第三章 电弧炉和矿热炉装置

第一节 电炉装置的主电路系统

第3.1.1条 电炉应设置与供电系统连接的专用变压器。

电炉变压器的容量选择，应符合工艺规定的用电制度和变压器允许的过负荷能力，其二次电压和调压方式，应符合工艺过程的要求，其一次电压的选择，应根据供电的技术经济比较确定。

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第3.1.1条
一、电弧炉和矿热电炉根据冶炼工艺要求必须按炉况单独进行调节电流、电压等参数，因此电弧炉和矿热炉与供电网路相联结必须经过每个电炉装置的专用变压器。
二、电炉变压器的容量与产量和冶炼时间关系很大，例如XX化工厂的3台电石炉将其中1台电石炉变压器容量由10MVA换成16．5MVA，日产量由60t增至100t以上。以X钢五厂的公称容量为10t实际装入量为20多吨的炼钢电弧炉来作比较，当变压器容量为5MVA时熔化期为110-120min，而变压器容量为9MVA时熔化期为55—60min。又如XX机修总厂在1，5t炼钢电弧炉上试用4MVA变压器，达到1h炼一炉钢，但其他工序跟不上，工人劳动强度过大；故仍用1，2MVA变压器，2h多炼一炉钢。所以电炉变压器容量的选择应符合工艺操作所规定的用电制度，年产量与其他工序密切配合并考虑到电弧炉变压器有20％的过载能力；既能达到满足工艺要求快速炼钢，节约电能，又避免盲目地增加变压器容量造成投资上的浪费。

三、电炉变压器的二次电压和调压方式应符合工艺过程的要求：二次电压高，功率因数高，电效率高，但电弧长，炉壁损蚀快。最近国内外采用水冷炉壁革新技术解决了炉壁寿命等问题。故目前超高功率电弧炉倾向于采用二次高电压，这样输入功率高，冶炼时间短，产量大。
矿热炉的二次电压值还与炉料的电阻系数大小有关。
四、电炉变压器的一次电压的选择应考虑电炉供电的经济合理性。在电炉容量较大时，一次电压选择得高可省掉降压变压器。例如，XX钢厂50t炼钢电弧炉变压器采用110kV，实测电压波动只有0．36％；但相应要解决110kV频繁操作的操作断路器，增加高压配电装置的费用所以应根据具体情况作技术经济比较来选择电炉变压器的一次电压。
五、为了保证多相电炉的各相功率对称和调节方便，供给同一台电炉的单相电炉变压器的容量、电压等级数值和调压方式应相同。在改建扩建工程中为利用旧有设备可以由两台参数相同的变压器并联供电给一台电炉，XX化工厂由两台参数相同10MVA变压器并联供电，运行情况良好。

第3.1.2条 电炉的供电系统应简单，并应操作方便。单台电炉装置宜由一回路供电。电炉变电所不宜引接向外部供电的高压线路。

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第3．1．2条电弧炉和矿热炉的供电系统应尽量简化，以减少车间复杂操作。根据调查一般采用放射式系统为宜。对具有平稳负荷特性的矿热炉亦有采用干线式供电系统，如XX铁合金厂的矿热炉采用了母线通道式的干线式系统。绝大多数电弧炉都是单回路放射供电。例如XX钢厂50t炼钢电弧炉、XX重机厂和XX钢厂40t炼钢电弧炉均采用单回路放射式架空线路供电，已运行多年，供电可靠，满足生产要求。
为避免操作复杂化，在每台电炉变电所中不应设置属于该电炉以外的母线、开关等电气设备。

第3.1.3条 三相电弧炉工作短路引起供电母线的电压波动值不应超过2.5%，但专供电弧炉用的变电所二次母线的电压波动不应受此限制。当不能满足上述要求时，应采取将电弧炉接到短路容量更大的电网点上等降低电压波动的措施。

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第3．1．3条
一、三相电弧炉工作短路引起供电母线的电压波动值原标准定为5％，此次修订为2．5％，这是根据现行国家有关电能质量标准而订的。
二、炼钢电弧炉的负荷电流在整个冶炼时间具有急剧的冲击特性；熔化期最剧烈，精炼期较平稳，冲击电流大小主要取决于电炉的阻抗参数和冶炼工艺。对不同冲击电流倍数具有不同的冲击频率。冲击电流倍数限3．5倍额定电流。冲击频率则由每小时数十次至数干次。根据实测资料，炼钢电弧炉电压波动在熔化初期的打洞期和二次加料后其幅度、频度均大，随着冶炼的进行通常其电压波动值减小，电压波动幅值△V与其发生频度N，对炼钢电弧炉来说一般具有这样的规律：
N(△V)^α=常数
在精炼期，电压波动显著减少，但在吹氧或加石灰石时钢液面波动，产生短时性电压波动。
30t炼钢电弧炉电压波动值(△V)与发生频度的关系中，α的平均值为4．5。
三、炼钢电弧炉引起的电压闪变一般可分为两种：一种为熔化期在废钢上突发性的电弧短路，产生每秒一次以下的电弧电流变动而引起的电压闪变称为最频繁的闪变，另一种是电弧点弧点在废钢上的移动的同时由于受其他相电流磁场影响使电弧长度不断变化，因而产生每秒数次的电流变动而引起的电压闪变称为周期性电压闪变。XX重机厂20t炼钢电弧炉的电流、电压波形图在熔化期曾测得这种周期性电压闪变。频率为10Hz左右的周期性电压波动
对人眼最不利。
四、炼钢电弧炉引起的电压波动对其他用电设备影响很大，例如：
1．照明灯光闪烁；
2．电视机画面亮度变化，垂直和水平幅度动摇；
3．电动机转速不均，使造纸、制丝不匀，使精加工机床制品光洁度差，严重的产生废品；
4．使电子设备(例如X光机)自控设备工作不正常；
5．影响电渣炉使熔化形成纹点状而影响高级钢的质量；
6．使光电比色仪工作不正常，影响化验结果；
7．使同步电动机声音不正常，使定子压板松动自行震出，线圈松动在槽口处受损。
但炼钢电弧炉引起的电压波动对其他用电设备的影响最主要和最普遍的是照明灯光闪烁，因此国际电工委员会第七十七技术委员会电气设备包括电网的电磁兼容技术委员会明文规定闪变是指照度波动的主要影响，并说明“闪变”词组不应代替“电压波动”。并规定了一台设备在规定条件下试验时可能产生的电压波动限值；并明确说明这些要求不应与用户供电质量相关的要求混淆。
五、国外炼钢电弧炉引起电压波动的计算方法及允许值如下：
1．美国。从实例来说明，两台25MVA变压器的100t电弧炉，这种电炉在熔化开始后30min周期性的电压闪变，单相冲击负荷每秒4～6次、时间4—12周波、cosφ=0．6、11．4MVA，这种周期性电压闪变对眼最不利。采取短路容量最大的230kV系统供电，用二台30MVA的同期调相机进行补偿无功。经计算系统供应0．77的无功，系统电抗为0．03，周期性电压闪变为0．422％，即在120V照明线路上的电压闪变值为0．505V，而允许值为0．45％×120二0．54V。
从上例可以看出美国电炉电压波动是按周期性电压闪变值校验，即每秒4～6次的单相负荷，允许值是在120V线路上不超过0．45％。
每秒1次的更大冲击负荷引起的电压波动允许值在120V线路上不超过IV。
2，独联体。根据原苏联国家标准《电能质量标准)FOCT—13109—87，电压波动允许值如图2所示。电压波动幅值和次数如图3所示。


六、相应的国际电工标准。
国际电工标准最大电压变动允许值见图4所示。

七、由于目前我国电力系统和短路容量与国外先进国家比较要小得多，且电压闪变主要是对人眼感觉出发的，是针对照明照度闪烁而言的；正如国外照度标准不适合目前我国国情一样，故在此条中暂不订入有关电压闪变允许值的数据。我们曾用日本引进的电压闪变测定装置对华东、华北电网进行炼钢电弧炉引起电网电压闪变的测定，由于我国发电容量和短路容量比发达国家小得多，所以实测结果大都不能符合发达国家对电网闪变的标准限值(△V10=0．5％)的要求。

第3.1.4条 有工作短路的电炉装置，应采取限制工作短路电流在电气设备允许范围内的措施。三相电弧炉装置的工作短路电流，不应大于电炉变压器额定电流的3.5倍。当采用电抗器限制短路电流时，电抗器应设旁路开关。

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第3．1．4条在有工作短路的电炉装置中，由于经常出现工作短路，电流将致使电炉装置的变压器等电气设备易于损坏，引起电网过大的电压波动，所以必须采取措施限制在规定值以下。
较小容量的电炉短网阻抗较小，工作短路电流将超过允许值，应在电路中接入电抗器运行以限制冲击电流。
用以限制工作短路电流的电抗器应能在冶炼过程中根据炉况进行调节或切除；炼钢电弧炉的工作短路主要在熔化期产生，在精炼期负荷较为平稳。接入电抗器将使电炉的功率因数降低，并由于电弧电压降低，熔化时间增加而增加电能耗量。
XX拖拉机厂曾对两台5t电炉进行多次试验，当冶炼钢种和操作制度适当时接入电抗器比经常接入电抗器要节约电能70kWh／t，并缩短冶炼时间。
对较大容量的电炉由于短网电抗较大(30t炼钢电弧炉短网电抗值约为31％)，电弧炉的工作短路电流一般能自限在规定值以内。
国外近年来经常省去电抗器是因为变压器调到较低级电压运行与采用串联电抗器有相同效果。

第3.1.5条 三相电弧炉装置主电路系统的导体载流量应按变压器额定容量的120%计算；开关设备和互感器的额定电流可按大于120%选择。

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第3．1．5条由于国内外的炼钢电弧炉变压器一般能在熔化期过负荷20％运行，所以三相电弧炉装置主系统的导体载流量应按电弧炉变压器容量的120％计算；开关设备和互感器的额定电流可按大于上述数值选择。
根据国家专业标准《电弧炉变压器》：炼钢电弧炉变压器在温升试验时应折算到1．2倍额定电流；炼钢电弧炉其均方根值为1．2倍额定电流时，每周期所允许的持续时间不应超过表21的规定。

第3.1.6条 三相电弧炉装置应采用具有频繁操作性能的操作断路器。

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第3．1．6条
一、炼钢电弧炉的负荷很不稳定，熔化期由于工作短路经常使操作断路器带负荷跳闸。另外空载调压的电炉变压器切换二次电压或改变串联电抗器的接线方式时也要操作断路器。据调查每炉钢的操作次数一般平均达7—10次，多则数十次，所以电弧炉操作断路器应允许频繁连续接通和断开负荷电流。
二、我国早年(10t及以下炼钢电弧炉)广泛采用的是多油断路器，从调查几十个厂的工人一致反映这种断路器性能差，几次跳闸后油就碳化，触头无灭弧装置磨损大，容易出事故。例如XX钢厂一年半时间内就发生爆炸事故9起，有一次断路器爆炸起火将整个配电室电气设备烧毁。X钢三厂用此种断路器有一次爆炸开关室墙倒压伤了3人。XX钢厂用此种断路器发生爆炸事故4起；其他厂发生类似事故很多。我国在60年代试制成磁吹式空气断路器。这种断路器用空气作灭弧介质，开断速度较快，断流容量较大，性能比多油断路器有较大改善，运行安全可靠，维修工作量较小，适用于频繁操作，较受炼钢工厂的欢迎。
三、随着我国社会主义建设的发展，首先制成KN—35型空气断路器，其操作寿命超过10000次(一般断路只有1050次)，接着试制成功35kVSF6断路器，利用惰性气体SF6作为绝缘和灭弧介质。这二种断路器在XX重机厂、X钢五厂使用多年，已基本上解决了我国35kV电压等级频繁操作断路器。
四、除上述断路器外，目前我国不少开关厂研制成功真空断路器。这种断路器是将触头封闭在真空管内，灭弧效果好，运行安全，体积小，维修工作量小。但国内目前这种断路器产品质量不统一；有的产生严重的过电压。
五、矿热炉的负荷特性较平稳且多为连续工作制。很少有过电流跳闸和切换电压操作。例如XX铁合金厂全厂十几台矿热炉经常连续运行一两个月而不切换电压，操作断路器几乎不动作，因此矿热炉可以采用少油或多油断路器为操作断路器。在我们调查的几十个铁合金厂50多台矿热炉一般采用少油断路器，长期运行证实可靠。第3.1.7条 电弧炉和矿热炉变压器应采取下列限制操作过电压的措施：

一、在电炉变压器与操作断路器间装设氧化锌避雷器或压敏电阻；

二、在三绕组电炉变压器的三次侧装设氧化锌避雷器或压敏电阻和阻容吸收装置；

三、在电炉变压器的二次侧装设阻容吸收装置。

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第3．1．7条根据各地运行情况，切断空载变压器时产生过电压可能性较高，而电弧炉经常在电极升起后切断空载变压器，所以应在操作断路器与电炉变压器之间装设阀型避雷器以限制切断空载变压器时所产生的过电压(1．5～7．5UH)。XX钢厂50t炼钢电弧炉在操作断路器与电炉变压器之间设有阀型避雷器。XX重机厂100t精炼炉也是这样。
在中性点不接地或经消弧线圈接地的35kV电力网切断空载变压器产生的过电压一般不超过4．0UH，个别可达7．0UH，变压器的励磁电流越小则过电压越小。用装有并联电阻的断路器可以限制切断空载变压器时产生的过电压。
操作断路器在切断变压器——电弧炉时，操作断路器的强制灭弧作用和电弧炉中的电弧不稳定作用合在一起使电流迅速遮断，也会产生很大的过电压。
采用真空断路器为操作断路器时，在试验和运行中均发现操作过电压较严重。
限制操作过电压除采用氧化锌避雷器外，还可以采用阻容吸收装置等办法。
在电炉变压器的二次侧应装设阻容吸装置，这是因为60年代在国外引进的50t炼钢电弧炉只装了110kV避雷器(相间)而无电炉变压器二次侧阻容吸装置曾发生严重二次母线间闪络事故的原因。
在80年代国内某钢厂的2台国产50t炼钢电弧炉由于在三次侧未安装限制操作过电压的设施，在投产后不久电炉变压器的调压线圈(三次线圈)均发生事故，后来在三次线圈加了氧化锌避雷器和电容器。

第3.1.8条 有二台及以上三相电弧炉的工厂宜装设最大电力需量的电子计算机控制装置。

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第3．1．8条由于节能和合理调配电力的需要，供电单位对较大用户都有电力最大需量的要求，为了尽量合理用电，发挥供、用电设备的能力，故在有2台及以上炼钢电弧炉的工厂宜装设最大需量的微电算机控制装置。国内有的钢厂已装设这种装置，效果良好。

第3.1.9条 三相电弧炉高压电源电缆的截面选择应计入高次谐波电流的影响。

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第3．1．9条见第2．0．16条说明。