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矿热炉变压器、补偿设计及应用概述

一、变压器参数

主要包括视在功率、一次电压、一次电流、二次电压、二次电流。

视在功率是各项参数综合体现,变压器设计合理与否,主要表现为一二次线圈电流超负荷能力及二次电压档位、级差和最高最低电压选择是否合理,视在功率大小及潜在超负荷能力与电炉参数匹配是否合适。

视在功率是电炉变压器综合能力体现,不管是否采用低压(纵向)补偿,变压器有功永远小于视在功率,变压器出力能力决定于视在功率大小,视在功率是前提,没有视在功率就没有有功。目前,变压器设计实际入炉功率均大于视在功率,通常能达到1.2-1.3倍并且具备长期运行条件。

目前,国外电炉大小是指入炉功率多少而不是指视在功率,国内通常指视在功率,但各设计单位和生产企业要求不同,同样铭牌视在功率其实际入炉功率差异较大,为此,电炉大小应统一到实际入炉功率上更为合理。

二、电炉指标与主要参数关系

   电炉参数确定后实际入炉功率大小相对决定电炉的产能、极心圆功率密度,但不能决定电炉各项指标。电炉各项指标主要由实际使用二次电压二次电流(一次电流)或设计二次电压二次电流是否合理决定的。

二次电压与二次电流电压比的选择与电炉各项指标关系密切,决定电炉各项指标好坏。

1、二次电压

二次电压决定入炉功率分配,通常弧光功率占入炉功率70-80%,炉料发热功率占入炉功率20-30%,弧光功率与二次电压成正比,使用二次电压越高弧光功率越大炉料加热功率越小,弧光越长,温度越高。

但二次电压偏高或过高,将导致操作电阻增大,电极上抬,炉口温度高热效率低,操作困难,指标变差。

选择合适二次电压是决定电炉指标的关键。既要考虑功率分配又要考虑操作电阻及极心圆电压密度(有补偿后极心圆功率密度提高不代表电压密度提高,光有功率但分配不一定合理)

目前国内新建电炉,各品种极心圆直径电压降大致如下:碳锰55-60V/m,硅锰 60-65V/m,高碳铬铁 65-75V/m,硅铁(工业硅) 70-75V/m,镍铁 120-130V/m,根据变压器设计能力及电炉参数,二次电压使用根据各品种可在此范围内操作,基本达到了使用电压较高和电压超负荷的目的。

2、二次电流

决定电炉指标另一个主要参数是二次电流(一次电流)。二次电流大小关系到系统操作电阻大小,操作电阻大小与电极插入深度成反比,在实际操作过程中,可以人为控制炉料电阻,希望炉料电阻越大越好,但各品种都有极限。在炉料电阻达到极限情况下,只能人为调整操作电阻,即使用的二次电压和二次电流。

3、二次电流电压比

二次电流与二次电压比即为我们通常所说二次电流电压比,其比值的倒数相当于操作电阻(交流电)。实际操作过程中,我们希望比值越大越好,但因变压器容量及二次电压限制,其比值基本在一定范围内,下限为变压器铭牌使用二次电流电压比,上限为超负荷后二次电流电压比,变压器容量并非无限,均有超负荷上限(成本原因)

目前各品种二次电流电压比大致如下:碳锰350左右,硅锰450左右,高碳铬铁400左右,硅铁(工业硅)400左右,镍铁150左右。

三、功率因数与二次电流电压关系

为了得到合理入炉功率和二次电流电压比,在考虑二次电压二次电流同时还要考虑功率因数。电炉自然功率因数与二次电压成正比,与二次电流成反比。单纯追求电流电压比可能导致功率因数过高或过低,都会影响电炉入炉功率和操作电阻,直接影响电炉指标。

四、功率因数与补偿

解决功率因数问题,目前最有效手段采用二次低压补偿(与变压器分离)和纵向补偿(与变压器二次线圈串联)。二者均能使变压器一二次侧功率因数提高,将一次侧功率因数补偿到0.9-0.95(一二次侧自然功率因数不变),部分替代高压补偿,不足部分采用高压补偿。通过补偿可以提高二次电流电压比,在操作电阻不改变或略有降低条件下,通过增加二次电流二次电压保持或提高二次电流电压比,可以增加入炉功率,提高热效率,实现热效率与电效率最大化。二次低压补偿(纵向补偿)不仅可以解决功率因数低的问题,而且是改善电炉指标最佳手段。

五、超负荷运行

电炉超负荷(铭牌与实际不符,实际大于铭牌)运行是改善指标另一重要手段。常规超负荷一般以二次电流超负荷为主,表面上看,电极下插较深,电流较大,但由于电流大导致功率因数降低,实际入炉功率并没有提高,有时还降低,无功增加,炉底温度低坩埚沟通差,并没有达到目的。要想取得良好效果,必须在电流超负荷的条件下电压适当超负荷,弥补电流超负荷导致的功率因数降低和入炉功率分配不合理状况。

六、低补(纵补)使用

低压补偿(纵向补偿)要想达到使用效果,电炉必须采用超负荷运行,否则补偿效果达不到,只是起到补偿功率因数作用,意义不大,完全可以采用高压补偿取代。低压补偿通过降低无功电流提高功率因数,纵向补偿通过提高二次侧电压提高功率因数,为此使用低压补偿(纵向补偿),电流电压较投补偿前均要有不同程度超负荷才能达到使用效果。原则上投补偿后实际入炉功率超20-30%,二次电压超10%,二次电流超15-20%

七、变压器设计的基本原则

变恒电流恒功率两段设计为恒电流设计,这样更符合实际需求,变潜在超负荷为实际超负荷;变压器一二次线圈电流具备长期超负荷30%能力;减少电压级数,改25-35级为20级,使实际使用档位接近上限,焙烧电极可以采用星角转换;纵向补偿较低压补偿二次电压可以低30-60V,但低压补偿二次电压上限要有足够余地,防止电压低后续无法弥补。同时,要满足各个品种电流电压比需求。

八、低压补偿(纵向补偿)设计

各品种自然功率因数不宜设计过高,应按下限考虑;电容器额定电压要高于实际使用电压不低于20%,提高电容器耐用性,电容器电流具备与电炉相同超负荷能力;实现自动跟踪补偿,保证长期稳定运行。

九、总结

1、变压器视在功率设计不应为简单电流电压乘积,而应为电炉实际使用,考虑合适的电压级数、级差、最高档电压及常用电压、一二次电流及超负荷能力、电流电压比及自身潜在超负荷能力。

2、二次电压设计及使用要综合考虑,减少级数,常用二次电压与最高二次电压偏差不大留有余地,设计时补偿形式及不使用补偿统筹兼顾,要考虑品种差异。

3、一二次电流即一二次线圈不管补偿与否,均要具备超负荷30%的能力,可明可暗,以备在使用时具备条件。

4、变压器设计时要充分考虑各品种适宜电流电压比,品种不同电流电压比应有所差异,避免过剩或不足,造成设计上的不合理。

5、补偿与变压器同步设计,二者能力相匹配,充分使用好补偿,发挥补偿是改善电炉指标最佳手段功能,使其设计使用进一步完善。

视在功率、二次电压、二次电流、二次电流电压比、补偿在电炉实际使用过程中相互关联,对电炉指标都起到至关重要的作用,缺一不可,只有将以上相关参数有机结合,才能实现最佳使用效果和取得最佳各相技术指标。




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