交流电弧炉的工作电抗模型与电气运行合理化

交流电弧炉的工作电抗模型与电气运行合理化
李京社武骏李士琦季淑娟
摘要文中论述了交流电弧炉工作电抗模型对其它电气参数计算、电炉功率特性、电气设计、合理电气运行工作点范围等的影响，指出要保证电炉合理电气运行、制定优化供电曲线，必须重视电炉工作电抗模型的研究。

关键词炼钢交流电弧炉工作电抗电气运行
Operation Reactance Models of AC Electric Arc Furnace (EAF) and Optimization of Electric Operation
Li Jingshe Wu Jun Li Shiqi Ji Shujuan
(University of Science and Technology Beijing)
Abstract This paper gives discussions on the influences of the operation reactance models of AC EAF on calculation of the other electrical parameters, power characteristics of AC EAF, electrical design and range of working points with the optimum electrical operation. It is noted that attention should be paid on study on the operation reactance models in order to ensure the reasonable electric operation and drow up the diagrams of optimum power supply.
Keywords steelmaking AC EAF operation reactance electrical operation
1 前言
超高功率电弧炉炼钢过程中合理的电气运行制度是其最基本的工艺制度之一，合理的电气运行制度，不仅对操作顺行是必要的，而且有助于降低电耗、电极损耗和耐材侵蚀，缩短冶炼周期，带来良好的经济效益。

然而，一般研究都将电炉电路中的电弧作为纯电阻处理，忽略电路的操作电抗与短路电抗的差异，即忽略电弧电抗的存在，如此所得到的交流电孤电路电气特性不准确,进而得到的供电制度也不甚合理。

为了进一步提高电炉生产率、优化电炉冶炼生产指标，需要根据电炉操作电抗的非线性变化规律仔细研究交流电弧电路电气运行特性，在此基础上来制定合理的用电制度。

2 交流电炉工作电抗模型
实践表明，交流电弧炉的实际操作电抗与电炉的设备参数、操作参
数、弧压波形受冶炼不同阶段等等密切相关。

对某一特定电炉而言，将操作电抗系数作为功率因数的函数f(P.F.),则：
=KX=f(P.F)X (1)
X
op
——工作电抗
式中X
op
K——工作电抗系数
X——短路电抗
P.F——功率因素
这样，有关的其它电气参数，就可相应求出，即电气参量的求解是以功率因数为出发点的。

要说明的是，不同的交流电弧炉，因为设备条件、原料条件不同，工作电抗的模型不尽相同。

即使是同一台电炉，不同冶炼阶段，如果电弧电压波形变化明显的话，其工作电抗模型也需作相应修正。

图1表明了3种工作电抗模型的区别。

K=1为早期普通功率电弧炉所用的电抗模型；K=1.1～1.3为超高功率电弧炉常用的操作电抗模型；K=f(PF)为笔者提出的操作电抗模型［1］，电抗系数为功率因数非线性函数。

图1 交流电弧炉的操作电抗模型
工作电抗模型对于制定电炉冶炼供电制度、保证电炉电气运行合理化非常重要。

3 工作电抗模型与功率特性曲线
工作电抗模型对交流电弧炉的功率特性影响显著。

考查一台
γ=X/R=10(R为线路电阻)的电弧炉，图2中(a)为操作电抗等同于短路
电抗的情况，(b)操作电抗为功率因数函数的情况。

可见，工作电抗模型不同，虽然功率特性的变化趋势相同，但有功功率和电弧功率的峰值点、相应的电效率、功率因数都不同。

进一步比较二者的有功功率和电弧功率见图3。

如果不考虑工作电抗的非线性变化，则有功功率最大点对应的功率因数为0.707，电弧功率最大点对应的功率因数为0.73左右。

若将工作电抗作为功率因数的函数，则有功率最大点对应的功率因数约为0.63，电弧功率最大点对应的功率因数为0.68左右，且相应的峰值要低10%左右。

实际冶炼中，输入功率经常要比设定功率低10%左右，这是电抗模型误差所致，使用正确的工作电抗模型可消除这一偏差。

4 工作电抗对电气设计的影响
早期的普通功率电炉由于其不能稳定操作，需串接电抗器。

后来的超高功率电炉，其设计一般都尽量降低炉变压器侧的二次电阻和电抗，以达到降低线路功率损失和充分利用变压器能力的目的；围绕此目的，国内外曾进行过短网改造(水冷电缆、导电电极臂等)，拆掉了不少小电炉的电抗器。

图2 两种操作电抗模型对应的电气参数特性曲线
*、-无量纲有功功率、电弧功率、(b)无量纲电孤电流(P*、Pa*、P
loss
线路损失功率)
图3 两种操作电抗模型对应的功率特性曲线图
(P*、Pa*—无量纲有功功率、电弧功率)
随着电炉功率级别的不断提高，电极电流也越来越大，电极尺寸也相应加大。

因而电极的制造技术成了限制性环节，直径大于740mm的电极很贵，损耗也很快，造成炼钢成本的上升将抵消提高功率级别带来的利益。

要进一步提高生产率、提高功率级别，又不加大电极电流，就只能提高电压。

带来的问题就是功率因数过高，电弧将不能稳定燃烧；这
,所以高就需要增加阻抗值(因为二次电路电阻的增加会降低电效率η
1
阻抗技术提高的主要是电炉电抗。

)以降低功率因数、稳定电弧［2］。

由于变压器相关技术相对成熟，提高变压器级别并附加电抗器比采用大尺寸电极要合算；而发展起来的泡沫渣技术又允许长弧、高功率因数操作；因此高阻抗的观念在国际电炉行业得到了一定的认可。

由图4可知，对于一台最高二次电压390V、短路电抗为4mΩ的电炉而言，如果提高电抗到6mΩ、提高二次电压到477V时，可达到相同的最大电弧功率，但相应的最大电弧功率点对应的电流要小得多。

如此在相同电弧功率水平下，高阻抗的电炉工作电流要低，则电极消耗低。

这就是高阻抗电炉的工作原理。

图4 工作电抗模型对电气特性曲线的影响
但是高阻抗技术为达到提高电炉功率级别的目的，毕竟还是提高了电路阻抗和无功功率、牺牲了变压器利用率。

如图4所示，如果不提高二次电压而只提高线路电抗(390V/mΩ),则功率水平将显著降低。

因此，在看待高阻抗技术上应持谨慎态度，提高阻抗不仅需要在变压器原边串接电抗器，还要相应提高二次电压级别并改进泡沫渣操作工艺水平。

对一些炉容量并非很高的超高功率电弧炉进行高阻抗改造时，应在考虑改造费用与增加电极消耗费用之间予以权衡。

要说明的是：高阻抗电炉中，无论固定电抗器、可调电抗器还是饱和电抗器，都是串接在变压器原边，高阻抗电炉的二次侧电抗并不高。

图5中(a)为高二次电抗的电炉，(b)为低阻抗电弧炉，二者都能达到相同电弧稳定燃烧要求的工作电抗。

但在电气参数波动ΔPF时，(a)电炉对应的工作电抗波动也即无功波动要大得多。

因此高阻抗技术实际上并没有放宽降低二次侧电抗的要求。

一台高性能的高阻抗电炉，其二次侧电抗应很低，其对电抗的要求由原边电抗器来满足。

图5 两种高阻抗电炉电抗特性的比较
5 工作电抗模型与合理工作点的选择
如图6所示，电弧炉每级电压下的功率特性曲线都可做成有功功率和无功功率关系的圆图形式。

要注意的是，操作电抗模型对电气圆图影响很大。

图中上部实线为将操作电抗等同于短路电抗时得到的曲线，形状为一规则半圆弧。

而实际操作电抗的非线性变化会使有功功率较低，对应的是下部虚线所示的半椭圆弧。

这种变形的原因就是电路操作电抗随电气参数(如PF等)的非线性变化。

工作点取决于在一定范围内选择一个合适的电压以及合适的有功和无功功率。

可行的工作点范围由以下数值界定：最大允许电流值、变压器的最大视在功率、保持电弧稳定的最大功率因数、最大二次电压、最小二次电压。

利用电炉圆图形象地得到电炉运行的可用区间如图7中阴影所示。

图6 交流电弧炉某一电压下的电气圆图
交流电弧炉电抗的高低对电气运行许用范围影响很大。

图7中(a)为普通低阻抗电弧炉，(b)为高阻抗电弧炉，二者变压器容量、短路电抗、短路电流都相同，但(b)串接了电抗器，且变压器最高级别二次电压比(a)中要高。

因此高阻抗电炉的电气运行许用范围比普通设计的低阻抗电炉要大。

6 结论
交流电弧炉工作电抗模型直接影响到其它电气参数计算、电炉功率特性、电气设计、合理电气运行工作点范围等等。

要保证电炉合理电气运行、制定优化供电曲线，必须重视电炉工作电抗模型的研究。

图7 不同阻抗设计电弧炉的电气运行圆图
(a)低阻抗电炉(b)高阻抗电炉
联系人:李京社，副教授，北京(100083)，北京科技大学冶金学院
作者单位：北京科技大学
参考文献
1 武骏，李士琦.“交流电弧炉工作电抗的研究”(待发表)
2 李京社，张宝蕊，李士琦，邹文正，林纲，武骏.高阻抗电弧炉的优异电特性.钢铁研究学报，1995，7(3)：22～28。