減輕對電網(wǎng)沖擊的高阻抗電弧爐

1 引言

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體和開發(fā)價格昂貴的、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，對供電電網(wǎng)的沖擊非常嚴重，造成電網(wǎng)電壓波動和閃變，并產(chǎn)生大量高次諧波；另外它還導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面效應是在電極穿井期間，運行電抗非常高，導致平均功率降低，電弧功率減少，冶煉時間加長。

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，導致短路電流倍數(shù)過高，高壓開關頻繁跳閘，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 I_e= （2）

電弧電壓 u_arc=－I_er （3）

式中：X_op為運行電抗；

S為視在功率；

r為短網(wǎng)到電極的阻抗；

u_ph為相電壓。

電弧長度 L_arc=u_arc－35 （4）

電弧功率 P_arc=3I_eu_arc （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？下面回答這個問題。

對電弧物理現(xiàn)象的研究指出，只有在兩個電極之間施加足夠高的電壓時，才有電弧產(chǎn)生。起弧后，在兩個電極之間施加50Hz頻率的交流電壓，在每半個周期中，只有當電壓升高到某一值時，才有電流通過。當電壓再降至某一值時，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，在起弧延滯的時間中，電弧電流為零，所以電弧熱量也為零。這樣就使電弧時斷時續(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）

當電路中串有足夠電抗時，電流滯后電壓一個φ角。當外施電壓為零時，電弧電流借助于儲存在電抗中的能量繼續(xù)流通。當電弧電流接近零時，負半周的電壓已經(jīng)很高，已經(jīng)達到起弧電壓值（見圖2），使電弧點燃，即負半周電流及時接續(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，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，必須對該電抗器進行說明。從經(jīng)濟觀點（布局和占用空間大?。﹣砜?，在電爐變壓器的一次側串聯(lián)電抗器是最合理的。從結構形式來看，可做成空心式或鐵心式電抗器。前者可做成三個獨立的單相線圈，其體積龐大，而且在它的四周存在著很強的磁場，因此，它需要很大的物理空間，通常安放在單獨的房間或變電所內(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，可以本地操作或遠程操作。

目前，在國內(nèi)外的高阻抗電弧爐設計中，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構及其特點。

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線圈外，其結構上的主要區(qū)別在鐵心上。鐵心式電抗器的磁柱由若干個鐵餅疊裝而成，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，在設計該電抗器時，不允許電抗器工作在飽和區(qū)域，即當爐子發(fā)生工作短路時，不允許電抗器的電抗值減小。為了保證這一點，在設計時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)導磁體內(nèi)墊有非磁性襯墊物，所以整個磁路的磁阻R_m將為鋼質(zhì)導磁體的磁阻R_s和空氣隙磁阻R_a之和，即：

R_m=R_s＋R_a （7）

因為，空氣隙的磁阻R_a具有相當大的數(shù)值，而且是常數(shù)，所以，鋼質(zhì)導磁體磁阻R_s的變化對整個磁路總磁阻R_m的影響不大。

電抗器器身浸在油箱中，通常要用強迫油循環(huán)水冷卻系統(tǒng)，冷卻效果好。該種產(chǎn)品均做成加強型，因為，電弧爐經(jīng)常超載20％。在熔化期還時常產(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線截面時，應按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計該種電弧爐的關鍵參數(shù)。如果選擇不當，就發(fā)揮不了高阻抗電弧爐的優(yōu)勢。表1列出了總電抗遠遠高于一般水平的幾臺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