高阻抗電弧爐的供電電路
高阻抗電弧爐是一種高效率的新型煉鋼爐，它具有一系列突出的優點：能大幅度地降低電能和電極消耗、能顯著地減少對供電電網的短路沖擊和諧波污染。
高阻抗電弧爐吸取了近25年來出現的所有電弧爐煉鋼新技術，再加上泡沫渣的成功應用，使得一直發展緩慢的交流電弧爐在電弧穩定性、效率和對電網短路沖擊減少方面均可同直流電弧爐相媲美。
本文介紹了帶飽和電抗器和固定電抗器的高阻抗電弧爐。前者具有高超的伏安特性，使短路電流很小，基本上達到了恒電流電弧爐特性。
1 高阻抗電弧爐的供電電源
1.1 對供電可靠性的要求
電弧爐屬于熱加工設備，如果中途停電，會造成很大的損失：使電耗和原材料增加，使產品質量下降，甚至造成整爐鋼水報廢，爐子越大損失越大。根據有關規范規定，電弧爐屬于二級負荷。
對于爐子容量在50t及以上的電弧爐通常由兩路獨立高壓電源供電，爐容較小的可由一路高壓電源供電。
1.2 公共供電點的確定
電弧爐的公共供電點系指其與電力系統相連接的供電點，并接有其他用戶負荷。對公共供電點的要求主要考慮以下因素：
1）供電變壓器容量要能適應電弧爐負荷特性的要求；
2）由電弧爐負荷引起的公共供電點的電壓波動和電壓閃變值、以及諧波電流值不得超過國標GB14549-93中的允許值；
3）由電弧爐負荷引起的公共供電點的電壓不對稱度不得超過2％。
電弧爐的公共供電點有兩種情況，其一是電弧爐系統直接與電力系統相連接；其二是電弧爐系統通過企業總變電所與電力系統相連接。電弧爐一般不由車間變電所供電。
當電弧爐由企業總變電所母線供電時，為了防止對其他負荷供電質量產生不良影響，一般要求供電變壓器的容量為電爐變壓器容量的2.5倍以上。當不能滿足此要求時，或增大供電變壓器容量；或采用專用中間變壓器供電，這需要經過技術經濟比較來確定。
當采用專用中間變壓器供電時，該變壓器容量的選擇，應與電爐變壓器經常過負荷運行狀態相適應。此時，供電變壓器二次側的電壓波動可不受限制；當供電變壓器二次側裝有無功功率動態補償裝置時，該變壓器容量應按補償后的負荷情況選擇。
2 高阻抗電弧爐的主電路
高阻抗電弧爐主電路與傳統電弧爐主電路的主要區別在于前者的主電路中串聯一臺很大的電抗器。它使電弧連續穩定地燃燒、電弧電流減小、電弧電壓提高、電弧功率加大、電效率提高、諧波發生量及對供電電網的沖擊減小。
由于高阻抗電弧爐的工作電流小，所以其二次載流導體、短網的截面積小，這也是高阻抗電弧爐的優越性。
電抗器分為固定電抗器和飽和電抗器兩種。前者的缺點是不能自動調節電抗值。當工藝改變，需要改變電抗時，要提起電極、斷電，然后才能改變電抗；而飽和電抗器則能根據爐況，自動地改變電抗值，基本上達到了恒電流電弧爐操作。
下面對帶有不同電抗器的高阻抗電弧爐分別進行討論。
2.1 帶固定電抗器的高阻抗電弧爐
在高阻抗電弧爐中，采用高電壓、低電流、長電弧作業時，選擇合適的功率因數，并有合適的系統電抗以達到穩定操作是至關重要的。在大多數情況下，必須采用電抗器與電爐變壓器串聯。帶有固定電抗器的高阻抗電弧爐主電路圖如圖1所示。
圖1 帶固定電抗器的主電路
這種高阻抗電弧爐的設計特點如下：
1）因電抗器電感的儲能效應和高起弧電壓的動態特性所獲得的穩定起弧條件，導致高集成功率輸入；
2）短路電流小，當廢鋼塌陷時，電極、電極臂和電纜上的電流小，因此，電極損壞的危險性小，機械磨損也少；
3）電極電流波動小，因而對電網的干擾也小；
4）電抗器線圈常常作成抽頭式，以便根據不同工藝需要改變電抗值；
5）當電抗器串聯連接于電路中時，電抗器的感抗相對值可按式（1）計算，
XK％=100×（QK/Se）％（1）
式中：QK為電抗器的額定容量，kvar；
Se為電弧爐變壓器額定容量，kVA。
6）串聯電抗器和變壓器一樣，都是在重負荷情況下運行，因此，對其熱穩定性和機械強度要求較高；
7）對現有電弧爐變壓器及短網系統稍加改進，即可實現高阻抗化。
折合到變壓器二次側的系統總電抗對電弧爐操作過程的影響可以用下列關系式表示（這里假設有強有力的三相平衡供電電網）：
有功功率 P=/IMAGE/10170093.JPG)
UIcosΦ（2）
UIcosΦ（2） 或 P=3I2/IMAGE/10170094.JPG)
（3）
（3） 功率因數 cosΦ=R/IMAGE/10170095.JPG)
（4）
（4） 電極電流 I=/IMAGE/10170096.JPG)
（5）
（5） 電弧電壓 Uarc=(X/tanΦ－R)/IMAGE/10170097.JPG)
（6）
（6） 電弧功率 Parc=3UarcI（7）
式中：U為變壓器二次電壓；
Uarc為電弧電壓；
I為電極電流；
X為折合到變壓器二次側的系統總電抗；
R為折合到變壓器二次側的系統總電阻；
P為有功功率；
Φ為相位角。
由式（5）可明顯看出：對于同樣的功率和功率因數，提高電抗就可以降低電極電流。
為了說明不同的系統總電抗對電弧爐操作的影響，表1給出了丹涅利公司3臺同樣容量（90MVA）、不同電抗器的電弧爐的運行實例。
表1 不同系統總電抗時的電弧爐運行數據（90MVA）
| 實例 | A | B | C |
|---|---|---|---|
| 變壓器二次電壓/V | 800 | 1025 | 1100 |
| 系統總運行電抗＊/mΩ | 4.0 | 6.8 | 8.2 |
| 電極電流/kA | 65 | 50 | 50 |
| 有功功率/MW | 74.4 | 72.7 | 72.8 |
| 電弧功率/MW | 70.6 | 70.4 | 70.5 |
| 損耗功率/MW | 3.8 | 2.3 | 2.3 |
| 功率因數 | 0.83 | 0.82 | 0.81 |
| 電弧電壓/V | 362 | 469 | 470 |
| 短路電流＊＊/kA | 138 | 104 | 93 |
| 短路電流倍數 | 2.123 | 2.08 | 1.86 |
＊系統總運行電抗XOP=1.2×XSC，其中XSC=短路電抗。
＊＊根據短路電抗的計算值。
實例A為典型的傳統電弧爐設計，而實例B則是設計成較高的電抗和低電流操作，電弧功率與實例A相同，其電極電流只有50kA，實例A為65kA。實例C則是完全按照高阻抗電弧爐設計的，其二次電壓高達1100V，系統運行總電抗為8.2mΩ，電極電流為50kA，損失功率很小，只有2.3MW，電效率非常高。短路電流小，只有93kA，短路電流倍數僅為1.86倍。其優點是對電網的沖擊減小，使電弧更加穩定。
這3臺爐子的負荷特性（有功功率、功率因數、電弧功率）分別如圖2和圖3所示。
圖2 有功功率P、功率因數PF與電極電流之間關系
1為A例、2為B例、3為C例、Pm為最大有功功率
圖3 在不同系統電抗時電弧功率與電極電流之間關系
1為A例、2為B例、3為C例
2.2 帶飽和電抗器的高阻抗電弧爐
飽和電抗器是一種在同時有恒定磁場與交變磁場作用下工作的電抗器。飽和電抗器的電抗因其恒定磁場的改變而發生變化的這一特性被廣泛地應用于各種電力調整設備中。利用飽和電抗器的下墜特性來限制短路電流，在真空電弧爐上曾經有成功的應用范例，為了這個目的而使用的電抗器有時被稱為電流補償電抗器。
當高阻抗電弧爐正常工作時，主電路中的電流為額定值，此時飽和電抗器受到最大的磁化作用，它在特性曲線上的工作點如圖4中的a點所示，飽和電抗器的電壓降較小。當爐子一旦發生工作短路時，流經電抗器的交流電流增加了，而直流電流卻保持不變，這時的工作點移到同一曲線上的b點，由圖4可看出，這時飽和電抗器的電壓降很大，從而限制了短路電流。即飽和電抗器的磁化作用自動地隨著主電路所要求的電壓而改變。
圖4 飽和電抗器伏安特性
帶有飽和電抗器的高阻抗電弧爐主電路如圖5所示。飽和電抗器是利用鐵磁材料的非線性磁化曲線進行工作的。每相飽和電抗器可被視為具有兩個繞組的單相變壓器，其中NL線匝與負荷（電爐變壓器）串聯稱作負荷繞組；另一個NC線匝與NL電氣隔離，并通以直流電流（IDC）稱作控制繞組。
圖5 帶有飽和電抗器的主回路圖
飽和電抗器通過控制繞組的安匝數，調節鐵芯的飽和度，只要負荷繞組的安匝數比控制繞組的低（相當于圖4中的a點），則負荷繞組產生的電壓降很低，甚至可忽略不計。如果負荷電流ILMAX≥IDC×NC/NL，鐵芯將會減小飽和度，而負荷電流的任何增量將產生大的磁通量變化，結果在負荷繞組中產生較大的電壓降（相當于圖4中的b點）。這就是產生下墜式伏安特性的理論依據。
通過改變控制電流IDC，就可能在由0至最大允許電流的范圍內控制負荷電流。當負荷電流趨向于超過ILMAX時，飽和電抗器將產生較大的電壓降，將電流限制在ILMAX值之內。通過選擇控制電流，飽和電抗器即能以全電流控制模式或作為峰值限流器進行工作。
2.3 應用實例
意大利FerriereNord鋼廠的80tDANARC交流電弧爐是采用飽和電抗器控制的高阻抗電弧爐。該電弧爐的主要數據如下：
爐殼直徑 5300mm；
電極直徑 600mm；
電極圓直徑 1150mm；
電爐變壓器 55MVA＋20％；
最大有功功率 43MW；
最大次級電壓 985V；
飽和電抗器容量 76MVA；
飽和電抗器勵磁系統 0.4MVA。
圖6示出該爐子的電弧電壓伏安特性。
圖6 帶飽和電抗器電弧爐的電弧電壓伏安特性
Tap（抽頭）15帶飽和電抗器
Tap（抽頭）2、6、10不帶飽和電抗器
3 電抗器的過電壓保護措施
真空斷路器的操作過電壓是由于電路中存在著電感、電容等儲能元件，在開關操作瞬間放出能量，在電路中產生電磁振蕩而出現的過電壓。在電感性負載電路中，真空斷路器的分斷操作會產生嚴重的高頻振蕩波形。曾測到過的最高值約為電源峰值的45倍。高阻抗電弧爐變壓器原方串聯一個很大的電抗器，其電感值非常大，因而產生的分斷過電壓非常高，已運行的高阻抗電弧爐現場也確實證明了這一點，因此，必須采取特別有效的過電壓保護措施。
常用的過電壓保護措施有阻容保護和避雷器保護。前者也有幾種不同方案，但效果最好的方案如圖7所示。
圖7 雙路式RC過電壓吸收裝置
這種雙路式RC過電壓保護器的運行結果表明能夠消除分斷過電壓振蕩，R1C1主要保護相間過電壓，R2C2主要保護對地過電壓。對于用來吸收相間電路存儲能量的R1C1值應選用0.1μF的電容器比較合適。根據《電機工程手冊》第三篇高壓開關設備所述，對于頻繁進行投切操作的電弧爐變壓器的真空斷路器，過電壓保護裝置R1C1選C1=0.1～0.2μF，R1=100Ω。
組合式RC裝置中的C2的接入是為了消除相對地的過電壓，同時又能解決常規三組RC吸收裝置中對地電流過大而燒毀電阻R1的缺陷。西安高壓電器研究所與錦州電力電容器廠合作研制的組合式RC過電壓保護器，已通過鑒定并批量生產，幾年來凡使用該裝置的電路從未發生過過電壓事故。
關于第二種方案，用氧化鋅避雷器截止操作過電壓也有不同方案，效果最好的是三相組合式氧化鋅避雷器，如圖8所示。
圖8 三相組合式金屬氧化物避雷器
它能夠抑制分斷真空斷路器時引起的相間和相對地操作過電壓，達到保護變壓器和防止真空斷路器相間和相對地閃絡的目的，三相組合式金屬氧化物避雷器能實現相間和相對地同時保護，因而一臺三相組合式避雷器可代替4臺普通型避雷器。對35kV電壓，可選用Y0.1W-41/127×41/140型。
用真空斷路器切斷電爐變壓器，通常都是在無載情況下進行操作（保護裝置動作除外）。經驗證明，真空斷路器切斷空載變壓器時，產生的過電壓最高，必須采取加強型的過電壓抑制措施。因此對于高阻抗電弧爐設備來說，采用阻容吸收器（RC）和避雷器雙重保護措施是需要的。其工作原理是用電容器減緩過電壓波頭，用避雷器限制過電壓峰值。因為后者是由放電間隙和氧化鋅非線性壓敏電阻串聯而成的。在產生過電壓時，放電間隙被擊穿，過電壓加在氧化鋅非線性電阻上，其阻值迅速減小，流過的電流迅速增大，這樣就限制了過電壓。
真空斷路器與電抗器之間連線類型和長度與過電壓值也有關系。如果真空斷路器和電抗器之間用電纜連接，由于電纜本身的電感及較大的分布電容，則連接電纜長度與電抗器承受的過電壓有直接函數關系——連接電纜長度與過電壓倍數成反比例關系，即連接電纜越長，電抗器承受的過電壓倍數越低。當連接電纜長度小于6m時，在電抗器的原方必須重復加裝RC吸收器和氧化鋅避雷器。
4 結語
高阻抗電弧爐的基本原理是依靠提高變壓器二次電壓來增加電弧功率、依靠串聯電抗器來穩定電弧和限制短路電流、依靠提高電效率來降低電耗和提高生產率。
帶有飽和電抗器的高阻抗電弧爐能自動調節電抗值，能基本上作到理想的恒電流電弧爐。
在設計高阻抗電弧爐供電電路時，由于串聯電抗器的電感值比較大，導致真空斷路器分斷過電壓大幅度提高，因此，必須采取強有力的過電壓保護措施。即應采取組合式氧化鋅避雷器和四極式阻容吸收器的雙重保護措施。
高阻抗電弧爐中的電抗器必須安裝在變壓器室內，而且要緊靠變壓器安裝。
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