电炉短网设计

1、电炉短网设计2011年6月第36卷第3期贵州化工GuizhouChecaIIndustry?15?电炉短网设计邵斌(贵州东华工程股份有限公司,贵州贵阳550002)摘要:虽然电炉短网长度不大,但其电阻,尤其是电抗对电炉装置工作有很大影响.论述了短网设计的要求,导体元件的选择,短网配置及短网的结构特点和短网的配置方式.在很大程度上电炉装置的效率,功率因数及炉子决定了是否能进行稳定生产.关键词:电炉短网;补偿器;变压器;集肤效应中图分类号:TM503.5文献标识码:A文章编号:10089411(2011)030015041概述电炉短网的特点是电流大(几万甚至几十万安培),组合母线外形轮廓复杂,工作

2、环境恶劣,不能按通常电气装置载流导体进行设计.虽然电炉短网长度不大,但其电阻,尤其是电抗对电炉装置工作有很大影响.在很大程度上决定了电炉装置的效率,功率因数及炉子是否能进行稳定生产.2短网设计的要求从变压器二次端头到炉子电极的二次母线总称短网.短网由母排(或管子),软电缆及引至电极的馈电线等三部分组成.短网是输送低电压,强电流电能的桥梁.对它的要求是:(1)电阻越小越好,减少电压降及有功损耗;(2)电抗越小越好,减少无功损耗,提高功率因数;(3)尽量使每个相的阻抗值和复合分配达到平衡;(4)具有可绕部分,以适应电极升降的要求;(5)减少温度对短网阻抗值的影响;(6)减少铁磁体对短网阻抗值的影响

3、;(7)缩小或克服大电流带来的不利作用;(8)保证绝缘性能,电动稳定和安全运行.3电炉短网各段导体元件(1)温度补偿器:为防止母线束受热后把膨胀力传给变压器出头,影响出头处油密封.因此,除10001500kVA容量以上的变压器外,都应装设温度补偿器.(2)组合母线束:短网组合母线束是最长的一段,应尽一切办法减少其电抗.通常是把一相中来去电流的导体交替并排排列,即所谓的单相往复交错排列.(3)组合母线束分裂段:在组合束末端,为把单相组合束同一极性的导体和三相组合束中同一相导体集合在一起,通过固定集电环把电流供给软电缆上,这样的母线段称为母线分裂段.采用何种分裂形势,其原则是使电抗最小.(4)固定

4、集电环和移动集电环:矩形母线或管状母线与软电缆间,或软编线与电极旁水冷导电铜管间,要经过集电环接触连接起来.(5)可绕软线:短网可绕软线较长,要保证电极垂直方向移动,炉体倾斜及炉盖旋转等几个方向动作.(6)导电铜管:供给电极卡子电流,都由水冷铜管提供.(7)接触颊板:又称电极卡子,是把电流导给电极的一个部件.为了保证接触良好,需要有一定的接触压力.接触颊板和电极接触处,有很大的功率损失,约占炉子总有效功率的2%6%,接触颊板的电抗,约占短网电抗的2%一4%.(8)电极:从接触颊板到电弧处的长度,小容量电弧炉为1.52m,大容量电弧炉为56m,对于开口式矿热炉,长度为lm,封闭式炉为22.5m.

5、4决定短网配置的主要因素炉用变压器,短网结构和炉子装置是三位一体的有机组合,选择短网配置方式与炉子的炉型及其参数,变压器接线组合及结构状态等有关.具体的说,短网的配置方式应考虑下列因素:(1)炉子的功率大小:一般来讲,炉子的功率越大,短网配置的问题就越复杂.收稿13期:2Ol1一Ol一25作者简介:邵斌(I976一),男,贵州贵阳人,电气工程师,主要从事电气设计工作.?16?贵州化工GuizhouChemicalIndustry2011年6月第36卷第3期(2)炉子的形状(圆形系的有圆形,三角形和正方形;矩形系的有矩形和椭圆形),圆形系炉子的电极是正三角形布置,矩形系炉子的电极是并列布置.(3

6、)工艺要求的电参数,需用的电参数,需用的二次电压等级及相应的电流强度,这是考虑短网绝缘,载流体截面和电气联结要求的依据.(4)投资和回收年限,有色金属的节约和代用要求.(5)使用的电极(石墨,炭质及自焙)及其合理尺寸和允许极限尺寸.(6)电极根数及其在炉膛内的布置:中小功率电炉取三根,大功率电炉取三根或六根,一般来说,电极根数越多,导致短网配置就越复杂化.(7)短网穿过炉顶的可能性,热力作用程度和炉气的腐蚀性等.(8)生产操作的其它要求:电极升降及其上下行程,炉体有否回转,烧穿母线的电源供应(有无单独的烧穿变压器)等等.(9)变压器的组合:中小功率电炉采用一台三相变压器,大功率电炉可以考虑采用

7、三台单相变压器,选择变压器组合方式时,应考虑炉子的功率和台数,变压器的制造和运输,短网配置方式,电极根数,功率调节和厂房布置等因素,经过技术,经济比较,权衡得失,最后选择变压器的组合(10)变压器低压侧的可能接线方式:一般炉用变压器的各相线圈的头尾全部引出,以便短网的合理排列和接线(三角形或星形),个别的炉用变压器,其低压侧在制造时已经接成固定的三角形或星形.(11)变压器低压绕组结构及每相并联支路的引出数量:一般炉用变压器每相并联支路的引出数量,通常是二,四,六对,视载流量的大小而定.超过六对将导致变压器制造和短网配置负责化.(12)变压器引出端头的型式与部位,通常采用铜排式或铜管式引出,其

8、结构部位在变压器的顶盖上或侧壁.(13)变压器的安置位置:变压器的安装位置关系到短网配置的长度和对称性,为缩短短网长度,炉用变压器应尽量靠近炉体,并将变压器出线中心抬至短网母线中心同一高度.(14)变压器调压方式,功率调节方式:小功率的炉用变压器大都采用无载调压,中大功率的变压器一般采用有载调压.为了更好的满足工艺生产的需要,控制电极问的功率转移,可采用分相的有载调压.5短网的结构特点J(1)小型电炉(例如2000kVa)短网是在进入软电线处就接成三角形,通常称炉旁三角形,母排上流过的是相电流,而软电线及电极上流过的是线电流.大型电炉的短网一般是通过电极接成三角形,短网上流过的是相电流,电极上

9、流过的是线电流,显然,这样对短网和变压器的设计制造上克服大电流的困难很有益处.(2)尽量缩短短网长度,在满足运行和维修的条件下,使变压器尽量靠近炉子,将变压器抬高,使变压器出线标商和短网母线标高一致,以减小母线不必要的垂直部分,缩短短网长度.(3)在截面相同,动稳定允许的条件下,采用周边长,高度与厚度比值较大的矩形母线.一般母线厚度采用1015mm,高度与厚度之比为20:1,母线间距为1020ram.(4)在截面相同的情况下,采用直径较大的导电铜管(管厚取1015mm),以减小自感电抗.(5)电流相位相反的母线交错排列,并相互靠近,使互感应补偿自感应,降低合成阻抗;电流相位相同的母线间距离拉远

10、,以减小互感.并避免各并联支路的电抗不平衡,引起负荷分配的不平衡而造成附加损耗.(6)尽量避免在短网及电极周围构成铁磁回路(如普通钢构件),而引起附加电抗的增加,并在铁磁体内产生涡流损耗和磁滞损耗.尽量减少或拉远短网临近的铁磁零件.(7)采用电阻系数和电阻温度系数较小的导电材料.(8)采用磁阻大的非磁性材料代替铁磁性材料.(9)采用耐热的绝缘性能良好的绝缘材料.(10)选用比一般经济电流密度为小的电流密度.(11)尽量减少短网的导电接触连接点.在接触连接点不可避免时,则必须选用合适的金属材料,增加接触面,保持接触面清洁,防止氧化,充分散热,保证接触点上有足够的压力,以降低接触电阻,使导电接触连

11、接良好.对于铜铝的连接,采用铜铝过渡板.(12)大型电炉作馈电母线用的铜管(或铝管)以及靠近电极部分的导电铜管采用水冷却.(13)变压器低压侧出线端与母线连接处,采用软铜皮做成的补偿器(或补偿接头)进行补偿,以减轻热胀冷缩和机械振动对出线端的影响,避免变形和渗油.(对2000kVA电炉可不装补偿器).(14)短网母线用数量足够和绝缘可靠的夹件第36卷第3期邵斌:电炉短网设计?17?紧固之,保证电动稳定.(15)采用可挠性和散热情况较好的裸铜软电线(或水冷软电缆),适应电极升降的需要.(16)降低短网的运行温度,其措施就是用较好的隔热材料遮挡炉子对短网的辐射热.(17)考虑加工制造和维护检修的方

12、便.6几种典型短网的配置方式电炉短网设计中,有多种方式,但按其配置的接线特点,大致可分为四种方式:(a)三相Y接法圆形炉,(b)三相星形带中点延伸型接法圆形炉,(e)三相炉旁接法圆形炉,(d)三相通过电极接成形圆形炉.如图1所示.圆鹕固图1电炉四种方式短网配置示意图6.1星形(Y型)星形接线(包括变压器出口三角形接法)的短网中流过线电流,汇流母线不能头尾交错排列,三相短网参差程度较大,因而感抗,功率转移和负荷不平衡较明显增加,所以一般在小功率电炉上采用.当从节省短网导体材料,缩短短网长度,减轻三相短网参差程度及负荷需要分相控制的角度出发,在大功率电炉上也可采用这种接线方式,其短网配置穿过炉顶,

13、变压器中性点引出与炉底相连接.6.2星形带中点延伸型星带中点延伸型的短网配置方式,优点是局部地改善汇流母线区段的排列情况,缺点是消耗较多的有色金属.这种接线方式应用很少.6.3炉旁型炉旁型的短网配置方式,其根本也在于改善汇流母线区段的排列,使获得电流相位差为180.的汇流母线交错排列,更好地抑制互感电抗.在三角形回路内的电流为相电流.这种改良有局限性,而且消耗较多的有色金属.该接线方式在小功率电炉上应用甚多.6.4三角形(型)三角形接线是通过电极接成三角形的短网配置方式,它分不对称联接法和对称联接法两种,这种接线的明显优点:首先是短网各区段流过相电流,使汇流母线的头尾交错排列相当完善,而且类似

14、的作用部分地延伸到软电线和导电铜管,故其感抗较小;其次是短网非交错排列的导电铜管长度参差较小,且各相基本上对称,因此负荷分配平衡,功率转移相对减小.中等功率电炉多半采用一台三相变压器通过电极接成三角形的短网配置方式.大功率电炉可以采用一台三相变压器或三台单相变压器通过三根电极接成三角形或三台单相变压器对电极(三根或六根或更多)分布地供电的短网配置方式.上面讨论的短网配置的4种方式.严格地讲,短网配置方式只有Y形和形两种,星形带中点延伸和炉房型仅是过渡形式.形接线相对Y形接线,其互感电抗,功率因数,负荷分配和功率转移等指标优越,但对一般小型电炉可采用Y形,尤其是炉旁形的接线方式,而中型和大型电炉

15、采用形接线方式.6.5电炉几种典型短网的配置方式电炉几种典型短网的配置方式如图2所示.圆圆图2电炉典型短网配置示意图图中:(a)变压器出口接法圆形炉;(b)三相Y接法圆形炉;(c)三相炉旁接法圆形炉;(d)三相Y接法(短网穿过炉顶)圆形炉;(e)三相通过电极对称接成的圆形炉;(f)三台单相变压器分布供电的三电极接法圆形炉;(g)三台单相变压器分布供电的六电极圆形炉.(a),(b),(c)三种配置方式适用于小型电炉:(d)配置方式适用于中型大型电炉,尤其是负荷需要分相控制时;(e)配置方式适用于中型大型电炉;(f),(g)二种配置方式适用于大型电炉.7短网的电流密度由于短网的集肤效应和邻近效应较

16、大,所以按照一般规定的经济电流密度(J)选择短网是不太适当的,应加以降低,一般与所述二种效应所产生的综合系数(zx)的平方根成反比,即校正后的电流密度?l8?贵州化工GuizhouChemicallndustry2011年6月第36卷第3期(J)为:J=J?1/Zx(J的数值,铜采用1.8,铝采用0.91A/ram)电炉短网各区段所选择的电流密度值一般采用如下经验数据:(1)馈电母线:铜排为1.21.5A/ram.;铝排为0.60.9A/mm.;通水导电铜管为35A/ram;通水导电铝管为23.5A/ram.(2)软电线:软铜复绞线(TRJ型)为11.5A/mm,一般采用1A/ram左右;薄铜

17、带为0.91.3A/2瑚咖0(3)靠电极之通水导电铜管:靠电极之通水导电铜管为23A/ram.(4)相同金属接触面之允许电流密度(表1).表1相同金属接触面允许电流密度(A/raml电流铜(铜x铝0.7)(tfl黄x铜O.4)(铜x钢O.3)(砖1x青0铜.35)(锡x青0铜.55)(5)不同金属接触面允许电流密度(表2)表2不同金属接触面允许电流密度(A/mm)(6)电极与金属接触面的电流密度:铜铸件一石墨电极(接触面用水冷)5.5A/cm;钢铸件一石墨电极(接触面用水冷)3A/cm;钢铸件一石墨电极(接触面不用水冷)1.5A/cm;黄铜铸件一石墨电极(接触面不用水冷)2A/cm;铜铸件一炭

18、质电极(接触面用水冷)5A/cm;铜铸件一自焙电极(接触面用水冷)2A/cm.(7)电炉用电极所采用的电流密度:我们推荐适宜的电流密度范围(表3),随着电极直径的增大,所采用的电流密度取小值.表3不同材料电流密度范围A/cm)8结论虽然电炉短网长度不大,但其电阻,尤其是电抗对电炉装置工作有很大影响.在很大程度上电炉装置的效率,功率因数及炉子决定了是否能进行稳定生产.参考文献:1袁晓成.冶金企业电力设计手册M.北京:冶金出版社,2007.2柯林.新编钢铁企业机电设备技术手册M.北京;冶金出版社,2009.3北京钢铁设计院.钢铁企业电力设计参考资料M.北京:冶金工业出版社,1976.Thedesi

19、gnofelectricfurnaceshortwebSHA0Bin(GuizhouDonghuaEngineeringCo.,LTD.,Guiyang550002,China)Abstract:ThisaItielediscussedthedesignrequirementsofshortweb,thechoiceofconductiveelements,shortwebcollocation,shortwebstructuralcharacteristicsanddispositionways.Keywords:Electricfurnaceshortweb;compensator;transformer;setskineffect(上接第9页)StudyonSyntheticMechanism,Method,andModificationTechnologyofZeolitefromCoalFlyAshCAO(Collegeof