減輕對電網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，由此產生的弊端是必須配置巨大截面的二次載流導體和開發價格昂貴的、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，經常產生短路，對供電電網的沖擊非常嚴重，造成電網電壓波動和閃變，并產生大量高次諧波；另外它還導致電極折斷率非常高，經常需要接電極，既影響了生產，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。可是采用高電壓，低電流操作，由于主電路電抗值小，導致短路電流倍數過高，高壓開關頻繁跳閘，功率因數過高，電弧燃燒不穩定。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定，電極電流減少，電壓波動降低，諧波發生量減少，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

??? 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，現已在電弧爐操作實踐中被煉鋼廠普遍接受，并已在國內外迅速推廣，已收到了明顯的經濟效益。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保持在合適的范圍內所必需的。但是，如果功率因數過高，則在爐料熔化期電弧就會不穩定，因此，功率因數值是決定電弧穩定性的先決條件。

??? 功率因數過高，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一只大電抗器后，就可使電弧電流連續不斷地流通，而不間斷，電弧則穩定燃燒，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，電流不連續，如圖1所示。

圖1??? 交流電弧簡化波形圖（在無串聯電抗器情況下）

??? 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流通。當電弧電流接近零時，負半周的電壓已經很高，已經達到起弧電壓值（見圖2），使電弧點燃，即負半周電流及時接續，不間斷。所以，只要在主電路中串有足夠的電抗值，就能使電弧連續燃燒，電流連續流動，而不中斷。這就是高阻抗電弧爐電弧連續燃燒的理論根據。

圖2??? 有串聯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別是附加了串聯電抗器，因此，必須對該電抗器進行說明。從經濟觀點（布局和占用空間大小）來看，在電爐變壓器的一次側串聯電抗器是最合理的。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；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，為了抑制過電壓，應緊靠變壓器安放，這種電抗器均帶有調節電抗值的調節開關，可以本地操作或遠程操作。

??? 目前，在國內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域，即當爐子發生工作短路時，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。

??? 由于在鋼質導磁體內墊有非磁性襯墊物，所以整個磁路的磁阻R_m將為鋼質導磁體的磁阻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具有相當大的數值，而且是常數，所以，鋼質導磁體磁阻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水冷卻系統，冷卻效果好。該種產品均做成加強型，因為，電弧爐經常超載20％。在熔化期還時常產生工作短路，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。如果選擇不當，就發揮不了高阻抗電弧爐的優勢。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。而在變壓器一次側串聯電抗器后，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

4??? 高阻抗電弧爐抑制電壓波動原因分析

??? 從電弧爐煉鋼來看，工作短路是不可避免的，它經常是在熔化期內當點弧或塌料時發生。點弧時所發生的工作短路持續時間一般不超過1～2s，這對電網危害不大，因為，短路持續時間很短。而爐料塌陷時的短路持續時間取決于電極移動速度及塌料深度。塌料深淺不同，相差懸殊，但在實際煉鋼過程中，很少遇到超過250mm的塌料深度。高阻抗電弧爐的電弧長度普遍大于250mm，本文中援引的例子，其電弧長度為350mm，所以，它在爐料塌陷時也不致于造成電極短路。電極同爐料短路時無功功率最大，則其引起的電網電壓波動也是最大，因為，電網電壓波動是由無功功率變化引起的，這可由下式說明。

??????????? Δu=×100％??? （8）

式中：ΔQ為電弧爐無功功率變化量（Mvar）；

????? S_DR為供電點（35kV），供電系統短路容量（MVA）。

??? 綜上所述，高阻抗電弧爐運行在較高的功率因數下（0.82以上），且不產生電壓閃變，這是因為電極和爐料之間保持較長距離，它使電弧長度變化百分數小，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，高阻抗電弧爐絕對用不著裝設靜止式無功功率動態補償裝置（SVC裝置）。根據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行，全部不配裝SVC裝置。

??? 電弧爐引起電壓波動的另一重要原因，過去一直鮮為人知，近年來在許多臺大型電弧爐上測試得知：交流電弧爐的電壓波動，在很大程度上是由于電極升降系統的機械共振所引起的。實踐證明，在交流電弧爐變壓器高壓側串聯電抗器，采用高阻抗，長電弧運行方式，限制電流變化率，就能有效地降低機械共振，因為，機械共振是由電流變化引起的。

??? 圖4示出了機械共振對電壓波動的影響。由圖4可見，交流高阻抗電弧爐無機械諧振，其電壓波動幅值僅為5V左右。

圖4??? 機械共振對電壓波動的影響曲線圖

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

5??? 高阻抗電弧爐抑制電壓波動實例

??? 前已述及，電壓波動是由無功功率波動引起的，下面援引國外高阻抗電弧爐與普通電弧爐的無功功率波動對比實例。

??? 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功功率波動范圍，以資對比^[4]。圖5為高阻抗電弧爐的無功功率對電流的波動范圍，圖中Q為無功功率，I為電極電流。由圖5中可看出，當電極電流變化為ΔI=30kA時，引起無功功率變化為ΔQ≤50Mvar，有功功率變化為ΔP=7MW。

(a)??? 基本線路圖

(b)??? 功率/電流參數

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功功率對電流的波動范圍示于圖6。由圖6可看出，當電極電流同樣變化30kA時，其無功功率波動值竟達到60Mvar以上，有功功率變化為ΔP=13MW。由以上兩組數據可以看出，高阻抗電弧爐與普通電弧爐相比，在同樣條件下，前者的無功功率波動值和有功功率波動值均低于后者，因而高阻抗電弧爐的電壓波動也減小了。

(a)??? 基本線路圖

(b)??? 功率/電流參數

圖6??? 普通電弧爐基本線路與功率曲線圖

??? 圖7示出了美國聯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，電弧功率穩定。顯然，對于傳統的電抗低的普通電弧爐而言，由于沒有電抗器，煉鋼工作者選擇在很高的功率因數下運行，在爐料熔化期，電壓檔位在最高檔位，有功功率約20MW～50MW；而與此相對應的有串聯電抗器的高阻抗電弧爐，在功率因數合適的情況下，能夠得到較小的電極電流，結果，在最高電壓檔位運行時，有功功率約62MW～70MW，波動明顯減小。這種運行方式，有功功率高，電弧連續性好，對電網沖擊小，因而，抑制了電壓波動。

(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記錄曲線

6??? 高阻抗電弧爐的運行優勢

??? 德國曼內斯曼·德馬格公司于1992年將1臺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行參數對比[2]。

表2??? 普通電弧爐和高阻抗電弧爐參數對比

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

??? 改成高阻抗電弧爐后，許多指標均得到改善：電效率由90.3％提高到94.7％，可節省電能20kW·h/t，即節電4.5％；電弧功率由22.6MW增加到31.1MW；弧長由150mm增加到350mm；電極消耗由2.6kg/t降低到1.9kg/t，即降低28％；冶煉時間由72min減少到50min，縮短30％；生產率得到大幅度提高。在這些指標當中，電極消耗指標最好，這是由于電弧爐煉鋼的主要生產成本是電能消耗和石墨電極消耗的費用。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，與通電時間成正比；

??? 2)側面消耗，它取決于出鋼至送電的間歇時間和爐子廢氣中的氧含量。

??? 綜上所述，為了降低生產成本，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間。假定2臺爐子的間歇時間相同，則電極的側面消耗相同，欲使電極消耗降低，便歸結為低端部消耗降低。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，對于交流電弧爐f_tip=0.5；

????? I_e為電極電流；

????? K為常數。

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

??? ==f_tip×??? （11）

式中：W_tlr為低阻抗爐的電極端部消耗；

????? W_thr為高阻抗爐的電極端部消耗；

????? I_elr為低阻抗爐的電極電流；

??? I_ehr為高阻抗爐的電極電流。現援引曼內斯曼·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對比為

??? =0.5×=0.28=28％

??? 說明高阻抗電弧爐的電極消耗與傳統的低阻抗電弧爐相比，約降低28％，與現場實測所得出的數據完全相符。

7??? 結語

??? 高阻抗電弧爐已在國內外獲得了推廣應用，其技術經濟指標可與直流電弧爐相媲美，再加上它具有結構簡單可靠等優點，因此，它無疑是傳統交流電弧爐發展的必然趨勢。

??? 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交流電弧爐的68％^[4]。運行結果證明：高阻抗電弧爐無須裝設SVC裝置。