減輕對(duì)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(kāi)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(guò)去的許多年來(lái)，一直是依靠加大電極電流來(lái)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(kāi)發(fā)價(jià)格昂貴的、特制的超大直徑硅電極來(lái)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(zhǎng)。

??? 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(guò)高，高壓開(kāi)關(guān)頻繁跳閘，功率因數(shù)過(guò)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(shuō)：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(lái)，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(guó)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(zhǎng)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(lái)增加電弧電壓和電弧長(zhǎng)度，以及增加爐子總電抗來(lái)降低電極電流和提高電效率的優(yōu)越性，可用式（1）－（6）說(shuō)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(zhǎng)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(guò)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(guò)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(wèn)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(guò)。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(jiǎn)化波形圖（在無(wú)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(jiàn)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(jiǎn)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(shuō)明。從經(jīng)濟(jì)觀點(diǎn)（布局和占用空間大?。﹣?lái)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(lái)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(chǎng)，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(guò)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(guò)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(kāi)關(guān)，可以本地操作或遠(yuǎn)程操作。

??? 目前，在國(guó)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(jiǎn)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(kāi)，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(duì)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(guò)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(lái)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(shì)。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(lái)高出50％左右。

表1??? 某些電壓較高和有附加電抗器的爐子

4??? 高阻抗電弧爐抑制電壓波動(dòng)原因分析

??? 從電弧爐煉鋼來(lái)看，工作短路是不可避免的，它經(jīng)常是在熔化期內(nèi)當(dāng)點(diǎn)弧或塌料時(shí)發(fā)生。點(diǎn)弧時(shí)所發(fā)生的工作短路持續(xù)時(shí)間一般不超過(guò)1～2s，這對(duì)電網(wǎng)危害不大，因?yàn)?，短路持續(xù)時(shí)間很短。而爐料塌陷時(shí)的短路持續(xù)時(shí)間取決于電極移動(dòng)速度及塌料深度。塌料深淺不同，相差懸殊，但在實(shí)際煉鋼過(guò)程中，很少遇到超過(guò)250mm的塌料深度。高阻抗電弧爐的電弧長(zhǎng)度普遍大于250mm，本文中援引的例子，其電弧長(zhǎng)度為350mm，所以，它在爐料塌陷時(shí)也不致于造成電極短路。電極同爐料短路時(shí)無(wú)功功率最大，則其引起的電網(wǎng)電壓波動(dòng)也是最大，因?yàn)?，電網(wǎng)電壓波動(dòng)是由無(wú)功功率變化引起的，這可由下式說(shuō)明。

??????????? Δu=×100％??? （8）

式中：ΔQ為電弧爐無(wú)功功率變化量（Mvar）；

????? S_DR為供電點(diǎn)（35kV），供電系統(tǒng)短路容量（MVA）。

??? 綜上所述，高阻抗電弧爐運(yùn)行在較高的功率因數(shù)下（0.82以上），且不產(chǎn)生電壓閃變，這是因?yàn)殡姌O和爐料之間保持較長(zhǎng)距離，它使電弧長(zhǎng)度變化百分?jǐn)?shù)小，則二次電流和一次電壓變化率（Δu/u）也小，因此，電壓閃變就減少了。由于以上理由，高阻抗電弧爐絕對(duì)用不著裝設(shè)靜止式無(wú)功功率動(dòng)態(tài)補(bǔ)償裝置（SVC裝置）。根據(jù)德馬格公司和丹澳利公司資料介紹，他們的高阻抗電弧爐在世界各地運(yùn)行，全部不配裝SVC裝置。

??? 電弧爐引起電壓波動(dòng)的另一重要原因，過(guò)去一直鮮為人知，近年來(lái)在許多臺(tái)大型電弧爐上測(cè)試得知：交流電弧爐的電壓波動(dòng)，在很大程度上是由于電極升降系統(tǒng)的機(jī)械共振所引起的。實(shí)踐證明，在交流電弧爐變壓器高壓側(cè)串聯(lián)電抗器，采用高阻抗，長(zhǎng)電弧運(yùn)行方式，限制電流變化率，就能有效地降低機(jī)械共振，因?yàn)椋瑱C(jī)械共振是由電流變化引起的。

??? 圖4示出了機(jī)械共振對(duì)電壓波動(dòng)的影響。由圖4可見(jiàn)，交流高阻抗電弧爐無(wú)機(jī)械諧振，其電壓波動(dòng)幅值僅為5V左右。

圖4??? 機(jī)械共振對(duì)電壓波動(dòng)的影響曲線圖

??? 綜上所述，交流高阻抗電弧爐從根本上消除了由機(jī)械共振引起的供電電網(wǎng)電壓波動(dòng)和電壓閃變，這比采用SVC裝置要優(yōu)越得多。

5??? 高阻抗電弧爐抑制電壓波動(dòng)實(shí)例

??? 前已述及，電壓波動(dòng)是由無(wú)功功率波動(dòng)引起的，下面援引國(guó)外高阻抗電弧爐與普通電弧爐的無(wú)功功率波動(dòng)對(duì)比實(shí)例。

??? 意大利丹澳利公司（DANIELI）提出了高阻抗電弧爐和普通電弧爐的無(wú)功功率波動(dòng)范圍，以資對(duì)比^[4]。圖5為高阻抗電弧爐的無(wú)功功率對(duì)電流的波動(dòng)范圍，圖中Q為無(wú)功功率，I為電極電流。由圖5中可看出，當(dāng)電極電流變化為ΔI=30kA時(shí)，引起無(wú)功功率變化為ΔQ≤50Mvar，有功功率變化為ΔP=7MW。

(a)??? 基本線路圖

(b)??? 功率/電流參數(shù)

圖5??? 高阻抗電弧爐基本線路與功率曲線圖

??? 條件完全相同的普通電弧爐的無(wú)功功率對(duì)電流的波動(dòng)范圍示于圖6。由圖6可看出，當(dāng)電極電流同樣變化30kA時(shí)，其無(wú)功功率波動(dòng)值竟達(dá)到60Mvar以上，有功功率變化為ΔP=13MW。由以上兩組數(shù)據(jù)可以看出，高阻抗電弧爐與普通電弧爐相比，在同樣條件下，前者的無(wú)功功率波動(dòng)值和有功功率波動(dòng)值均低于后者，因而高阻抗電弧爐的電壓波動(dòng)也減小了。

(a)??? 基本線路圖

(b)??? 功率/電流參數(shù)

圖6??? 普通電弧爐基本線路與功率曲線圖

??? 圖7示出了美國(guó)聯(lián)合碳化物公司提出的普通電弧爐（圖7a）和高阻抗電弧爐（圖7b）的輸入功率波動(dòng)記錄曲線[3]。由圖7(b)可以看出，增加電抗后，輸入功率提高，電弧功率穩(wěn)定。顯然，對(duì)于傳統(tǒng)的電抗低的普通電弧爐而言，由于沒(méi)有電抗器，煉鋼工作者選擇在很高的功率因數(shù)下運(yùn)行，在爐料熔化期，電壓檔位在最高檔位，有功功率約20MW～50MW；而與此相對(duì)應(yīng)的有串聯(lián)電抗器的高阻抗電弧爐，在功率因數(shù)合適的情況下，能夠得到較小的電極電流，結(jié)果，在最高電壓檔位運(yùn)行時(shí)，有功功率約62MW～70MW，波動(dòng)明顯減小。這種運(yùn)行方式，有功功率高，電弧連續(xù)性好，對(duì)電網(wǎng)沖擊小，因而，抑制了電壓波動(dòng)。

(a)??? 普通電弧爐

(b)??? 高阻抗電弧爐

圖7??? 煉鋼電弧爐的功率波動(dòng)記錄曲線

6??? 高阻抗電弧爐的運(yùn)行優(yōu)勢(shì)

??? 德國(guó)曼內(nèi)斯曼·德馬格公司于1992年將1臺(tái)60t（40MVA）超高功率電弧爐改造成高阻抗超高功率電弧爐。表2列出改造前和改造后的運(yùn)行參數(shù)對(duì)比[2]。

表2??? 普通電弧爐和高阻抗電弧爐參數(shù)對(duì)比

由表2可以看出，改成高阻抗操作模式后，同樣一臺(tái)變壓器，容量充分發(fā)揮，達(dá)到40MVA。這是由于二次電流降低，二次電壓提高的緣故。相反，在低阻抗運(yùn)行時(shí)，由于二次電流太大（40.3kA），變壓器二次繞組導(dǎo)線截面受到限制，二次電壓又太低，所以只能達(dá)到30MVA。

??? 改成高阻抗電弧爐后，許多指標(biāo)均得到改善：電效率由90.3％提高到94.7％，可節(jié)省電能20kW·h/t，即節(jié)電4.5％；電弧功率由22.6MW增加到31.1MW；弧長(zhǎng)由150mm增加到350mm；電極消耗由2.6kg/t降低到1.9kg/t，即降低28％；冶煉時(shí)間由72min減少到50min，縮短30％；生產(chǎn)率得到大幅度提高。在這些指標(biāo)當(dāng)中，電極消耗指標(biāo)最好，這是由于電弧爐煉鋼的主要生產(chǎn)成本是電能消耗和石墨電極消耗的費(fèi)用。而電極消耗又分為兩部分：

??? 1)端部消耗，它與電極電流的二次方成正比，與通電時(shí)間成正比；

??? 2)側(cè)面消耗，它取決于出鋼至送電的間歇時(shí)間和爐子廢氣中的氧含量。

??? 綜上所述，為了降低生產(chǎn)成本，最重要的是采用低的電極電流和縮短出鋼至送電的間歇時(shí)間。假定2臺(tái)爐子的間歇時(shí)間相同，則電極的側(cè)面消耗相同，欲使電極消耗降低，便歸結(jié)為低端部消耗降低。由于

??? W_t=f_tip×W_tot??? （9）

??? W_t=KI_e²（10）

式中：W_tot為總電極消耗；

????? W_t為電極端部消耗；

????? f_tip為端部消耗與總消耗之間的比例系數(shù)，對(duì)于交流電弧爐f_tip=0.5；

????? I_e為電極電流；

????? K為常數(shù)。

??? 根據(jù)式（9）和式（10），若將高阻抗電弧爐與傳統(tǒng)的低阻抗電弧爐在電極端部消耗方面進(jìn)行比較，省去推導(dǎo)，可得式（11）。

??? ==f_tip×??? （11）

式中：W_tlr為低阻抗?fàn)t的電極端部消耗；

????? W_thr為高阻抗?fàn)t的電極端部消耗；

????? I_elr為低阻抗?fàn)t的電極電流；

??? I_ehr為高阻抗?fàn)t的電極電流?，F(xiàn)援引曼內(nèi)斯曼·德馬格公司60t普通電弧爐和改造后的高阻抗電弧爐的電極端部消耗指標(biāo)對(duì)比為

??? =0.5×=0.28=28％

??? 說(shuō)明高阻抗電弧爐的電極消耗與傳統(tǒng)的低阻抗電弧爐相比，約降低28％，與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)所得出的數(shù)據(jù)完全相符。

7??? 結(jié)語(yǔ)

??? 高阻抗電弧爐已在國(guó)內(nèi)外獲得了推廣應(yīng)用，其技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)可與直流電弧爐相媲美，再加上它具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單可靠等優(yōu)點(diǎn)，因此，它無(wú)疑是傳統(tǒng)交流電弧爐發(fā)展的必然趨勢(shì)。

??? 高阻抗電弧能夠大幅度地降低電壓閃變，在同樣條件下，其閃爍水平只有傳統(tǒng)交流電弧爐的68％^[4]。運(yùn)行結(jié)果證明：高阻抗電弧爐無(wú)須裝設(shè)SVC裝置。