減輕對(duì)電網(wǎng)沖擊的高阻抗電弧爐
1 引言
本文引用地址:http://www.ex-cimer.com/article/179405.htm自從電弧爐誕生那天起,人們便開始研究用什么辦法能獲得最大的電弧功率。眾所周知,電弧功率決定了它的生產(chǎn)率,而電弧功率又正比例于電壓和電極電流。在過去的許多年來,一直是依靠加大電極電流來提高電弧功率的。但是,由此產(chǎn)生的弊端是必須配置巨大截面的二次載流導(dǎo)體和開發(fā)價(jià)格昂貴的、特制的超大直徑硅電極來滿足傳輸大電流的要求。在這種冶煉操作模式中,由于采用短電弧冶煉,使得電極同爐料頻繁接觸,經(jīng)常產(chǎn)生短路,對(duì)供電電網(wǎng)的沖擊非常嚴(yán)重,造成電網(wǎng)電壓波動(dòng)和閃變,并產(chǎn)生大量高次諧波;另外它還導(dǎo)致電極折斷率非常高,經(jīng)常需要接電極,既影響了生產(chǎn),也增加了煉鋼成本。
短電弧操作的另一負(fù)面效應(yīng)是在電極穿井期間,運(yùn)行電抗非常高,導(dǎo)致平均功率降低,電弧功率減少,冶煉時(shí)間加長。
如果采用高電壓,低電流操作,可以減少電極消耗和電能消耗??墒遣捎酶唠妷海碗娏鞑僮?,由于主電路電抗值小,導(dǎo)致短路電流倍數(shù)過高,高壓開關(guān)頻繁跳閘,功率因數(shù)過高,電弧燃燒不穩(wěn)定。綜合上述,可得出一條重要結(jié)論:那就是如果將電弧爐主電路由低阻抗改造成高阻抗,即在主電路串聯(lián)一只電抗器,則上述弊端便可迎刃而解。也就是說:附加電抗能使電弧燃燒穩(wěn)定,電極電流減少,電壓波動(dòng)降低,諧波發(fā)生量減少,提高二次電壓,可使電弧功率加大,電效率提高,并依靠泡沫渣完全包圍覆蓋電弧,因而也提高了爐襯壽命。這種在電弧爐主電路串有大電抗器的,并有較高二次電壓的電弧爐被稱為高阻抗電弧爐。
2 高阻抗電弧爐的理論依據(jù)
自從附加電抗器的高阻抗電弧爐概念在十幾年前被首次提出以來,現(xiàn)已在電弧爐操作實(shí)踐中被煉鋼廠普遍接受,并已在國內(nèi)外迅速推廣,已收到了明顯的經(jīng)濟(jì)效益。因此,高電弧電壓,長電弧冶煉,低電極電流操作模式是已有的超高功率電弧爐進(jìn)一步發(fā)展和提高的必由之路。
提高變壓器二次電壓來增加電弧電壓和電弧長度,以及增加爐子總電抗來降低電極電流和提高電效率的優(yōu)越性,可用式(1)-(6)說明。
有功功率 P=Scosφ (1)
電極電流 Ie= (2)
電弧電壓 uarc=-Ier (3)
式中:Xop為運(yùn)行電抗;
S為視在功率;
r為短網(wǎng)到電極的阻抗;
uph為相電壓。
電弧長度 Larc=uarc-35 (4)
電弧功率 Parc=3Ieuarc (5)
電效率 η= (6)
由式(2)可以明顯地看出,在功率因數(shù)相同的情況下,加大電抗就可以降低電極電流。從式(3)可以看出,提高變壓器二次電壓和降低電極電流就可以顯著地提高電弧電壓。由式(5)可以看出,由于電弧電壓成倍地增高,所以,電弧功率大幅度增加。從式(6)可以清楚地看到,高阻抗電弧爐的突出特點(diǎn)是電弧電壓高,電極電流小,所以,其電效率非常高,通常大容量高阻抗電弧爐均能達(dá)到0.94~0.97。
較高的變壓器二次電壓和較大的電抗器的合理搭配是使功率因數(shù)保持在合適的范圍內(nèi)所必需的。但是,如果功率因數(shù)過高,則在爐料熔化期電弧就會(huì)不穩(wěn)定,因此,功率因數(shù)值是決定電弧穩(wěn)定性的先決條件。
功率因數(shù)過高,就是合成電抗太小,那么為什么在交流電弧爐主電路中串聯(lián)一只大電抗器后,就可使電弧電流連續(xù)不斷地流通,而不間斷,電弧則穩(wěn)定燃燒,在理論上如何解釋?下面回答這個(gè)問題。
對(duì)電弧物理現(xiàn)象的研究指出,只有在兩個(gè)電極之間施加足夠高的電壓時(shí),才有電弧產(chǎn)生。起弧后,在兩個(gè)電極之間施加50Hz頻率的交流電壓,在每半個(gè)周期中,只有當(dāng)電壓升高到某一值時(shí),才有電流通過。當(dāng)電壓再降至某一值時(shí),電弧熄滅,這就意味著50Hz的交流電弧在1s內(nèi)有100次起弧與熄弧。由于電弧的熱量是電弧電壓與電弧電流的乘積,在起弧延滯的時(shí)間中,電弧電流為零,所以電弧熱量也為零。這樣就使電弧時(shí)斷時(shí)續(xù),電流不連續(xù),如圖1所示。
圖1 交流電弧簡化波形圖(在無串聯(lián)電抗器情況下)
當(dāng)電路中串有足夠電抗時(shí),電流滯后電壓一個(gè)φ角。當(dāng)外施電壓為零時(shí),電弧電流借助于儲(chǔ)存在電抗中的能量繼續(xù)流通。當(dāng)電弧電流接近零時(shí),負(fù)半周的電壓已經(jīng)很高,已經(jīng)達(dá)到起弧電壓值(見圖2),使電弧點(diǎn)燃,即負(fù)半周電流及時(shí)接續(xù),不間斷。所以,只要在主電路中串有足夠的電抗值,就能使電弧連續(xù)燃燒,電流連續(xù)流動(dòng),而不中斷。這就是高阻抗電弧爐電弧連續(xù)燃燒的理論根據(jù)。
圖2 有串聯(lián)電抗器時(shí)交流電弧簡化波形圖
3 高阻抗電弧爐中的電抗器
高阻抗電弧爐與普通電弧爐的惟一區(qū)別是附加了串聯(lián)電抗器,因此,必須對(duì)該電抗器進(jìn)行說明。從經(jīng)濟(jì)觀點(diǎn)(布局和占用空間大?。﹣砜?,在電爐變壓器的一次側(cè)串聯(lián)電抗器是最合理的。從結(jié)構(gòu)形式來看,可做成空心式或鐵心式電抗器。前者可做成三個(gè)獨(dú)立的單相線圈,其體積龐大,而且在它的四周存在著很強(qiáng)的磁場,因此,它需要很大的物理空間,通常安放在單獨(dú)的房間或變電所內(nèi);后者的主磁通均通過鐵心,可以做成緊湊的三相裝置,適宜安放在變壓器室內(nèi),為了抑制過電壓,應(yīng)緊靠變壓器安放,這種電抗器均帶有調(diào)節(jié)電抗值的調(diào)節(jié)開關(guān),可以本地操作或遠(yuǎn)程操作。
目前,在國內(nèi)外的高阻抗電弧爐設(shè)計(jì)中,普遍采用鐵心式電抗器。該電抗器在高阻抗電弧爐中的連接方式如圖3所示。下面簡要地介紹鐵心式電抗器的結(jié)構(gòu)及其特點(diǎn)。
圖3 高阻抗電弧爐的電抗器連接圖
鐵心式電抗器與變壓器基本相同,除了電抗器每相只有一個(gè)線圈外,其結(jié)構(gòu)上的主要區(qū)別在鐵心上。鐵心式電抗器的磁柱由若干個(gè)鐵餅疊裝而成,鐵餅間用絕緣板(如環(huán)氧玻璃布板,大理石等絕緣材料)隔開,形成間隙。
鐵心式電抗器的磁路是有間隙的,外面套有線圈。由于磁性材料的導(dǎo)磁率比空氣大得多,所以,鐵心式電抗器的電感值L也比空心式電抗器的大得多。但是,電抗器的電感L隨著鐵心飽和程度的增加而減小,而高阻抗電弧爐電抗器的作用之一是限制短路電流數(shù)值,它不允許電感L隨著電流的增加而減小,因此,在設(shè)計(jì)該電抗器時(shí),不允許電抗器工作在飽和區(qū)域,即當(dāng)爐子發(fā)生工作短路時(shí),不允許電抗器的電抗值減小。為了保證這一點(diǎn),在設(shè)計(jì)時(shí)必須選取較低的磁通密度值。通常選擇B≤0.75~0.85T,不能高于此值。
由于在鋼質(zhì)導(dǎo)磁體內(nèi)墊有非磁性襯墊物,所以整個(gè)磁路的磁阻Rm將為鋼質(zhì)導(dǎo)磁體的磁阻Rs和空氣隙磁阻Ra之和,即:
Rm=Rs+Ra (7)
因?yàn)?,空氣隙的磁?i>Ra具有相當(dāng)大的數(shù)值,而且是常數(shù),所以,鋼質(zhì)導(dǎo)磁體磁阻Rs的變化對(duì)整個(gè)磁路總磁阻Rm的影響不大。
電抗器器身浸在油箱中,通常要用強(qiáng)迫油循環(huán)水冷卻系統(tǒng),冷卻效果好。該種產(chǎn)品均做成加強(qiáng)型,因?yàn)?,電弧爐經(jīng)常超載20%。在熔化期還時(shí)常產(chǎn)生工作短路,工作短路電流超過額定電流的2倍以上,所以在選擇電抗器線圈導(dǎo)線截面時(shí),應(yīng)按2倍變壓器額定電流來選擇。
高阻抗電弧爐的總電抗值和變壓器二次最高電壓值是設(shè)計(jì)該種電弧爐的關(guān)鍵參數(shù)。如果選擇不當(dāng),就發(fā)揮不了高阻抗電弧爐的優(yōu)勢。表1列出了總電抗遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于一般水平的幾臺(tái)高阻抗電弧爐二次最高電壓值和總電抗值。這些爐子本身的電抗值在3.0~3.5mΩ范圍內(nèi)。而在變壓器一次側(cè)串聯(lián)電抗器后,合成總電抗值在4~6mΩ,比原來高出50%左右。
表1 某些電壓較高和有附加電抗器的爐子
爐容量(液態(tài)鋼)/t | 最高電壓/V | 總電抗/mΩ |
---|---|---|
170 130 75 110 140 120 115 115 80 118 66 | 1200 1070 1000 960 960 950 925 901 900 884 850 | 5.3 6.3 5.4 4.6 3.6 4.2 4.8 4.5 5.7 4.4 5.0 |
評(píng)論