高阻抗电弧炉的主电路特征

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当电弧电流很小时 （"%** + ） ， 根据俄国学者艾尔 通教授的研究报告： 电弧电压高低则与电弧电流有关， 其通用表达式为
功率因数过高， 就是合成电抗太小， 在交流电弧炉 主回路中串联一只大电抗器后，就可使电弧电流连续 不断地流通而不间断， 其原因表达如下： 对电弧物理现 象的研究指出：只有在两个电极之间施加足够高的电
值和总电抗值。这些炉子本身的电抗值在 "0$%"0) 4" 范围内。而在变压器原方串联电抗器后， 合成总电抗在 大约比原值高出 )$5 。 &%* 4"，
表3 某些电压较高和有附加电抗器的炉子 最高电压 8 ’ 总电抗 8 4" 炉容量 （液态钢） 8(
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当电路中串有足够电抗时，电流滞后电压一个 ! 角， 在这种线路中， 当外施电压为零时， 电弧电流借助 于蕴藏在电抗中的能量继续流通。当电弧电流接近零 时， 负半周的电压已经很高， 已经达到起弧电压值 （图 ， 使电弧点燃， 及负半周电流及时接续， 而不滞后、 不 !） 间断。所以只要在回路中串有足够的电抗值， 就能使电 弧连续燃烧， 电流连续流动， 而不中断。这就是高阻抗 电弧炉电弧连续燃烧的理论根据。
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收稿日期： (##),#",(S 作者简介： 花 皑 （ "’-", ） ， 男， 研究员级高级工程师， 主要从事
电弧炉和钢包精炼炉的设计研究工作 *
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加热设备

《工业加热》第 !! 卷 "##$ 年第 " 期 值为
当交流电弧炉的石墨电极处在负半周期时，其电 弧立面示意见图 !。
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电压分布示意如图 4 所示。
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式中)#",’ 为电弧长度， 电弧各区 &&； ’",’ 为电弧电流， +。
如果电弧在石墨电极和被熔炼金 属 之 间 燃 烧 ， 当 电极为电源负极时， 称为电弧正极性； 而当电极为电源 正极时， 称为电弧反极性。 当电弧电流相当大时， 电弧 （弧柱） 上的电 压 降 正 比例于电弧长度 （即弧柱电阻） ， 而与电弧电流 大 小 无 关， 但是却与电极材料、 燃弧周围的气体种类与压力有 关。 阴极和阳极区合成电压降 !"#!$ 也与电弧电流无 关， 仅取决于电极材料、 周围气体种类和压力。 俄国学者席・依・西特里卡和诺・姆・秋伊柯教授研 究报告指出： 对于电弧炼钢炉的电弧而言， 阴极和阳极 的合成电压降值 !"#!$ 值如表 % 所示。
高阻抗超高功率电弧炉与普通超高功率电弧炉在 主回路的主要区别有以下三方面： （" ） 电弧特性不同： 由于在高阻抗电弧炉主回路中 串联一台很大的电抗器， 它使电弧连续稳定地燃烧， 电 弧不间断； 此外它还使运行短路电流倍数降低， 从而减 轻了对供电电网的冲击效应 （电压闪变） 及减少了谐波 发生量。 （( ） 主回路电抗值不同： 高阻抗电弧炉主回路的电 抗值很高， 它使电弧稳定燃烧、 电弧电流减小、 短网部 件的截面积减小， 电弧功率加大、 电效率提高。但是会 出现严重的过电压：一是高压真空断路器的操作过电 压 P二是由于高阻抗电弧炉变压器原方串联一台很大的 电抗器， 其电感值非常大， 因而产生过电压也非常高。 西安某公司设计的高阻抗电弧炉积累了这方面的宝贵 经验， 并且采取了行之有效的保护措施。 变压器二次电压值相差悬殊： 高阻抗电弧炉的 （-） 二次电压很高， 高达 " (## R 。众所周知： 电弧本身是有 功负荷， 即电阻性负荷。高阻抗电弧炉的基本设计思想 是用提高电弧电压，即加大电弧的阻性负载来补偿电 抗器的感性负载， 使之达到一个理想的功率因数值。较
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压时， 才有电弧产生。起弧后， 在两个电极之间施加 2* 在每半 个 周 期 中 ， 只有当电压升高到 89 的交流电压， 某一值时， 才有电流通过。当电压再降至某一值时， 电 弧重新熄灭， 这就意味着 2* 89 的交流电弧在 % : 内有 由于电弧的热量是由电弧电压与电 %** 次起弧与熄弧。 弧电流的乘积得来， 在起弧延滞的时间中， 电弧电流为 零， 所以电弧热量也为零。这样就使电弧时断时续， 电 流不连续， 如图 ; 所示。
表! 不同电极材料时的阴、 阳极电压降之和 阴极和阳极区电压降 !"#!$ . -
而碳 在大气中， 钢质电极的起弧电压为 4*642 - ； 质电极的起弧电压为 72622 - 。随着电弧电流的增大、 温度升高， 弧柱区的电离化加剧。弧柱的导电性阶跃式 地提高，因此维持电弧燃烧所需要的电压也就低得多 图 2 所示。 了， 如图 7 、
式中 )$ 为阳极和阴极区电压降， 当材料、 气体介质 和压力固定时， $ 值为常数， -； " 为弧柱梯度，即 % && 弧长上的电压降， - . &&； % 为电子由阴极逸出所施加 的逸出功， /； & 为电弧单位长度上的功率， / . &&； ’",’ 为电弧电流。 根据俄国科学院乌・沛・尼柯金院士的 实 验 数 据 ： 对于钢质电极， 在小电流情况下 （0%** + ） ， 电弧电压
率因数过高， 电弧燃烧不稳定， 短路电流倍数过高， 谐 波和闪变值均严重超标。为了消除上述弊端， 必须在电
［#］ 弧炉主电路中串联 # 只限流又稳弧的电抗器 。
图 6 示出常规低阻抗电弧炉运行功率曲线 （图 6- ）
132 。 和高阻抗电弧炉运行功率曲线 （图 67）
从成本、 布置和占用空间的角度来看， 在电炉变压 器的原方串联一只电抗器是最合理的方案。从电抗器 本身结构来看， 可做成空心式或铁心式。空心式电抗器 通常做成三个单相的， 其体积庞大， 因为它周围的磁场 很强， 需要很大的物理空间， 所以一般均不选用空心式 电抗器。 铁心式三相电抗器可以做成紧凑形式。 为了满 足不同冶炼工艺要求该电抗器备有可调抽头，可以遥 控操作和本地操作，操作手可选择理想的炼钢工艺状 态， 使之达到最高生产率和最低能耗指标。 当电抗器中流过工作短路电流时，要能经受住动 稳定和热稳定考核。依靠电抗器限制电流变化的动态 特征和较高的燃弧电压能使电弧稳定燃烧。根据美国 联合碳化物公司的论点，在合理设计的高阻抗电弧炉 中， 当电弧电压达到 "$$%&$$ ’ 时， 即能保证电弧电流 连续燃烧， 不断弧。德国德马格公司的 #$$ ( 高阻抗电 弧 炉 的 电 弧 电 压 竟 达 到 )&$ ’ ， 其 电 抗 器 容 量 为 #* 其 *$ ( 高阻抗炉子的电弧电压为 "/$ ’， 其电抗 +,-.； 器容量为 ##0! +,-.1#2。 在设计高阻抗电弧炉时，为了获得好的技术指标
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《工业加热》第 !! 卷 "##$ 年第 " 期 电抗器时， 不允许电抗器工作在饱和状态， 即当炉子发 生工作短路时， 电抗器的电抗值不允许减少， 为了保证 这 一 点 必 须 选 择 较 低 的 磁 通 密 度 值 ， 通 常 选 择 "! 不能高于此值。此外， 由于在钢质导磁体 %)*$+%)!$ ,， 内还装设有非磁性衬垫物。由于这些非磁性衬垫物的 存在，整个磁路的磁阻 #& 将为钢质导磁体的磁阻 #和空气隙磁阻 #. 之和
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电抗器在高阻抗电弧炉中的作用
普通超高功率电弧炉的短网电抗值较小，造成功
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注： # 根据美国联合碳化物公司统计数据。
由图 !" 中可看出，高阻抗电弧炉的电弧功率高， 且连续性好。这是由于高阻抗电弧炉的电弧电流波形 连续、 平滑、 不中断， 因而电弧功率明显提高。 在炉料熔化期， 由于电抗器的限流作用， 使短路电 流减小， 又采用长弧冶炼， 导致短路次数非常少， 即使 塌料深度通常为 #$% && 时， 也不能使电弧短路， 由此 带来的机械方面好处是使电极、 电极横臂、 液压缸活塞 等运动部件的电动力减少， 震动降低， 则电极折断率降 低。
4&卷 "##$ 年第 " 期 （高生产率， 低能耗， 满足环保要求） ， 通常采取较高的 变压器二次电压和较大的系统合成阻抗。 不同容量高阻抗电弧炉的总电抗值和二次最高电 压值是设计该种电弧炉的关键数据。如果选择不合适， 就发挥不了高阻抗电弧炉的优势。表 3 列出了总电抗 远远高于一般水平的几台高阻抗电弧炉二次最高电压