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(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，對供電電網(wǎng)的沖擊非常嚴(yán)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(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。可是采用高電壓，低電流操作，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 I_e= （2）

電弧電壓 u_arc=－I_er （3）

式中：X_op為運(yùn)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(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，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)（布局和占用空間大小）來看，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R_m將為鋼質(zhì)導(dǎo)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?yàn)?，空氣隙的磁?i>R_a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R_s的變化對整個(gè)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(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