二手電爐變壓器再利用的技術分析

1 簡述

　 某公司為了縮短工程周期，減少初期投入，從美國一家鋼廠購進一座120t的二手交流電爐，該電爐是于1999年投產的FU CHS電爐，電爐變壓器由ABB(挪威)EB變壓器公司提供，該電爐在美國建成后實際生產時間在一年半左右，從設備外觀上看，狀態完好，具有較大的再利用價值。在不做大的改造前提下，異地恢復這套電爐設備，可以迅速投入生產。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的關鍵。由于美國電網容量、電壓等級、電源頻率和國內有較大的區別，在國內如何恢復該類電爐，如何高效利用這套二手電爐變壓器設備，需要從技術上進行認真分析，確定重新利用的方案。

2 系統分析

　 電弧爐煉鋼的工況造就了它對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，二次電壓調節要有足夠的寬度，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有一個直流4Ω的電抗器，這是高阻抗交流電弧爐的特征;從整個系統看，僅配備了FC系統，FC系統由常補回路和三次、五次、七次消諧回路組成.沒有TCR動補回路.這和國內有較大不同。這樣設計是因為美國電網短路容量很大.抗沖擊能力強.電爐煉鋼所產生的負序電流、不平衡電流、諧波、閃變等反映到主網上，其值所占比例很小，因此不用投資TCR系統就能達標。而在國內，電網短路容量小，如果按照美國的設計進行簡單的恢復，其負序電流、諧波、閃變等指標均不能符合國內標準。因此，異地恢復必須對一次回路進行重新設計。

　 異地安裝后，供電頻率、電壓等級、消諧和無功補償等參數都必須重新選擇，否則會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參數:

　　　 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。

　　　 聯結組別:一次側:D二次側:開口d

　　　 調壓方式:有載調壓，18擋

　　　 冷卻方式:強油水冷(ODWF)

　　　 安裝方式:戶內式

　　　 設計結構:殼式

　 從提供的變壓器有載調壓開關參數表(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，二次電壓靠有載調壓開關進行調節，有載調壓開關主要調節一次繞組的匝數，二次繞組的匝數是不可調的，但不論它如何調節，它依然會遵循電磁感應定律。二手電爐利用的關鍵問題是如何將原有的60H z電爐變壓器應用于國內50Hz電源頻率的條件下。

　 根據電磁感應定律:E₁= 4.44fwω₁Φm

Φ=BS

　 所以: E₁= 4.44fwω₁BS

　 式中:E₁—原繞組電勢;

　　　　　f—電源頻率;

　　　　　ω₁—原繞組匝數;

　　　　　B-磁通密度;

　　　　　S-鐵芯截面積。

　 一個制成的變壓器的繞組總匝數、鐵芯截面積是不變的;在變壓器設計制造過程中，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下，運用在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、鐵芯截面、磁通密度的情況下，根據電磁感應定律有:

　　　 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

　 在最高擋時的二次電壓為:

　　　 1175×50/60= 979V

　 從計算中可以看出，在最高擋位時，為了避免二次電壓畸變和過激磁，要保持鐵芯的磁勢不變，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: ，根據提供的參數I= 1422A，則E=1.732×28750×1422=70. 8MVA。

　 按此結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，電爐的冶煉周期會拉長，噸鋼電耗會增加，產量會下降;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內電壓等級相差太遠，又會影響到精煉爐變壓器的訂貨和選型。

　 對電爐變壓器的一次電壓選擇其他電壓等級情況進行分析。

　 首先，分析變壓器的磁通密度，對一次電壓選用34.5kV和33kV進行磁通密度計算，計算結果略。

　 一般情況下，電爐變壓器在制造過程中的磁通密度最高點在二次電壓最高點。自20世紀80年代后期，隨著冷軋晶粒有取向硅鋼片的發展，變壓器制造廠家把磁通密度最高點時的B值取在1.70左右，因此通過經驗公式，計算出了磁通密度表(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，調壓開關許多檔位的磁通密度太高，如磁通密度太高會造成變壓器二次電壓畸變和過激磁，變壓器三次諧波會增加，鐵心可能怪叫，發熱增加，變壓器壽命會縮短。如果按照變壓器硅鋼片的導磁特性選擇變壓器一次電壓，當變壓器一次電壓選擇34.5kV，那么，有載調壓開關的11擋到18擋將不能使用，當變壓器一次電壓選擇為33kV時，那么，有載調壓開關的13擋到18擋將不能使用。

3 采用的方法

　 經過分析認為，變壓器一次電壓選擇34.5kV時，電爐的弧壓調節范圍太窄。根據電爐冶煉工況考慮變壓器一次電壓選擇33kV時，弧壓調節范圍較為合適，變壓器的最大傳輸功率也可達到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，權衡這幾個方面的原因，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單線見圖2。

 

圖2　 確定后的供電系統單線圖

　

　 根據當地電網的短路容量和頻率改變后三次諧波增加等因素，增加了動態補償及濾波裝置，根據初步計算，該系統上了SVC系統之后，系統功率因數可以恒定在0.95以上，因此，即便電爐變壓器的一次電壓下降了，但隨著系統功率因數的提高，向電爐實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，變壓器發熱量會增加，以及原有變壓器冷卻油泵因為電壓和頻率與國內有所不同等因素，原有油泵必須更換。在重新訂購變壓器油泵時，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，對整個變壓器系統來說抗短路沖擊能力會減少，有不利的一面，但電抗器自身損耗減小了又有有利的一面。因而，在弧壓調節控制上和有載調壓開關操作上要充分考慮到這兩個方面的辯證關系。當有載調壓開關操作時要盡量選擇合適的擋位，避免對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，變壓器有載調壓開關最高檔選在12擋較為適宜，經過分析認為最高擋選在13擋更經濟，其效果如何還有待通過生產實踐的驗證。