电炉变压器容量及参数的确定

阎立懿 肖玉光 王立志 李延智 刘一心

（东北大学，沈阳 110004） （长春电炉有限责任公司，长春 130031）

摘 要 本文分析影响变压器额定容量因素与提出提高变压器利用率的措施，以变压器功率利用率为研究对象，给出以废钢作原料的超高功率电炉变压器额定容量确定的表达式，以及变压器二次电压确定方法。结合高阻抗技术，给出超高功率高阻抗电炉电抗容量与变压器技术参数的确定方法，以及确定石墨电极等二次导体截面的思路。并以50吨超高功率高阻抗电炉的设计为例进行说明。

关键词 超高功率 电炉 变压器 高阻抗 冶炼周期

当电炉容量确定后，变压器的容量可参考国内外的电炉样本加以确定。但往往由于用户的条件不同，如原料条件、辅助能源、冶炼品种、冶炼方法、冶炼工艺及工艺流程等不同，使得同容量电炉变压器的容量不尽相同。另外，以废钢作原料的电炉，尤其是超高功率电炉，其变压器必须设恒功率段以满足熔化与快速提温期间不同阶段均能满足大功率供电，即主熔化期或完全埋弧期采用高电压、低电流，又满足快速升温期埋弧不完全或电弧暴露期的低电压、大电流供电。 1 电炉变压器额定容量的确定 1．1 影响变压器容量因素分析

超高功率电炉技术要求不仅变压器额定容量要高，实际投入的功率水平要高，而且变压器利用率要高，工艺及工艺流程要优化，电炉产生的公害要得到有效的抑制[1]。超高功率电炉的功率水平为>700kVA/t，有的已超过1000 kVA/t。超高功率电炉要求变压器时间利用率Tu与功率利用率C2均大于0.75，把电炉真正作为高速熔器。

时间利用率Tu与功率利用率C2分别表示如下[1]： Tut2t3ton （1）

t1t2t3t4tC2P2t2P3t3 （2）

Pn(t2t3)式中 t——冶炼周期，h；t2、t3——熔化与精炼通电时间，总通电时间为ton，h；t1、t4——出钢间隔与热停工时间，非通电时间为toff，h；P2、P3——熔化期与精炼期变压器输出的功率，kVA；Pn——变压器额定容量，kVA。

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分析上式，提高变压器利用率的措施：减少非通电时间，如缩短补炉、装料、出钢以及过程热停工时间，均能提高时间利用率，缩短冶炼时间，提高生产率；减少低功率的精炼期时间，如缩短或取消还原期，采取炉外精炼，缩短冶炼时间，提高功率利用率，充分发挥变压器的能力；减少通电时间，提高功率水平，提高功率利用率以及降低电耗，均能够缩短冶炼时间，提高生产率。

对于“三位一体”短流程中的超高功率电炉，由于实现全程泡沫渣埋弧操作，极短的精炼期时间（几分钟），以及氧化性钢水出钢。所以允许在冶炼过程的大部分时间采用大功率供电，并且P2、P3相同或近似。将（2）式右边的分子分母同乘以cos，并加以整理，便得到变压器额定容量表达式： PnWG60 ，kVA （3）

toncosC2式中 ton——总通电时间，min；cos——功率因数，一般为0.8～0.85；C2——变压器功率利用率；Ｗ——电能单耗，kWh/t；G——出钢量，t。

由（3式）看出当电炉的出钢量与平均功率因数确定后，变压器额定容量仅受电能单耗与通电时间影响。 1．2 电炉的冶炼周期

年产钢量即钢厂每年的产钢能力，是高层决策者根据市场的需求、本企业的能力等确定的。冶炼周期的长短反映生产率的高低，一般来说冶炼周期越短，年产钢量越高，吨钢成本越低。冶炼周期长短取决于冶炼品种、采取的工艺、装备水平及操作人员素质等。对于“三位一体”短流程来说，冶炼周期的长短应满足连铸的要求，以连铸节奏来定，车间应以连铸为中心，努力实现多炉连浇。

目前，限于浇铸系统耐火材料质量（软化点等），热损失导致钢水的温降等，使得单炉钢水合理的浇注时间在≤50～70min。由于超高功率电炉技术的进步，电炉平均冶炼周期达到50～80min。当需要采用下限时，这不但要求提高变压器功率，而且要求上辅助能源等缩短冶炼周期的措施。

当连铸周期确定之后，电炉的冶炼周期可以用下式近似求出：

T电炉=T连铸—T准备/n （4） 式中 T

连铸

——单炉连铸周期，min；T

准备

——连铸准备时间，一般为40～50min；n

——连浇炉数。例如：n设计成10炉，T准备为50min，T连铸为60 min，电炉的冶炼周期T电炉则为65min；n为20炉，T准备为40min，T连铸为60 min，电炉的冶炼周期T电炉则为62min。实际上常用LF炉调整电炉与连铸节奏上的偏差。 1．3 吨钢电耗的确定

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对于全废钢、无任何废钢预热的电炉，冶炼周期定为65min的话，必须考虑采用超高功率加强化用氧。经计算，变压器时间利用率Tu按0.8，冶炼周期达到65min的条件是，装料、出钢、维护及调电极等时间控制在13min内，使通电时间为52min，那么吨钢电耗多少？变压器容量选多大合适？

氧化法冶炼低合金钢，采用100%废钢铁，配碳量1.5%与3%炉渣，在电炉中熔化并加热精炼至出钢温度（1630℃）所需要的实际总能耗为615 kWh（按68%的效率计算）。考虑到该炉炉壁烧咀、炉门碳-氧枪强化供氧，计总吹氧量为45 Nm3，加之石墨电极氧化，合计代替电能为215 kWh。计算得吨钢实际电耗为400 kWh。 1．4 变压器额定容量

将（3）式除以出钢量G，得到功率水平式（5）：

PnW60 ，kVA /t （5） GtoncosC2当C2取0.75，并将其他已知数代入（5）式中，得到功率水平为724 kVA/t。如公称容量50吨超高功率电炉，平均出钢量G为55吨，需要变压器额定容量为40000kVA。

由于变压器额定容量较大，大容量交变电流对电网将造成强大的冲击，为了减少电压闪烁或减少无功动态补偿装置（SVC）的补偿容量，以及降低电耗及电极消耗等，需要考虑采用高阻抗技术。 2 电炉变压器二次电压的确定 2．1 变压器最高二次电压的确定

电炉变压器最高二次电压与变压器容量成正比，对于普通阻抗电炉变压器最高二次电压的确定见下式：

U2PnX100 （6） %X式中 U2——二次侧线电压，V； Pn——变压器额定容量，kVA； X ——电炉回路电抗，mΩ；I ——电弧电流，kA；%X——电炉回路电抗百分数，对于普通阻抗电炉，为了保证三相电弧的稳定连续燃烧，%X≈45%～50%。

对于本例，容量为40MVA变压器，回路电抗取3.6 mΩ，计算普通阻抗电炉变压器的最高二次电压约为537～565V。

另外，还有一估算变压器的最高二次电压的方法：

U2K3Pn （7）

式中 K——系数，K=13～15；15～17，为适应埋弧期操作常采用后者，也是近年发展趋势。当K取16时，最高二次电压约为547V。

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参考JB/T9640-1999标准，40000kVA变压器的最高二次电压为547V。

高阻抗电炉变压器最高二次电压的确定，应以高阻抗计算来确定最高二次电压。 2．2 二次电压及其档位的确定

最低二次电压的确定主要是满足电炉冶炼工艺要求，因现代UHP电炉冶炼工艺已经取消还原期，为氧化性钢水出钢，故最低二次电压没有必要过低。最低二次电压的大小应以其电弧长度小于氧化末期炉渣厚度为准。如本例炉渣厚约110mm，设弧长为90mm（弧长<渣厚），那么最低电弧电压130V，即可以此来确定最低二次电压。另外，适当低的二次电压有利于短路实验（因短路电流与二次电压成正比），以确定短网电参数、研究电气特性。

二次电压级差国外大多采用恒压差，恒压差有利于计算分析与操作显示等，其范围为15～30V，一般对于<50t/35MVA，15～20V；≥50t/35 MVA，25～30V。

恒功率段与恒电流段电压范围应根据冶炼工艺要求、操作水平加以确定。 ①恒功率段是满足熔化与快速提温期间不同阶段均能满足大功率供电，即主熔化期或完全埋弧期采用高电压、低电流，又满足快速升温期埋弧不完全或电弧暴露期的低电压、大电流供电。

②恒电流段是满足精炼期的调温、保温的需要，即满足低电压、小电流供电。 ③段间电压 即恒电流段的最高电压，其确定主要考虑两点：a）为满足非泡沫渣时的供电，不能太高；b）限制设备的最大载流量，而不能太低。

高阻抗电炉设计准则为低于或等于普通阻抗电炉最高二次电压值，最好低1个档位。

现代电弧炉炼钢“三位一体”流程，电炉仅作为高速熔化金属的容器，没有还原期，氧化期也很短，可以说二次电压级数太多没有用，当然级数多一些也不多花钱，而且多一些，即压差小些，有利于保证有载开关的使用性能。 3 高阻抗电炉电抗器容量的确定

以普通阻抗电炉的阻抗为基础，进行高阻抗计算[2]，确定该50吨高阻抗电炉电抗器容量及抽头参数，见表1。

表1 电抗器容量及抽头参数

抽头 电抗器容量 8300kVar 1# 8300 2# 7000 3# 5500 4# 4000 5# 0 该电抗器为一外附电抗器，串联在变压器一次侧，为无载调节，具有连续过载20%的能力，应装有隔离开关与接地开关。

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对于本例，增加电抗后电弧功率不变，阻抗提高了，电压上去了、电流下来了，使得电耗降低、电极消耗降低，电流波动减小了45%，可降低电压闪烁20%以上，降低对电网的要求，减少无功动态补偿的容量。 4 高阻抗电炉变压器主要参数的确定

根据表1，确定变压器操作参数如表2，即以某电压与电抗器容量为依据，即电压/电抗为675V/8300kVar，并考虑增加一富裕电压700V。该变压器为有载调节，共15级电压，变压器主要技术性能参数如表3。

表2 变压器与电抗器的操作参数

参数 二次电压/V 二次电流/kA 视在功率/MVA 电抗器容量/kVar 操作情况 8300/7000/5500/4000/0 高阻抗 0 甩抗 700 33.03 恒功率段（6级） 675 34.21 650 35.52 40 … … 575 40.16 40.0 38.2 550 恒电流段（9级） 525 500 42.04 36.4 … 25.5 … 350

表2中恒功率段电压为6＋1级，即700～550V；恒电流段为9级，及550～350V；其中550V叫分档电压，对应的电流42.04kA为该设备的额定电流。

二次侧电流、二次侧电压（线电压）与功率关系为：

Pn3IU210－3 ，MVA

表3 电炉变压器的主要技术性能参数

参数名称 变压器型号 额定容量 二次电压 二次额定电流 频率

5 石墨电极等二次导体导电截面的确定

由表2的二次额定电流，并参考样本及标准可以确定石墨电极等二次导体导电截

要求 HSSPZ-40000/35 40MVA(长期+20%) 恒功率段：700～550V 恒电流段：550～350V 42kA 50Hz 参数名称 阻抗压降 冷却方式 调压方式 联结组标号 相数 要求 ~7.5% OFWF 15级有载调压 yd11 3 5

面。

1）石墨电极

变压器二次额定电流为42kA，最大工作电流50.4kA ，参考国产电极产品样本，选择直径500mm超高功率石墨电极。

2）水冷电缆

根据变压器二次最大工作电流为50.4kA ，参考行业标准JB/T10358-2002，电流密度按4.5A/mm2计算，选择每相两根截面为5600mm2的水冷电缆。

3）其他二次导体 其截面按最大工作电流50.4kA 进行设计、制造。 6 结束语

本文给出以废钢作原料的、氧化性钢水出钢的超高功率电炉变压器容量及其二次电压确定方法。该方法适合高阻抗电炉变压器主要技术参数的确定。

对于还原性钢水出钢的电炉变压器容量确定该方法仍然适用，此时需要将（4）式中用电单耗、通电时间分别改成熔化电耗与熔化通电时间。

当考虑到电炉炼钢兑铁水30%～50%时， 本文介绍的电炉变压器容量确定方法也适用。但因铁水热装对电耗影响因素很多，如：热装比例、铁水温度、吹氧量及辅助能源情况等，对冶炼周期影响因素有：热装比例、铁水温度、供氧强度与吹氧量、以及辅助能源情况等。这使得确定吨钢电耗与通电时间比较麻烦，作者将另择文专门介绍。

参考文献

1 阎立懿．现代超高功率电炉技术特征．特殊钢，2001，22（5）：

2 阎立懿，刘一新，李延智等．高阻抗电弧炉的设计．特殊钢，2002，23（6）：40

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