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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)的干擾也小；
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。
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(kāi)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(kāi)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~41／127×41／140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。
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