电弧炉工作原理及其对电能质量的影响

为了了解电弧炉对电能质量和电能效率影响的产生原因，需要对电弧炉设备的特殊性做一下简单介绍。

1、电弧炉分类和工作原理

电弧炉是利用电弧能来冶炼金属的一种电炉。工业上应用的电弧炉可分为三类：第一类是直接加热式，电弧发生在专用电极棒和被熔炼的炉料之间，炉料直接受到电弧热。主要用于炼钢，其次也用于熔炼铁、铜、耐火材料、精炼钢液等。

第二类是间接加热式，电弧发生在两根专用电极棒之间，炉料受到电弧的辐射热，用于熔炼铜、铜合金等。这种炉子噪声大，熔炼质量差，已逐渐被其它炉类所取代。

第三类称为矿热炉，是以高电阻率的矿石为原料，在工作过程中电极的下部一般是埋在炉料里面的。其加热原理是：既利用电流通过炉料时，炉料电阻产生的热量，同时也利用了电极和炉料间的电弧产生的热量。所以又称为电弧电阻炉。

2、电弧炉的组成设备炉用变压器

电弧炼钢用变压器应能按冶炼要求单独进行电压电流的调节，并能承受工作短路电流的冲击。

电炉变压器额定电压的选择要考虑许多因素。若一次侧电压取高些，则系统电抗小，短路容量大，可减少闪变，但须增加配电装置费用。若二次电压高些，则功率因素较高，电效率较高，但电弧长，炉墙损耗快，综合效率变低。

一般电炉变压器二次侧均为低电压（几十至几百伏），大电流（几千至几万安）。为保证各个熔炼阶段对电功率的不同需要，变压器二次电压要能在50%~70%的范围内调整，因此都设计成多级可调形式。调整方法有变换、有载调压分接开关等。变压器容量小于10MVA者，可进行无载切换；容量在10MVA以上者，一般应是有载调压方式。也有三相分别设置分接头装置，各相分别进行调整，可以保障炉内三相热能平衡。

与普通电力变压器相比，电炉专用变压器有以下特点：a.有较大的过负荷能力；b.有较高的机械强度；c.有较大的短路阻抗；d.有几个二次电压等级；e.有较大的变压比；f.二次电压低而电流大。

电炉变压器和电弧炉的容量比一般为0.4~1.2MVA/t。电弧炉的电流控制，是由电弧炉变压器高压侧绕组分接头的切换和电极的升降来达到的。

电抗器

为了稳定电弧和限制短路电流，需要约等于变压器容量35%的电抗容量，串入变压器主回路中。大型电弧炉变压器，本身具有满足需要的电抗值，不需外加电抗器；而小于10MVA的变压器，电抗不满足要求，需在一次侧外加电抗器。电抗器的结构特点是：既使通过短路电流，铁芯也不发生磁饱和。

电抗器可装在电炉变压器的内部，称为内附式；也可做成装在变压器外部的独立电抗器，称为外附式。电炉变压器一般要串联电抗器，使得变压器短路阻抗和电抗器电抗之和达到0.33~0.5标准值（以电炉变压器额定容量为基准）。

容量小于10MVA的电炉变压器，有时在其高压侧装有串联电抗器，以降低短路电流和稳定电弧。对于较大容量的电炉变压器，它本身的漏电抗已足够大，不需再串联电抗器。

高压断路器

炼钢电弧炉对高压断路器的要求是：断流容量大；允许频繁动作；便于维修和使用寿命长。电弧电阻炉负载平稳，连续运行，常用多油或少油式高压断路器，炼钢电弧炉断路器经常跳闸，多选用六氟化硫断路器、电磁式空气断路器、真空断路器等。

电流互感器

大型炼钢电弧炉的二次电流很大，无法配用电流互感器。因此，低压侧仪表，电极升降自动调节电流信号，都接到高压侧电流互感器上，或接在电炉变压器的第三绕组上（可变变比）。

电磁搅拌器

为了强化钢液与熔渣反应，使钢液温度和成分均匀，在炼钢电弧炉炉底部，加装电磁搅拌器。

搅拌器由绕有两组线圈的铁芯构成。它本身相当于电机的定子，溶池中的钢液相当转子。搅拌器线圈中通以可产生移相磁场的两相低频电流，磁场使钢液中产生感应电流，移动磁场与感应电流相互作用，使钢液在电动力的推动下，顺着移动磁场移动的方向流动，从而使钢液得到了搅拌。

采用电磁搅拌的电弧炉，其炉底要用非磁性钢板制成。为了改变电磁搅拌器的搅拌力，要求采用可调频率的低频电源，其频率在0.3~0.5HZ内调节。一般采用晶阐管变频电源。需加装电容器以提高功率因素，并加装电抗器防止产生谐振。

通过对电弧炉设备的电气特性的分析，可以得出以下结论：

a) 为使电弧炉工作中不发生断弧现象，当电流瞬时为零时，电弧电压Uh必须大于引燃电压。

b) 为限制短路电流，变压器二次回路必须有一定的电抗值，功率因素不能过于接近1。对于普通电弧炉回路工作点的功率因素范围在0.8~0.85之间；对于高功率的电弧炉，在0.7~0.8之间。

c) 电压闪变问题：用电负荷剧烈波动，造成供电系统瞬时电压骤升骤降。

3、电弧炉对电能质量的影响

电弧炉的冶炼过程分两个阶段，即熔化期和精炼期。在熔化期，相当多的炉内填料尚未熔化而呈块状固体，电弧阻抗不稳定。有时因电极都插入熔化金属中而在电极间形成金属性短路，并且依靠电炉变压器和所串电抗器的的总电抗来限制短路电流，使之不超过电炉变压器额定电流的2~3倍。不稳定的短路状态使得熔化期电流的波形变化极快，实际上每半个工频周期的波形都不相同。

在熔化初期以及熔化的不稳定阶段，电流波形不规律，故谐波含量大，主要是第2、3、4、5、6、7次谐波电流。据西北电研院实测，第2、3、5次谐波电流含有率常达5%~6%及以上，严重时可达20%以上。但当某一次谐波电流达到很大值时，其他次谐波电流一般会是较小值。

电弧炉电极间电压的典型值在100~600V范围，其中电极压降约为40伏，电弧压降约为12V/cm、电弧越长压降越大。在熔化期电弧炉的电压变化大，最高和最低电压可相差2~5倍。由于电弧炉负荷的随机性变化和非线性特征，尤其在熔化期产生随机变化的谐波电流，除了离散频谱外、还含有连续频谱分量。含偶次谐波，表明电弧电流的正、负半周期不对称；含连续频谱和间谐波，表明电弧电流的变化带有非周期的随机性。

在熔化期三相不平衡电流含有较大的负序分量。当一相熄弧另两相短路时，电流的基波负序分量与谐波的等值负序电流可达正序的50%~70%。这将引起公共供电点的电压不平衡，对电机的安全运行影响较大，尤其对大电机的影响更为严重。

实际上电弧炉最重要的影响还不是谐波问题，而是电压波动和闪变。大型电弧炉会引起对电网的剧烈扰动，有的大型炉的有功负荷波动，能够激起邻近的大型汽轮发电机的扭转振荡和电力系统间联络线上的低频振荡。此类冲击性负荷会引起电网电压波动。频率在6~12HZ范围内的电压波动，即使只有1%，其引起的白炽灯照明的闪光，已足以使人感到不舒服，甚至有的人会感到难以忍受。尤其是电弧炉在接入短路容量相对较小的电网时，它所引起的电压波动（有时还包括频率波动）和三相电压不平衡，会危害连接在其公共供电点的其他用户的正常用电。

电弧炉的基波负序电流也较大，熔化期平均负序电流为基波正序电流的20%左右。最大负序电流都发生在两极短路时，但这时谐波电流含量不大。必须指出，电弧炉的电压波形变化是随机性的，所以当数台电弧炉同时运转时，它们引起的各种扰动不会和电弧炉的台数成正比，而是要小一定数值，一台30t的电弧炉的电能扰动影响比6台5t电弧炉的影响要大得多。从闪变影响来讲，6台5t的电弧炉尚不及一台10t炉的影响大。电弧炉的谐波影响也是主要取决于最大一台炉的容量，而较少信赖多台炉的总容量。国内外经验表明，"超高功率"电弧炉有时成为当地最重要谐波源和多种扰动源。但对于短路容量很小的电网，小电弧炉也能成为重要的谐波源。

以下是某电弧炉在熔化期的闪变和谐波的数据。

被测设备：三相交流电弧炉，额定工作电压：260V，额定电流：12000A，功率：5500Kw

1）电弧炼钢过程闪变测试

上图表示电弧开始熔化炼钢时的电压中含有大量的瞬态电压浪涌，最大尖峰值达到448V，平均每小时的发生频率达到633600次。

上图显示即使在熔清状态，电压中仍然含有大量的闪变，达到168400次，尖峰值达到352V。

2）电弧炼钢过程谐波总畸变率测试

通过对熔化期电压谐波总畸变率进行连续测试，得到如下数据：

加料后熔化期初始的电压谐波总畸变率27.4%

加料后熔化期末期的电压谐波总畸变率7.0%连续测试的电压谐波总畸变率数据及变化如下图表：

以上数据显示，由于严重的闪变的影响，电弧炉工作系统中的谐波总畸变率超过了国家标准规定的5%，严重时可以达到27%，对于电网系统会产生大量的谐波污染。

可以看出，电弧炉做为非线性及无规律负荷接入电网，将会对电网和其他负载产生一系列的不良影响，其中主要是：

·  导致电网严重三相不平衡，产生负序电流

·  产生高次谐波、其中普遍存在如2、4次偶次谐波与3、5、7次等奇次谐波共存的状况，使电压畸变更趋复杂化

·  功率因素降低

在一个电网中，电压的改变会影响所以接于这个电网的负载，因此电弧炉对电网的影响可以称为电网的环境污染。必须采取技术措施进行抑制。当电弧炉功率大于电网短路功率的1/80时，通常需要考虑对电网的影响问题。

4、电弧炉对电能效率的影响

4.1电弧炉的用电环境和状况用于冶炼的电弧炉一般有三个特征工作阶段：

·  开始熔化阶段，固体炉料熔化，能量需求最大

·  初精炼及加热阶段

·  精炼期，此阶段输入能量只需平衡热损坏

普通交流电弧炉的冶炼周期约为3~8h，取决于供电电路参数、电炉容量和冶炼的工艺等。熔化期约0.5~2h，为三相不对称的冲击负荷，电流极不稳定，消耗电能大、约占总耗电量的60%~70%。氧化和还原的精炼期电压波动和耗电量都显著降低。

在废钢冶炼时电弧炉的工作特性为：

·  在开始熔化时电弧频繁出现截断和重新燃弧

·  全熔化期出现电弧波动，并导致电流急剧变化

·  发生塌料导致短路

普通电弧炉回路工作点的功率因素范围在0.8~0.85之间；对于高功率的电弧炉，在0.7~0.8之间。较低的功率因素必然造成电能效率的低下。

4.2电能效率的影响

电弧炉对于电能的浪费主要表现在二个方面，一是功率因素较低，二是在熔化期间产生大量的闪变和谐波。

闪变是引起诸如谐波失真、电压电流失相等等多种副作用的最主要原因。"闪变"(Transients)是交流正弦波电路上电流与电压的一种瞬态畸变。其主要的表现形式为浪涌、尖峰、谐波等。美国著名能源理论家赫斯菲尔德博士认为，这种畸变的主要特点是超高压、超高速、超高频次。

超高压：指闪变尖峰高出正常电压幅值的2-50倍，最高可达500-10000伏。

超高速：指闪变尖峰发生在极短的时间内，它可以在数万亿（百万的二次幂）分之一秒内完成从迸发到消失的过程。

超高频次：指闪变尖峰的活动十分频繁，可以说闪变无时不在、无处不在，一盏灯的开关、一个家用电器的启动、甚至电脑键盘或鼠标的点击，就有数十个闪变产生，电压高达500-1200伏。

即使到目前，这些高压高频次的闪变作为敏感电力设备被破坏原因之一的事实仍然被忽视。而且另一方面，我们知道，电功等于电流和电压的乘积，电压或电流的瞬时增长会导致更大的瞬时消耗功率，由于电弧炉加热端是阻性负荷，这些瞬时电压或电流不能参与电弧炉的起弧和加热，只能以无效功率的形式通过反馈到感性负荷中以铁损和线损的形式散发，而电弧炉系统中的感性负荷是变压器，这些瞬时无效功率在变压器中的消耗对于冶炼过程没有任何贡献，这是在电弧炉工作时长期未予考虑的。

暂且不考虑电弧炉由于功率因素较低产生的电能浪费现象，仅考虑在冶炼熔化期产生的大量闪变，我们就可以知道，电弧炉的电能效率相对于平稳运行（产生闪变数量很少）的同等额定功率的设备来说也是较低的。

抑制或还原电弧炉在冶炼熔化期产生的闪变的数量和闪变尖峰值，将这部分无效功率转变为有效功率，既可以提高电弧炉的电能效率，节省电能，也可以消除其对电网的冲击和污染，同时对敏感电力设备起到保护作用。