1 簡(jiǎn)述

　 某公司為了縮短工程周期，減少初期投入，從美國(guó)一家鋼廠購(gòu)進(jìn)一座120t的二手交流電爐，該電爐是于1999年投產(chǎn)的FU CHS電爐，電爐變壓器由ABB(挪威)EB變壓器公司提供，該電爐在美國(guó)建成后實(shí)際生產(chǎn)時(shí)間在一年半左右，從設(shè)備外觀上看，狀態(tài)完好，具有較大的再利用價(jià)值。在不做大的改造前提下，異地恢復(fù)這套電爐設(shè)備，可以迅速投入生產(chǎn)。電爐的核心是變壓器，高效、安全地使用變壓器是保證電爐正常生產(chǎn)的關(guān)鍵。由于美國(guó)電網(wǎng)容量、電壓等級(jí)、電源頻率和國(guó)內(nèi)有較大的區(qū)別，在國(guó)內(nèi)如何恢復(fù)該類電爐，如何高效利用這套二手電爐變壓器設(shè)備，需要從技術(shù)上進(jìn)行認(rèn)真分析，確定重新利用的方案。

2 系統(tǒng)分析

　 電弧爐煉鋼的工況造就了它對(duì)電爐變壓器有非常高的要求:首先，電爐變壓器要有足夠的容量;其次，要有足夠的抗短路能力;同時(shí)，二次電壓調(diào)節(jié)要有足夠的寬度，另外變壓器本身還要具有一定的抑制三次諧波能力。該電爐是高阻抗三相交流電弧爐，在美國(guó)鋼廠電爐的一次供電單線圖如圖1所示。

 

圖1　 120t電爐原供電單線圖

　

　 從供電單線圖上可以看出，電爐變壓器的前端每相都串聯(lián)有一個(gè)直流4Ω的電抗器，這是高阻抗交流電弧爐的特征;從整個(gè)系統(tǒng)看，僅配備了FC系統(tǒng)，F(xiàn)C系統(tǒng)由常補(bǔ)回路和三次、五次、七次消諧回路組成.沒有TCR動(dòng)補(bǔ)回路.這和國(guó)內(nèi)有較大不同。這樣設(shè)計(jì)是因?yàn)槊绹?guó)電網(wǎng)短路容量很大.抗沖擊能力強(qiáng).電爐煉鋼所產(chǎn)生的負(fù)序電流、不平衡電流、諧波、閃變等反映到主網(wǎng)上，其值所占比例很小，因此不用投資TCR系統(tǒng)就能達(dá)標(biāo)。而在國(guó)內(nèi)，電網(wǎng)短路容量小，如果按照美國(guó)的設(shè)計(jì)進(jìn)行簡(jiǎn)單的恢復(fù)，其負(fù)序電流、諧波、閃變等指標(biāo)均不能符合國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)。因此，異地恢復(fù)必須對(duì)一次回路進(jìn)行重新設(shè)計(jì)。

　 異地安裝后，供電頻率、電壓等級(jí)、消諧和無功補(bǔ)償?shù)葏?shù)都必須重新選擇，否則會(huì)直接影響到電爐變壓器的高效安全使用。

　 電爐變壓器的原有基本技術(shù)參數(shù):

　　　 額定容量:85MVA,基于繞組溫升55℃　95.2 MVA,基于繞組溫升65℃

　　　 頻率:60Hz

　　　 一次電壓:34.5kV

　　　 二次電壓:1175V~900V~750V;其中1175V~900V為恒功率，900V~750V為恒電流。

　　　 聯(lián)結(jié)組別:一次側(cè):D二次側(cè):開口d

　　　 調(diào)壓方式:有載調(diào)壓，18擋

　　　 冷卻方式:強(qiáng)油水冷(ODWF)

　　　 安裝方式:戶內(nèi)式

　　　 設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu):殼式

　 從提供的變壓器有載調(diào)壓開關(guān)參數(shù)表(略)可以看出，該電爐變壓器的前6擋是恒電流擋，后12擋是恒功率擋，在前6擋，二次電壓是逐步升高的，電流不變;后12擋是二次電壓升高二次電流逐步下降，這是電爐工況所要求的，二次電壓靠有載調(diào)壓開關(guān)進(jìn)行調(diào)節(jié)，有載調(diào)壓開關(guān)主要調(diào)節(jié)一次繞組的匝數(shù)，二次繞組的匝數(shù)是不可調(diào)的，但不論它如何調(diào)節(jié)，它依然會(huì)遵循電磁感應(yīng)定律。二手電爐利用的關(guān)鍵問題是如何將原有的60H z電爐變壓器應(yīng)用于國(guó)內(nèi)50Hz電源頻率的條件下。

　 根據(jù)電磁感應(yīng)定律:E₁= 4.44fwω₁Φm

Φ=BS

　 所以: E₁= 4.44fwω₁BS

　 式中:E₁—原繞組電勢(shì);

　　　　　f—電源頻率;

　　　　　ω₁—原繞組匝數(shù);

　　　　　B-磁通密度;

　　　　　S-鐵芯截面積。

　 一個(gè)制成的變壓器的繞組總匝數(shù)、鐵芯截面積是不變的;在變壓器設(shè)計(jì)制造過程中，為了減少渦流損耗以及抑制三次諧波，變壓器一次電源的頻率決定了所采用硅鋼片的厚度，頻率越高硅鋼片的厚度越薄。即在相同條件和相同材質(zhì)下，運(yùn)用在60Hz電源下的變壓器使用的硅鋼片比在50Hz電源下使用的變壓器硅鋼片要薄。變壓器的鐵芯是由帶有絕緣涂層的硅鋼片按照一定的形狀疊加而成，相同截面積的鐵芯如果用不同厚度硅鋼片的磁阻是不同的。在不改變繞組匝數(shù)、鐵芯截面、磁通密度的情況下，根據(jù)電磁感應(yīng)定律有:

　　　 E₁/ E₂=f₁/ f₂= 60/50= 1.2

　 變形有:E₂= E₁ f₂ /f₁

　 己知: E₁= 34.5kV;.f₂= 50Hz;. f₁= 60Hz;

　 那么一次電壓: E₂= 34.5×50/60= 28.75kV

　 在最高擋時(shí)的二次電壓為:

　　　 1175×50/60= 979V

　 從計(jì)算中可以看出，在最高擋位時(shí)，為了避免二次電壓畸變和過激磁，要保持鐵芯的磁勢(shì)不變，在50Hz工頻電源的情況下，一次電壓不能超過28.75kV;變壓器的視在功率為: ，根據(jù)提供的參數(shù)I= 1422A，則E=1.732×28750×1422=70. 8MVA。

　 按此結(jié)果變壓器輸出功率要減少14MVA，二次電壓要下降近196V，在爐型不改的情況下，電爐的冶煉周期會(huì)拉長(zhǎng)，噸鋼電耗會(huì)增加，產(chǎn)量會(huì)下降;另外，該廠打算將電爐變壓器和精煉爐變壓器掛在同一電壓母線上，如果電爐變壓器選用一次電壓和國(guó)內(nèi)電壓等級(jí)相差太遠(yuǎn)，又會(huì)影響到精煉爐變壓器的訂貨和選型。

　 對(duì)電爐變壓器的一次電壓選擇其他電壓等級(jí)情況進(jìn)行分析。

　 首先，分析變壓器的磁通密度，對(duì)一次電壓選用34.5kV和33kV進(jìn)行磁通密度計(jì)算，計(jì)算結(jié)果略。

　 一般情況下，電爐變壓器在制造過程中的磁通密度最高點(diǎn)在二次電壓最高點(diǎn)。自20世紀(jì)80年代后期，隨著冷軋晶粒有取向硅鋼片的發(fā)展，變壓器制造廠家把磁通密度最高點(diǎn)時(shí)的B值取在1.70左右，因此通過經(jīng)驗(yàn)公式，計(jì)算出了磁通密度表(略)。從表中可以看出，工頻為50Hz的情況下，一次電壓選擇34.5kV或35kV是不合適的，調(diào)壓開關(guān)許多檔位的磁通密度太高，如磁通密度太高會(huì)造成變壓器二次電壓畸變和過激磁，變壓器三次諧波會(huì)增加，鐵心可能怪叫，發(fā)熱增加，變壓器壽命會(huì)縮短。如果按照變壓器硅鋼片的導(dǎo)磁特性選擇變壓器一次電壓，當(dāng)變壓器一次電壓選擇34.5kV，那么，有載調(diào)壓開關(guān)的11擋到18擋將不能使用，當(dāng)變壓器一次電壓選擇為33kV時(shí)，那么，有載調(diào)壓開關(guān)的13擋到18擋將不能使用。

3 采用的方法

　 經(jīng)過分析認(rèn)為，變壓器一次電壓選擇34.5kV時(shí)，電爐的弧壓調(diào)節(jié)范圍太窄。根據(jù)電爐冶煉工況考慮變壓器一次電壓選擇33kV時(shí)，弧壓調(diào)節(jié)范圍較為合適，變壓器的最大傳輸功率也可達(dá)到81MVA, 容量下降并不大。另外，電源頻率降低后，感抗下降，抗短路容量也隨之下降，認(rèn)為使用該變壓器降容較為安全。其次，考慮到電爐變壓器和精煉爐變壓器要掛在同一母線上，一次電壓也不能太低，權(quán)衡這幾個(gè)方面的原因，最終電爐變壓器的一次電壓選用33kV,33kV供電電源確定后的供電系統(tǒng)單線見圖2。

 

圖2　 確定后的供電系統(tǒng)單線圖

　

　 根據(jù)當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)的短路容量和頻率改變后三次諧波增加等因素，增加了動(dòng)態(tài)補(bǔ)償及濾波裝置，根據(jù)初步計(jì)算，該系統(tǒng)上了SVC系統(tǒng)之后，系統(tǒng)功率因數(shù)可以恒定在0.95以上，因此，即便電爐變壓器的一次電壓下降了，但隨著系統(tǒng)功率因數(shù)的提高，向電爐實(shí)際輸入的有功功率并未有太多下降。另考慮到變壓器改頻后鐵損增加，變壓器發(fā)熱量會(huì)增加，以及原有變壓器冷卻油泵因?yàn)殡妷汉皖l率與國(guó)內(nèi)有所不同等因素，原有油泵必須更換。在重新訂購(gòu)變壓器油泵時(shí)，特意將油泵流量放大了一些，由原來的270m³/h增加到300m³/h，從而增加了變壓器油水換熱器的冷卻能力。另一方面，供電頻率改變后，變壓器前置電抗器其感抗要下降，對(duì)整個(gè)變壓器系統(tǒng)來說抗短路沖擊能力會(huì)減少，有不利的一面，但電抗器自身?yè)p耗減小了又有有利的一面。因而，在弧壓調(diào)節(jié)控制上和有載調(diào)壓開關(guān)操作上要充分考慮到這兩個(gè)方面的辯證關(guān)系。當(dāng)有載調(diào)壓開關(guān)操作時(shí)要盡量選擇合適的擋位，避免對(duì)電爐變壓器造成大的沖擊。按照ABB公司的建議，在33kV,50Hz工頻下使用時(shí)，變壓器有載調(diào)壓開關(guān)最高檔選在12擋較為適宜，經(jīng)過分析認(rèn)為最高擋選在13擋更經(jīng)濟(jì)，其效果如何還有待通過生產(chǎn)實(shí)踐的驗(yàn)證。