减轻对电网冲击的高阻抗电弧炉

1    引言

    自从电弧炉诞生那天起，人们便开始研究用什么办法能获得最大的电弧功率。众所周知，电弧功率决定了它的生产率，而电弧功率又正比例于电压和电极电流。在过去的许多年来，一直是依靠加大电极电流来提高电弧功率的。但是，由此产生的弊端是必须配置巨大截面的二次载流导体和开发价格昂贵的、特制的超大直径硅电极来满足传输大电流的要求。在这种冶炼操作模式中，由于采用短电弧冶炼，使得电极同炉料频繁接触，经常产生短路，对供电电网的冲击非常严重，造成电网电压波动和闪变，并产生大量高次谐波；另外它还导致电极折断率非常高，经常需要接电极，既影响了生产，也增加了炼钢成本。

    短电弧操作的另一负面效应是在电极穿井期间，运行电抗非常高，导致平均功率降低，电弧功率减少，冶炼时间加长。

    如果采用高电压，低电流操作，可以减少电极消耗和电能消耗。可是采用高电压，低电流操作，由于主电路电抗值小，导致短路电流倍数过高，高压开关频繁跳闸，功率因数过高，电弧燃烧不稳定。综合上述，可得出一条重要结论：那就是如果将电弧炉主电路由低阻抗改造成高阻抗，即在主电路串联一只电抗器，则上述弊端便可迎刃而解。也就是说：附加电抗能使电弧燃烧稳定，电极电流减少，电压波动降低，谐波发生量减少，提高二次电压，可使电弧功率加大，电效率提高，并依靠泡沫渣完全包围覆盖电弧，因而也提高了炉衬寿命。这种在电弧炉主电路串有大电抗器的，并有较高二次电压的电弧炉被称为高阻抗电弧炉。

2    高阻抗电弧炉的理论依据

    自从附加电抗器的高阻抗电弧炉概念在十几年前被首次提出以来，现已在电弧炉操作实践中被炼钢厂普遍接受，并已在国内外迅速推广，已收到了明显的经济效益。因此，高电弧电压，长电弧冶炼，低电极电流操作模式是已有的超高功率电弧炉进一步发展和提高的必由之路。

    提高变压器二次电压来增加电弧电压和电弧长度，以及增加炉子总电抗来降低电极电流和提高电效率的优越性，可用式（1）－（6）说明。

    有功功率    P=Scosφ    （1）

    电极电流    I_e=    （2）

    电弧电压    u_arc=－I_er    （3）

式中：X_op为运行电抗；

      S为视在功率；

      r为短网到电极的阻抗；

      u_ph为相电压。

    电弧长度    L_arc=u_arc－35    （4）

    电弧功率    P_arc=3I_eu_arc    （5）

    电效率    η=    （6）

    由式（2）可以明显地看出，在功率因数相同的情况下，加大电抗就可以降低电极电流。从式（3）可以看出，提高变压器二次电压和降低电极电流就可以显著地提高电弧电压。由式（5）可以看出，由于电弧电压成倍地增高，所以，电弧功率大幅度增加。从式（6）可以清楚地看到，高阻抗电弧炉的突出特点是电弧电压高，电极电流小，所以，其电效率非常高，通常大容量高阻抗电弧炉均能达到0.94～0.97。

    较高的变压器二次电压和较大的电抗器的合理搭配是使功率因数保持在合适的范围内所必需的。但是，如果功率因数过高，则在炉料熔化期电弧就会不稳定，因此，功率因数值是决定电弧稳定性的先决条件。

    功率因数过高，就是合成电抗太小，那么为什么在交流电弧炉主电路中串联一只大电抗器后，就可使电弧电流连续不断地流通，而不间断，电弧则稳定燃烧，在理论上如何解释？下面回答这个问题。

    对电弧物理现象的研究指出，只有在两个电极之间施加足够高的电压时，才有电弧产生。起弧后，在两个电极之间施加50Hz频率的交流电压，在每半个周期中，只有当电压升高到某一值时，才有电流通过。当电压再降至某一值时，电弧熄灭，这就意味着50Hz的交流电弧在1s内有100次起弧与熄弧。由于电弧的热量是电弧电压与电弧电流的乘积，在起弧延滞的时间中，电弧电流为零，所以电弧热量也为零。这样就使电弧时断时续，电流不连续，如图1所示。

图1    交流电弧简化波形图（在无串联电抗器情况下）

    当电路中串有足够电抗时，电流滞后电压一个φ角。当外施电压为零时，电弧电流借助于储存在电抗中的能量继续流通。当电弧电流接近零时，负半周的电压已经很高，已经达到起弧电压值（见图2），使电弧点燃，即负半周电流及时接续，不间断。所以，只要在主电路中串有足够的电抗值，就能使电弧连续燃烧，电流连续流动，而不中断。这就是高阻抗电弧炉电弧连续燃烧的理论根据。

图2    有串联电抗器时交流电弧简化波形图

3    高阻抗电弧炉中的电抗器

    高阻抗电弧炉与普通电弧炉的惟一区别是附加了串联电抗器，因此，必须对该电抗器进行说明。从经济观点（布局和占用空间大小）来看，在电炉变压器的一次侧串联电抗器是最合理的。从结构形式来看，可做成空心式或铁心式电抗器。前者可做成三个独立的单相线圈，其体积庞大，而且在它的四周存在着很强的磁场，因此，它需要很大的物理空间，通常安放在单独的房间或变电所内；后者的主磁通均通过铁心，可以做成紧凑的三相装置，适宜安放在变压器室内，为了抑制过电压，应紧靠变压器安放，这种电抗器均带有调节电抗值的调节开关，可以本地操作或远程操作。

    目前，在国内外的高阻抗电弧炉设计中，普遍采用铁心式电抗器。该电抗器在高阻抗电弧炉中的连接方式如图3所示。下面简要地介绍铁心式电抗器的结构及其特点。

图3    高阻抗电弧炉的电抗器连接图

    铁心式电抗器与变压器基本相同，除了电抗器每相只有一个线圈外，其结构上的主要区别在铁心上。铁心式电抗器的磁柱由若干个铁饼叠装而成，铁饼间用绝缘板（如环氧玻璃布板，大理石等绝缘材料）隔开，形成间隙。

    铁心式电抗器的磁路是有间隙的，外面套有线圈。由于磁性材料的导磁率比空气大得多，所以，铁心式电抗器的电感值L也比空心式电抗器的大得多。但是，电抗器的电感L随着铁心饱和程度的增加而减小，而高阻抗电弧炉电抗器的作用之一是限制短路电流数值，它不允许电感L随着电流的增加而减小，因此，在设计该电抗器时，不允许电抗器工作在饱和区域，即当炉子发生工作短路时，不允许电抗器的电抗值减小。为了保证这一点，在设计时必须选取较低的磁通密度值。通常选择B≤0.75～0.85T，不能高于此值。

    由于在钢质导磁体内垫有非磁性衬垫物，所以整个磁路的磁阻R_m将为钢质导磁体的磁阻R_s和空气隙磁阻R_a之和，即：

    R_m=R_s＋R_a    （7）

    因为，空气隙的磁阻R_a具有相当大的数值，而且是常数，所以，钢质导磁体磁阻R_s的变化对整个磁路总磁阻R_m的影响不大。

    电抗器器身浸在油箱中，通常要用强迫油循环水冷却系统，冷却效果好。该种产品均做成加强型，因为，电弧炉经常超载20％。在熔化期还时常产生工作短路，工作短路电流超过额定电流的2倍以上，所以在选择电抗器线圈导线截面时，应按2倍变压器额定电流来选择。

    高阻抗电弧炉的总电抗值和变压器二次最高电压值是设计该种电弧炉的关键参数。如果选择不当，就发挥不了高阻抗电弧炉的优势。表1列出了总电抗远远高于一般水平的几台高阻抗电弧炉二次最高电压值和总电抗值。这些炉子本身的电抗值在3.0～3.5mΩ范围内。而在变压器一次侧串联电抗器后，合成总电抗值在4～6mΩ，比原来高出50％左右。

表1    某些电压较高和有附加电抗器的炉子

4    高阻抗电弧炉抑制电压波动原因分析

    从电弧炉炼钢来看，工作短路是不可避免的，它经常是在熔化期内当点弧或塌料时发生。点弧时所发生的工作短路持续时间一般不超过1～2s，这对电网危害不大，因为，短路持续时间很短。而炉料塌陷时的短路持续时间取决于电极移动速度及塌料深度。塌料深浅不同，相差悬殊，但在实际炼钢过程中，很少遇到超过250mm的塌料深度。高阻抗电弧炉的电弧长度普遍大于250mm，本文中援引的例子，其电弧长度为350mm，所以，它在炉料塌陷时也不致于造成电极短路。电极同炉料短路时无功功率最大，则其引起的电网电压波动也是最大，因为，电网电压波动是由无功功率变化引起的，这可由下式说明。

            Δu=×100％    （8）

式中：ΔQ为电弧炉无功功率变化量（Mvar）；

      S_DR为供电点（35kV），供电系统短路容量（MVA）。

    综上所述，高阻抗电弧炉运行在较高的功率因数下（0.82以上），且不产生电压闪变，这是因为电极和炉料之间保持较长距离，它使电弧长度变化百分数小，则二次电流和一次电压变化率（Δu/u）也小，因此，电压闪变就减少了。由于以上理由，高阻抗电弧炉绝对用不着装设静止式无功功率动态补偿装置（SVC装置）。根据德马格公司和丹澳利公司资料介绍，他们的高阻抗电弧炉在世界各地运行，全部不配装SVC装置。

    电弧炉引起电压波动的另一重要原因，过去一直鲜为人知，近年来在许多台大型电弧炉上测试得知：交流电弧炉的电压波动，在很大程度上是由于电极升降系统的机械共振所引起的。实践证明，在交流电弧炉变压器高压侧串联电抗器，采用高阻抗，长电弧运行方式，限制电流变化率，就能有效地降低机械共振，因为，机械共振是由电流变化引起的。

    图4示出了机械共振对电压波动的影响。由图4可见，交流高阻抗电弧炉无机械谐振，其电压波动幅值仅为5V左右。

图4    机械共振对电压波动的影响曲线图

    综上所述，交流高阻抗电弧炉从根本上消除了由机械共振引起的供电电网电压波动和电压闪变，这比采用SVC装置要优越得多。

5    高阻抗电弧炉抑制电压波动实例

    前已述及，电压波动是由无功功率波动引起的，下面援引国外高阻抗电弧炉与普通电弧炉的无功功率波动对比实例。

    意大利丹澳利公司（DANIELI）提出了高阻抗电弧炉和普通电弧炉的无功功率波动范围，以资对比^[4]。图5为高阻抗电弧炉的无功功率对电流的波动范围，图中Q为无功功率，I为电极电流。由图5中可看出，当电极电流变化为ΔI=30kA时，引起无功功率变化为ΔQ≤50Mvar，有功功率变化为ΔP=7MW。

(a)    基本线路图

(b)    功率/电流参数

图5    高阻抗电弧炉基本线路与功率曲线图

    条件完全相同的普通电弧炉的无功功率对电流的波动范围示于图6。由图6可看出，当电极电流同样变化30kA时，其无功功率波动值竟达到60Mvar以上，有功功率变化为ΔP=13MW。由以上两组数据可以看出，高阻抗电弧炉与普通电弧炉相比，在同样条件下，前者的无功功率波动值和有功功率波动值均低于后者，因而高阻抗电弧炉的电压波动也减小了。

(a)    基本线路图

(b)    功率/电流参数

图6    普通电弧炉基本线路与功率曲线图

    图7示出了美国联合碳化物公司提出的普通电弧炉（图7a）和高阻抗电弧炉（图7b）的输入功率波动记录曲线[3]。由图7(b)可以看出，增加电抗后，输入功率提高，电弧功率稳定。显然，对于传统的电抗低的普通电弧炉而言，由于没有电抗器，炼钢工作者选择在很高的功率因数下运行，在炉料熔化期，电压档位在最高档位，有功功率约20MW～50MW；而与此相对应的有串联电抗器的高阻抗电弧炉，在功率因数合适的情况下，能够得到较小的电极电流，结果，在最高电压档位运行时，有功功率约62MW～70MW，波动明显减小。这种运行方式，有功功率高，电弧连续性好，对电网冲击小，因而，抑制了电压波动。

(a)    普通电弧炉

(b)    高阻抗电弧炉

图7    炼钢电弧炉的功率波动记录曲线

6    高阻抗电弧炉的运行优势

    德国曼内斯曼·德马格公司于1992年将1台60t（40MVA）超高功率电弧炉改造成高阻抗超高功率电弧炉。表2列出改造前和改造后的运行参数对比[2]。

表2    普通电弧炉和高阻抗电弧炉参数对比

由表2可以看出，改成高阻抗操作模式后，同样一台变压器，容量充分发挥，达到40MVA。这是由于二次电流降低，二次电压提高的缘故。相反，在低阻抗运行时，由于二次电流太大（40.3kA），变压器二次绕组导线截面受到限制，二次电压又太低，所以只能达到30MVA。

    改成高阻抗电弧炉后，许多指标均得到改善：电效率由90.3％提高到94.7％，可节省电能20kW·h/t，即节电4.5％；电弧功率由22.6MW增加到31.1MW；弧长由150mm增加到350mm；电极消耗由2.6kg/t降低到1.9kg/t，即降低28％；冶炼时间由72min减少到50min，缩短30％；生产率得到大幅度提高。在这些指标当中，电极消耗指标最好，这是由于电弧炉炼钢的主要生产成本是电能消耗和石墨电极消耗的费用。而电极消耗又分为两部分：

    1)端部消耗，它与电极电流的二次方成正比，与通电时间成正比；

    2)侧面消耗，它取决于出钢至送电的间歇时间和炉子废气中的氧含量。

    综上所述，为了降低生产成本，最重要的是采用低的电极电流和缩短出钢至送电的间歇时间。假定2台炉子的间歇时间相同，则电极的侧面消耗相同，欲使电极消耗降低，便归结为低端部消耗降低。由于

    W_t=f_TIp×W_tot    （9）

    W_t=KI_e²（10）

式中：W_tot为总电极消耗；

      W_t为电极端部消耗；

      f_TIp为端部消耗与总消耗之间的比例系数，对于交流电弧炉f_TIp=0.5；

      I_e为电极电流；

      K为常数。

    根据式（9）和式（10），若将高阻抗电弧炉与传统的低阻抗电弧炉在电极端部消耗方面进行比较，省去推导，可得式（11）。

    ==f_TIp×    （11）

式中：W_tlr为低阻抗炉的电极端部消耗；

      W_thr为高阻抗炉的电极端部消耗；

      I_elr为低阻抗炉的电极电流；

    I_ehr为高阻抗炉的电极电流。现援引曼内斯曼·德马格公司60t普通电弧炉和改造后的高阻抗电弧炉的电极端部消耗指标对比为

    =0.5×=0.28=28％

    说明高阻抗电弧炉的电极消耗与传统的低阻抗电弧炉相比，约降低28％，与现场实测所得出的数据完全相符。

7    结语

    高阻抗电弧炉已在国内外获得了推广应用，其技术经济指标可与直流电弧炉相媲美，再加上它具有结构简单可靠等优点，因此，它无疑是传统交流电弧炉发展的必然趋势。

    高阻抗电弧能够大幅度地降低电压闪变，在同样条件下，其闪烁水平只有传统交流电弧炉的68％^[4]。运行结果证明：高阻抗电弧炉无须装设SVC装置。