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