電弧爐工作原理及其對(duì)電能質(zhì)量的影響
更新時(shí)間：2022-03-08 關(guān)注：3111
為了了解電弧爐對(duì)電能質(zhì)量和電能效率影響的產(chǎn)生原因，需要對(duì)電弧爐設(shè)備的特殊性做一下簡(jiǎn)單介紹。電弧爐是利用電弧能來冶煉金屬的一種電爐。工業(yè)上應(yīng)用的電弧爐可分為三類：第一類是直接加熱式，電弧發(fā)生在專用電極棒和被熔煉的爐料之間，爐料直接受到電弧熱。主要用于煉鋼，其次也用于熔煉鐵、銅、耐火材料、精煉鋼液等。第二類是間接加熱式，電弧發(fā)生在兩根專用電極棒之間，爐料受到電弧的輻射熱，用于熔煉銅、銅合金等。這種爐子噪聲大，熔煉質(zhì)量差，已逐漸被其它爐類所取代。第三類稱為礦熱爐，是以高電阻率的礦石為原料，在工作過程中電極的下部一般是埋在爐料里面的。其加熱原理是：既利用電流通過爐料時(shí)，爐料電阻產(chǎn)生的熱量，同時(shí)也利用了電極和爐料間的電弧產(chǎn)生的熱量。所以又稱為電弧電阻爐。電弧煉鋼用變壓器應(yīng)能按冶煉要求單獨(dú)進(jìn)行電壓電流的調(diào)節(jié)，并能承受工作短路電流的沖擊。電爐變壓器額定電壓的選擇要考慮許多因素。若一次側(cè)電壓取高些，則系統(tǒng)電抗小，短路容量大，可減少閃變，但須增加配電裝置費(fèi)用。若二次電壓高些，則功率因素較高，電效率較高，但電弧長(zhǎng)，爐墻損耗快，綜合效率變低。一般電爐變壓器二次側(cè)均為低電壓（幾十至幾百伏），大電流（幾千至幾萬安）。為保證各個(gè)熔煉階段對(duì)電功率的不同需要，變壓器二次電壓要能在50%~70%的范圍內(nèi)調(diào)整，因此都設(shè)計(jì)成多級(jí)可調(diào)形式。調(diào)整方法有變換、有載調(diào)壓分接開關(guān)等。變壓器容量小于10MVA者，可進(jìn)行無載切換；容量在10MVA以上者，一般應(yīng)是有載調(diào)壓方式。也有三相分別設(shè)置分接頭裝置，各相分別進(jìn)行調(diào)整，可以保障爐內(nèi)三相熱能平衡。與普通電力變壓器相比，電爐專用變壓器有以下特點(diǎn)：a.有較大的過負(fù)荷能力；b.有較高的機(jī)械強(qiáng)度；c.有較大的短路阻抗；d.有幾個(gè)二次電壓等級(jí)；e.有較大的變壓比；f.二次電壓低而電流大。電爐變壓器和電弧爐的容量比一般為0.4~1.2MVA/t。電弧爐的電流控制，是由電弧爐變壓器高壓側(cè)繞組分接頭的切換和電極的升降來達(dá)到的。為了穩(wěn)定電弧和限制短路電流，需要約等于變壓器容量35%的電抗容量，串入變壓器主回路中。大型電弧爐變壓器，本身具有滿足需要的電抗值，不需外加電抗器；而小于10MVA的變壓器，電抗不滿足要求，需在一次側(cè)外加電抗器。電抗器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是：既使通過短路電流，鐵芯也不發(fā)生磁飽和。電抗器可裝在電爐變壓器的內(nèi)部，稱為內(nèi)附式；也可做成裝在變壓器外部的獨(dú)立電抗器，稱為外附式。電爐變壓器一般要串聯(lián)電抗器，使得變壓器短路阻抗和電抗器電抗之和達(dá)到0.33~0.5標(biāo)準(zhǔn)值（以電爐變壓器額定容量為基準(zhǔn)）。容量小于10MVA的電爐變壓器，有時(shí)在其高壓側(cè)裝有串聯(lián)電抗器，以降低短路電流和穩(wěn)定電弧。對(duì)于較大容量的電爐變壓器，它本身的漏電抗已足夠大，不需再串聯(lián)電抗器。煉鋼電弧爐對(duì)高壓斷路器的要求是：斷流容量大；允許頻繁動(dòng)作；便于維修和使用壽命長(zhǎng)。電弧電阻爐負(fù)載平穩(wěn)，連續(xù)運(yùn)行，常用多油或少油式高壓斷路器，煉鋼電弧爐斷路器經(jīng)常跳閘，多選用六氟化硫斷路器、電磁式空氣斷路器、真空斷路器等。大型煉鋼電弧爐的二次電流很大，無法配用電流互感器。因此，低壓側(cè)儀表，電極升降自動(dòng)調(diào)節(jié)電流信號(hào)，都接到高壓側(cè)電流互感器上，或接在電爐變壓器的第三繞組上（可變變比）。為了強(qiáng)化鋼液與熔渣反應(yīng)，使鋼液溫度和成分均勻，在煉鋼電弧爐爐底部，加裝電磁攪拌器。攪拌器由繞有兩組線圈的鐵芯構(gòu)成。它本身相當(dāng)于電機(jī)的定子，溶池中的鋼液相當(dāng)轉(zhuǎn)子。攪拌器線圈中通以可產(chǎn)生移相磁場(chǎng)的兩相低頻電流，磁場(chǎng)使鋼液中產(chǎn)生感應(yīng)電流，移動(dòng)磁場(chǎng)與感應(yīng)電流相互作用，使鋼液在電動(dòng)力的推動(dòng)下，順著移動(dòng)磁場(chǎng)移動(dòng)的方向流動(dòng)，從而使鋼液得到了攪拌。采用電磁攪拌的電弧爐，其爐底要用非磁性鋼板制成。為了改變電磁攪拌器的攪拌力，要求采用可調(diào)頻率的低頻電源，其頻率在0.3~0.5HZ內(nèi)調(diào)節(jié)。一般采用晶闡管變頻電源。需加裝電容器以提高功率因素，并加裝電抗器防止產(chǎn)生諧振。通過對(duì)電弧爐設(shè)備的電氣特性的分析，可以得出以下結(jié)論：a) 為使電弧爐工作中不發(fā)生斷弧現(xiàn)象，當(dāng)電流瞬時(shí)為零時(shí)，電弧電壓Uh必須大于引燃電壓。b) 為限制短路電流，變壓器二次回路必須有一定的電抗值，功率因素不能過于接近1。對(duì)于普通電弧爐回路工作點(diǎn)的功率因素范圍在0.8~0.85之間；對(duì)于高功率的電弧爐，在0.7~0.8之間。c) 電壓閃變問題：用電負(fù)荷劇烈波動(dòng)，造成供電系統(tǒng)瞬時(shí)電壓驟升驟降。電弧爐的冶煉過程分兩個(gè)階段，即熔化期和精煉期。在熔化期，相當(dāng)多的爐內(nèi)填料尚未熔化而呈塊狀固體，電弧阻抗不穩(wěn)定。有時(shí)因電極都插入熔化金屬中而在電極間形成金屬性短路，并且依靠電爐變壓器和所串電抗器的的總電抗來限制短路電流，使之不超過電爐變壓器額定電流的2~3倍。不穩(wěn)定的短路狀態(tài)使得熔化期電流的波形變化極快，實(shí)際上每半個(gè)工頻周期的波形都不相同。在熔化初期以及熔化的不穩(wěn)定階段，電流波形不規(guī)律，故諧波含量大，主要是第2、3、4、5、6、7次諧波電流。據(jù)西北電研院實(shí)測(cè)，第2、3、5次諧波電流含有率常達(dá)5%~6%及以上，嚴(yán)重時(shí)可達(dá)20%以上。但當(dāng)某一次諧波電流達(dá)到很大值時(shí)，其他次諧波電流一般會(huì)是較小值。電弧爐電極間電壓的典型值在100~600V范圍，其中電極壓降約為40伏，電弧壓降約為12V/cm、電弧越長(zhǎng)壓降越大。在熔化期電弧爐的電壓變化大，最高和最低電壓可相差2~5倍。由于電弧爐負(fù)荷的隨機(jī)性變化和非線性特征，尤其在熔化期產(chǎn)生隨機(jī)變化的諧波電流，除了離散頻譜外、還含有連續(xù)頻譜分量。含偶次諧波，表明電弧電流的正、負(fù)半周期不對(duì)稱；含連續(xù)頻譜和間諧波，表明電弧電流的變化帶有非周期的隨機(jī)性。在熔化期三相不平衡電流含有較大的負(fù)序分量。當(dāng)一相熄弧另兩相短路時(shí)，電流的基波負(fù)序分量與諧波的等值負(fù)序電流可達(dá)正序的50%~70%。這將引起公共供電點(diǎn)的電壓不平衡，對(duì)電機(jī)的安全運(yùn)行影響較大，尤其對(duì)大電機(jī)的影響更為嚴(yán)重。實(shí)際上電弧爐最重要的影響還不是諧波問題，而是電壓波動(dòng)和閃變。大型電弧爐會(huì)引起對(duì)電網(wǎng)的劇烈擾動(dòng)，有的大型爐的有功負(fù)荷波動(dòng)，能夠激起鄰近的大型汽輪發(fā)電機(jī)的扭轉(zhuǎn)振蕩和電力系統(tǒng)間聯(lián)絡(luò)線上的低頻振蕩。此類沖擊性負(fù)荷會(huì)引起電網(wǎng)電壓波動(dòng)。頻率在6~12HZ范圍內(nèi)的電壓波動(dòng)，即使只有1%，其引起的白熾燈照明的閃光，已足以使人感到不舒服，甚至有的人會(huì)感到難以忍受。尤其是電弧爐在接入短路容量相對(duì)較小的電網(wǎng)時(shí)，它所引起的電壓波動(dòng)（有時(shí)還包括頻率波動(dòng)）和三相電壓不平衡，會(huì)危害連接在其公共供電點(diǎn)的其他用戶的正常用電。電弧爐的基波負(fù)序電流也較大，熔化期平均負(fù)序電流為基波正序電流的20%左右。最大負(fù)序電流都發(fā)生在兩極短路時(shí)，但這時(shí)諧波電流含量不大。必須指出，電弧爐的電壓波形變化是隨機(jī)性的，所以當(dāng)數(shù)臺(tái)電弧爐同時(shí)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，它們引起的各種擾動(dòng)不會(huì)和電弧爐的臺(tái)數(shù)成正比，而是要小一定數(shù)值，一臺(tái)30t的電弧爐的電能擾動(dòng)影響比6臺(tái)5t電弧爐的影響要大得多。從閃變影響來講，6臺(tái)5t的電弧爐尚不及一臺(tái)10t爐的影響大。電弧爐的諧波影響也是主要取決于最大一臺(tái)爐的容量，而較少信賴多臺(tái)爐的總?cè)萘俊鴥?nèi)外經(jīng)驗(yàn)表明，"超高功率"電弧爐有時(shí)成為當(dāng)?shù)刈钪匾C波源和多種擾動(dòng)源。但對(duì)于短路容量很小的電網(wǎng)，小電弧爐也能成為重要的諧波源。以下是某電弧爐在熔化期的閃變和諧波的數(shù)據(jù)。被測(cè)設(shè)備：三相交流電弧爐，額定工作電壓：260V，額定電流：12000A，功率：5500Kw上圖表示電弧開始熔化煉鋼時(shí)的電壓中含有大量的瞬態(tài)電壓浪涌，最大尖峰值達(dá)到448V，平均每小時(shí)的發(fā)生頻率達(dá)到633600次。上圖顯示即使在熔清狀態(tài)，電壓中仍然含有大量的閃變，達(dá)到168400次，尖峰值達(dá)到352V。通過對(duì)熔化期電壓諧波總畸變率進(jìn)行連續(xù)測(cè)試，得到如下數(shù)據(jù)：
加料后熔化期末期的電壓諧波總畸變率7.0%連續(xù)測(cè)試的電壓諧波總畸變率數(shù)據(jù)及變化如下圖表：
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