝與負(fù)荷(電爐變壓器)串聯(lián)稱作負(fù)荷繞組；另一個(gè)NC線匝與NL電氣隔離，并通以直流電流(IDC)稱作控制繞組。

飽和電抗器通過(guò)控制繞組的安匝數(shù)，調(diào)節(jié)鐵芯的飽和度，只要負(fù)荷繞組的安匝數(shù)比控制繞組的低(相當(dāng)于圖4中的a點(diǎn))，則負(fù)荷繞組產(chǎn)生的電壓降很低，甚至可忽略不計(jì)。如果負(fù)荷電流ILMAX≥IDC*NC／NL，鐵芯將會(huì)減小飽和度，而負(fù)荷電流的任何增量將產(chǎn)生大的磁通量變化，結(jié)果在負(fù)荷繞組中產(chǎn)生較大的電壓降(相當(dāng)于圖4中的b點(diǎn))。這就是產(chǎn)生下墜式伏安特性的理論依據(jù)。

通過(guò)改變控制電流IDC，就可能在由O至最大允許電流的范圍內(nèi)控制負(fù)荷電流。當(dāng)負(fù)荷電流趨向于超過(guò)ILMAX時(shí)，飽和電抗器將產(chǎn)生較大的電壓降，將電流限制在ILMAX值之內(nèi)。通過(guò)選擇控制電流，飽和電抗器即能以全電流控制模式或作為峰值限流器進(jìn)行工作。

2．3 應(yīng)用實(shí)例
意大利Ferriere Nord鋼廠的80t DANARC交流電弧爐是采用飽和電抗器控制的高阻抗電弧爐。該電弧爐的主要數(shù)據(jù)如下：
爐殼直徑 5300mm；
電極直徑 600mm；
電極圓直徑 1150mm；
電爐變壓器 55MVA+20％；
最大有功功率 43MW；
最大次級(jí)電壓 985V；
飽和電抗器容量 76MVA；
飽和電抗器勵(lì)磁系統(tǒng) 0．4MVA。

3 電抗器的過(guò)電壓保護(hù)措施
真空斷路器的操作過(guò)電壓是由于電路中存在著電感、電容等儲(chǔ)能元件，在開關(guān)操作瞬間放出能量，在電路中產(chǎn)生電磁振蕩而出現(xiàn)的過(guò)電壓。在電感性負(fù)載電路中，真空斷路器的分?jǐn)嗖僮鲿?huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的高頻振蕩波形。曾測(cè)到過(guò)的最高值約為電源峰值的4．5倍。高阻抗電弧爐變壓器原方串聯(lián)一個(gè)很大的電抗器，其電感值非常大，因而產(chǎn)生的分?jǐn)噙^(guò)電壓非常高，已運(yùn)行的高阻抗電弧爐現(xiàn)場(chǎng)也確實(shí)證明了這一點(diǎn)，因此，必須采取特別有效的過(guò)電壓保護(hù)措施。

常用的過(guò)電壓保護(hù)措施有阻容保護(hù)和避雷器保護(hù)。前者也有幾種不同方案，但效果最好的方案如圖7所示。

這種雙路式RC過(guò)電壓保護(hù)器的運(yùn)行結(jié)果表明能夠消除分?jǐn)噙^(guò)電壓振蕩，R1C1主要保護(hù)相間過(guò)電壓，R2C2主要保護(hù)對(duì)地過(guò)電壓。對(duì)于用來(lái)吸收相間電路存儲(chǔ)能量的R1C1值應(yīng)選用O．1μF的電容器比較合適。根據(jù)《電機(jī)工程手冊(cè)》第三篇高壓開關(guān)設(shè)備所述，對(duì)于頻繁進(jìn)行投切操作的電弧爐變壓器的真空斷路器，過(guò)電壓保護(hù)裝置R1C1選C1=O.l～O．2uF，R1=100Ω。

組合式RC裝置中的C2的接入是為了消除相對(duì)地的過(guò)電壓，同時(shí)又能解決常規(guī)三組RC吸收裝置中對(duì)地電流過(guò)大而燒毀電阻R1的缺陷。西安高壓電器研究所與錦州電力電容器廠合作研制的組合式RC過(guò)電壓保護(hù)器，已通過(guò)鑒定并批量生產(chǎn)，幾年來(lái)凡使用陔裝置的電路從未發(fā)生過(guò)過(guò)電壓事故。

關(guān)于第二種方案，用氧化鋅避雷器截止操作過(guò)電壓也有不同方案，效果最好的是三相組合式氧化鋅避雷器，如圖8所示。

它能夠抑制分?jǐn)嗾婵諗嗦菲鲿r(shí)引起的相間和相對(duì)地操作過(guò)電壓，達(dá)到保護(hù)變壓器和防止真空斷路器相間和相對(duì)地閃絡(luò)的目的，三相組合式金屬氧化物避雷器能實(shí)現(xiàn)相問(wèn)和相對(duì)地同時(shí)保護(hù)，因而一臺(tái)三相組合式避雷器可代替4臺(tái)普通型避雷器。對(duì)35kV電壓，可選用Y0.1W~41／12741／140型。

用真空斷路器切斷電爐變壓器，通常都是在無(wú)載情況下進(jìn)行操作(保護(hù)裝置動(dòng)作除外)。經(jīng)驗(yàn)證明，真空斷路器切斷空載變壓器時(shí)，產(chǎn)生的過(guò)電壓最高，必須采取加強(qiáng)型的過(guò)電壓抑制措施。因此對(duì)于高阻抗電弧爐設(shè)備來(lái)說(shuō)，采用阻容吸收器(RC)和避雷器雙重保護(hù)措施是需要的。其工作原理是用電容器減緩過(guò)電壓波頭，用避雷器限制過(guò)電壓峰值。因?yàn)楹笳呤怯煞烹婇g隙和氧化鋅非線性壓敏電阻串聯(lián)而成的。在產(chǎn)生過(guò)電壓時(shí)，放電間隙被擊穿，過(guò)電壓加在氧化鋅非線性電阻上，其阻值迅速減小，流過(guò)的電流迅速增大，這樣就限制了過(guò)電壓。

真空斷路器與電抗器之間連線類型和長(zhǎng)度與過(guò)電壓值也有關(guān)系。如果真空斷路器和電抗器之間用電纜連接，由于電纜本身的電感及較大的分布電容，則連接電纜長(zhǎng)度與電抗器承受的過(guò)電壓有直接函數(shù)關(guān)系――連接電纜長(zhǎng)度與過(guò)電壓倍數(shù)成反比例關(guān)系，即連接電纜越長(zhǎng)，電抗器承受的過(guò)電壓倍數(shù)越低。當(dāng)連接電纜長(zhǎng)度小于6m時(shí)，在電抗器的原方必須重復(fù)加裝RC吸收器和氧化鋅避雷器。

4 結(jié)語(yǔ)
高阻抗電弧爐的基本原理是依靠提高變壓器二次電壓來(lái)增加電弧功率、依靠串聯(lián)電抗器來(lái)穩(wěn)定電弧和限制短路電流、依靠提高電效率來(lái)降低電耗和提高生產(chǎn)率。

帶有飽和電抗器的高阻抗電弧爐能自動(dòng)調(diào)節(jié)電抗值，能基本上作到理想的恒電流電弧爐。

在設(shè)計(jì)高阻抗電弧爐供電電路時(shí)，由于串聯(lián)電抗器的電感值比較大，導(dǎo)致真空斷路器分?jǐn)噙^(guò)電壓大幅度提高，因此，必須采取強(qiáng)有力的過(guò)電壓保護(hù)措施。即應(yīng)采取組合式氧化鋅避雷器和四極式阻容吸收器的雙重保護(hù)措施。

高阻抗電弧爐中的電抗器必須安裝在變壓器室內(nèi)，而且娶緊靠變壓器安裝。