二手电炉变压器再利用的技术分析

1 简述

　 某公司为了缩短工程周期，减少初期投入，从美国一家钢厂购进一座120t的二手交流电炉，该电炉是于1999年投产的FU CHS电炉，电炉变压器由ABB(挪威)EB变压器公司提供，该电炉在美国建成后实际生产时间在一年半左右，从设备外观上看，状态完好，具有较大的再利用价值。在不做大的改造前提下，异地恢复这套电炉设备，可以迅速投入生产。电炉的核心是变压器，高效、安全地使用变压器是保证电炉正常生产的关键。由于美国电网容量、电压等级、电源频率和国内有较大的区别，在国内如何恢复该类电炉，如何高效利用这套二手电炉变压器设备，需要从技术上进行认真分析，确定重新利用的方案。

2 系统分析

　 电弧炉炼钢的工况造就了它对电炉变压器有非常高的要求:首先，电炉变压器要有足够的容量;其次，要有足够的抗短路能力;同时，二次电压调节要有足够的宽度，另外变压器本身还要具有一定的抑制三次谐波能力。该电炉是高阻抗三相交流电弧炉，在美国钢厂电炉的一次供电单线图如图1所示。

 

图1　 120t电炉原供电单线图

　

　 从供电单线图上可以看出，电炉变压器的前端每相都串联有一个直流4Ω的电抗器，这是高阻抗交流电弧炉的特征;从整个系统看，仅配备了FC系统，FC系统由常补回路和三次、五次、七次消谐回路组成.没有TCR动补回路.这和国内有较大不同。这样设计是因为美国电网短路容量很大.抗冲击能力强.电炉炼钢所产生的负序电流、不平衡电流、谐波、闪变等反映到主网上，其值所占比例很小，因此不用投资TCR系统就能达标。而在国内，电网短路容量小，如果按照美国的设计进行简单的恢复，其负序电流、谐波、闪变等指标均不能符合国内标准。因此，异地恢复必须对一次回路进行重新设计。

　 异地安装后，供电频率、电压等级、消谐和无功补偿等参数都必须重新选择，否则会直接影响到电炉变压器的高效安全使用。

　 电炉变压器的原有基本技术参数:

　　　 额定容量:85MVA,基于绕组温升55℃　95.2 MVA,基于绕组温升65℃

　　　 频率:60Hz

　　　 一次电压:34.5kV

　　　 二次电压:1175V~900V~750V;其中1175V~900V为恒功率，900V~750V为恒电流。

　　　 联结组别:一次侧:D二次侧:开口d

　　　 调压方式:有载调压，18挡

　　　 冷却方式:强油水冷(ODWF)

　　　 安装方式:户内式

　　　 设计结构:壳式

　 从提供的变压器有载调压开关参数表(略)可以看出，该电炉变压器的前6挡是恒电流挡，后12挡是恒功率挡，在前6挡，二次电压是逐步升高的，电流不变;后12挡是二次电压升高二次电流逐步下降，这是电炉工况所要求的，二次电压靠有载调压开关进行调节，有载调压开关主要调节一次绕组的匝数，二次绕组的匝数是不可调的，但不论它如何调节，它依然会遵循电磁感应定律。二手电炉利用的关键问题是如何将原有的60H z电炉变压器应用于国内50Hz电源频率的条件下。

　 根据电磁感应定律:E₁= 4.44fwω₁Φm

Φ=BS

　 所以: E₁= 4.44fwω₁BS

　 式中:E₁—原绕组电势;

　　　　　f—电源频率;

　　　　　ω₁—原绕组匝数;

　　　　　B-磁通密度;

　　　　　S-铁芯截面积。

　 一个制成的变压器的绕组总匝数、铁芯截面积是不变的;在变压器设计制造过程中，为了减少涡流损耗以及抑制三次谐波，变压器一次电源的频率决定了所采用硅钢片的厚度，频率越高硅钢片的厚度越薄。即在相同条件和相同材质下，运用在60Hz电源下的变压器使用的硅钢片比在50Hz电源下使用的变压器硅钢片要薄。变压器的铁芯是由带有绝缘涂层的硅钢片按照一定的形状叠加而成，相同截面积的铁芯如果用不同厚度硅钢片的磁阻是不同的。在不改变绕组匝数、铁芯截面、磁通密度的情况下，根据电磁感应定律有:

　　　 E₁/ E₂=f₁/ f₂= 60/50= 1.2

　 变形有:E₂= E₁ f₂ /f₁

　 己知: E₁= 34.5kV;.f₂= 50Hz;. f₁= 60Hz;

　 那么一次电压: E₂= 34.5×50/60= 28.75kV

　 在最高挡时的二次电压为:

　　　 1175×50/60= 979V

　 从计算中可以看出，在最高挡位时，为了避免二次电压畸变和过激磁，要保持铁芯的磁势不变，在50Hz工频电源的情况下，一次电压不能超过28.75kV;变压器的视在功率为: ，根据提供的参数I= 1422A，则E=1.732×28750×1422=70. 8MVA。

　 按此结果变压器输出功率要减少14MVA，二次电压要下降近196V，在炉型不改的情况下，电炉的冶炼周期会拉长，吨钢电耗会增加，产量会下降;另外，该厂打算将电炉变压器和精炼炉变压器挂在同一电压母线上，如果电炉变压器选用一次电压和国内电压等级相差太远，又会影响到精炼炉变压器的订货和选型。

　 对电炉变压器的一次电压选择其他电压等级情况进行分析。

　 首先，分析变压器的磁通密度，对一次电压选用34.5kV和33kV进行磁通密度计算，计算结果略。

　 一般情况下，电炉变压器在制造过程中的磁通密度最高点在二次电压最高点。自20世纪80年代后期，随着冷轧晶粒有取向硅钢片的发展，变压器制造厂家把磁通密度最高点时的B值取在1.70左右，因此通过经验公式，计算出了磁通密度表(略)。从表中可以看出，工频为50Hz的情况下，一次电压选择34.5kV或35kV是不合适的，调压开关许多档位的磁通密度太高，如磁通密度太高会造成变压器二次电压畸变和过激磁，变压器三次谐波会增加，铁心可能怪叫，发热增加，变压器寿命会缩短。如果按照变压器硅钢片的导磁特性选择变压器一次电压，当变压器一次电压选择34.5kV，那么，有载调压开关的11挡到18挡将不能使用，当变压器一次电压选择为33kV时，那么，有载调压开关的13挡到18挡将不能使用。

3 采用的方法

　 经过分析认为，变压器一次电压选择34.5kV时，电炉的弧压调节范围太窄。根据电炉冶炼工况考虑变压器一次电压选择33kV时，弧压调节范围较为合适，变压器的最大传输功率也可达到81MVA, 容量下降并不大。另外，电源频率降低后，感抗下降，抗短路容量也随之下降，认为使用该变压器降容较为安全。其次，考虑到电炉变压器和精炼炉变压器要挂在同一母线上，一次电压也不能太低，权衡这几个方面的原因，最终电炉变压器的一次电压选用33kV,33kV供电电源确定后的供电系统单线见图2。

 

图2　 确定后的供电系统单线图

　

　 根据当地电网的短路容量和频率改变后三次谐波增加等因素，增加了动态补偿及滤波装置，根据初步计算，该系统上了SVC系统之后，系统功率因数可以恒定在0.95以上，因此，即便电炉变压器的一次电压下降了，但随着系统功率因数的提高，向电炉实际输入的有功功率并未有太多下降。另考虑到变压器改频后铁损增加，变压器发热量会增加，以及原有变压器冷却油泵因为电压和频率与国内有所不同等因素，原有油泵必须更换。在重新订购变压器油泵时，特意将油泵流量放大了一些，由原来的270m³/h增加到300m³/h，从而增加了变压器油水换热器的冷却能力。另一方面，供电频率改变后，变压器前置电抗器其感抗要下降，对整个变压器系统来说抗短路冲击能力会减少，有不利的一面，但电抗器自身损耗减小了又有有利的一面。因而，在弧压调节控制上和有载调压开关操作上要充分考虑到这两个方面的辩证关系。当有载调压开关操作时要尽量选择合适的挡位，避免对电炉变压器造成大的冲击。按照ABB公司的建议，在33kV,50Hz工频下使用时，变压器有载调压开关最高档选在12挡较为适宜，经过分析认为最高挡选在13挡更经济，其效果如何还有待通过生产实践的验证。