75
110
140
120
115
115
80
118
66
12001070
1000
960
960
950
925
901
900
884
850
5.36.3
5.4
4.6
3.6
4.2
4.8
4.5
5.7
4.4
5.0
4 高阻抗电弧炉抑制电压波动原因分析
从电弧炉炼钢来看，工作短路是不可避免的，它经常是在熔化期内当点弧或塌料时发生。点弧时所发生的工作短路持续时间一般不超过1～2s，这对电网危害不大，因为，短路持续时间很短。而炉料塌陷时的短路持续时间取决于电极移动速度及塌料深度。塌料深浅不同，相差悬殊，但在实际炼钢过程中，很少遇到超过250mm的塌料深度。高阻抗电弧炉的电弧长度普遍大于250mm，本文中援引的例子，其电弧长度为350mm，所以，它在炉料塌陷时也不致于造成电极短路。电极同炉料短路时无功功率最大，则其引起的电网电压波动也是最大，因为，电网电压波动是由无功功率变化引起的，这可由下式说明。
Δu=
×100％ （8）
式中：ΔQ为电弧炉无功功率变化量（Mvar）；
SDR为供电点（35kV），供电系统短路容量（MVA）。
综上所述，高阻抗电弧炉运行在较高的功率因数下（0.82以上），且不产生电压闪变，这是因为电极和炉料之间保持较长距离，它使电弧长度变化百分数小，则二次电流和一次电压变化率（Δu/u）也小，因此，电压闪变就减少了。由于以上理由，高阻抗电弧炉绝对用不着装设静止式无功功率动态补偿装置（SVC装置）。根据德马格公司和丹澳利公司资料介绍，他们的高阻抗电弧炉在世界各地运行，全部不配装SVC装置。
电弧炉引起电压波动的另一重要原因，过去一直鲜为人知，近年来在许多台大型电弧炉上测试得知：交流电弧炉的电压波动，在很大程度上是由于电极升降系统的机械共振所引起的。实践证明，在交流电弧炉变压器高压侧串联电抗器，采用高阻抗，长电弧运行方式，限制电流变化率，就能有效地降低机械共振，因为，机械共振是由电流变化引起的。
图4示出了机械共振对电压波动的影响。由图4可见，交流高阻抗电弧炉无机械谐振，其电压波动幅值仅为5V左右。
图4 机械共振对电压波动的影响曲线图
综上所述，交流高阻抗电弧炉从根本上消除了由机械共振引起的供电电网电压波动和电压闪变，这比采用SVC装置要优越得多。
5 高阻抗电弧炉抑制电压波动实例
前已述及，电压波动是由无功功率波动引起的，下面援引国外高阻抗电弧炉与普通电弧炉的无功功率波动对比实例。
意大利丹澳利公司（DANIELI）提出了高阻抗电弧炉和普通电弧炉的无功功率波动范围，以资对比[4]。图5为高阻抗电弧炉的无功功率对电流的波动范围，图中Q为无功功率，I为电极电流。由图5中可看出，当电极电流变化为ΔI=30kA时，引起无功功率变化为ΔQ≤50Mvar，有功功率变化为ΔP=7MW。
(a) 基本线路图
(b) 功率/电流参数
图5 高阻抗电弧炉基本线路与功率曲线图
条件完全相同的普通电弧炉的无功功率对电流的波动范围示于图6。由图6可看出，当电极电流同样变化30kA时，其无功功率波动值竟达到60Mvar以上，有功功率变化为ΔP=13MW。由以上两组数据可以看出，高阻抗电弧炉与普通电弧炉相比，在同样条件下，前者的无功功率波动值和有功功率波动值均低于后者，因而高阻抗电弧炉的电压波动也减小了。
(a) 基本线路图
(b) 功率/电流参数
图6 普通电弧炉基本线路与功率曲线图
图7示出了美国联合碳化物公司提出的普通电弧炉（图7a）和高阻抗电弧炉（图7b）的输入功率波动记录曲线[3]。由图7(b)可以看出，增加电抗后，输入功率提高，电弧功率稳定。显然，对于传统的电抗低的普通电弧炉而言，由于没有电抗器，炼钢工作者选择在很高的功率因数下运行，在炉料熔化期，电压档位在最高档位，有功功率约20MW～50MW；而与此相对应的有串联电抗器的高阻抗电弧炉，在功率因数合适的情况下，能够得到较小的电极电流，结果，在最高电压档位运行时，有功功率约62MW～70MW，波动明显减小。这种运行方式，有功功率高，电弧连续性好，对电网冲击小，因而，抑制了电压波动。
(a) 普通电弧炉
(b) 高阻抗电弧炉
图7 炼钢电弧炉的功率波动记录曲线
6 高阻抗电弧炉的运行优势
德国曼内斯曼·德马格公司于1992年将1台60t（40MVA）超高功率电弧炉改造成高阻抗超高功率电弧炉。表2列出改造前和改造后的运行参数对比[2]。
表2 普通电弧炉和高阻抗电弧炉参数对比 改造前（普通电弧炉） 改造后（高阻抗电弧炉） 变压器额定容量/MVA 30 40 变压器二次电压/V 430 860 变压器二次电流/kA 40.3 26.9 电抗器容量/Mvar 0 11.7 电抗器电抗（二次侧）/mΩ 0 5.4 炉子短路阻抗/mΩ 30.8 9.57 主电路总阻抗/mΩ 6.16 18.49 电极直径/mm 508 406 功率因数/cosφ 0.83 0.84 有功功率/MW 25.1 32.8 电弧功率/MW 22.6 31.1 电弧长度/mm 150 350 电效率/％ 90.3 94.7 电极消耗/(kg/t) 2.6 1.9 冶炼时间/min 72 50
由表2可以看出，改成高阻抗操作模式后，同样一台变压器，容量充分发挥，达到40MVA。这是由于二次电流降低，二次电压提高的缘故。相反，在低阻抗运行时，由于二次电流太大（40.3kA），变压器二次绕组导线截面受到限制，二次电压又太低，所以只能达到30MVA。
改成高阻抗电弧炉后，许多指标均得到改善：电效率由90.3％提高到94.7％，可节省电能20kW·h/t，即节电4.5％；电弧功率由22.6MW增加到31.1MW；弧长由150mm增加到350mm；电极消耗由2.6kg/t降低到1.9kg/t，即降低28％；冶炼时间由72min减少到50min，缩短30％；生产率得到大幅度提高。在这些指标当中，电极消耗指标最好，这是由于电弧炉炼钢的主要生产成本是电能消耗和石墨电极消耗的费用。而电极消耗又分为两部分：
1)端部消耗，它与电极电流的二次方成正比，与通电时间成正比；
2)侧面消耗，它取决于出钢至送电的间歇时间和炉子废气中的氧含量。
综上所述，为了降低生产成本，最重要的是采用低的电极电流和缩短出钢至送电的间歇时间。假定2台炉子的间歇时间相同，则电极的侧面消耗相同，欲使电极消耗降低，便归结为低端部消耗降低。由于
Wt=ftip×Wtot （9）
Wt=KIe2（10）
式中：Wtot为总电极消耗；
Wt为电极端部消耗；
ftip为端部消耗与总消耗之间的比例系数，对于交流电弧炉ftip=0.5；
Ie为电极电流；
K为常数。
根据式（9）和式（10），若将高阻抗电弧炉与传统的低阻抗电弧炉在电极端部消耗方面进行比较，省去推导，可得式（11）。
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