電弧爐工作原理及其對電能質量的影響

為了了解電弧爐對電能質量和電能效率影響的產生原因，需要對電弧爐設備的特殊性做一下簡單介紹。

1、電弧爐分類和工作原理

電弧爐是利用電弧能來冶煉金屬的一種電爐。工業上應用的電弧爐可分為三類：第一類是直接加熱式，電弧發生在專用電極棒和被熔煉的爐料之間，爐料直接受到電弧熱。主要用于煉鋼，其次也用于熔煉鐵、銅、耐火材料、精煉鋼液等。

第二類是間接加熱式，電弧發生在兩根專用電極棒之間，爐料受到電弧的輻射熱，用于熔煉銅、銅合金等。這種爐子噪聲大，熔煉質量差，已逐漸被其它爐類所取代。

第三類稱為礦熱爐，是以高電阻率的礦石為原料，在工作過程中電極的下部一般是埋在爐料里面的。其加熱原理是：既利用電流通過爐料時，爐料電阻產生的熱量，同時也利用了電極和爐料間的電弧產生的熱量。所以又稱為電弧電阻爐。

2、電弧爐的組成設備爐用變壓器

電弧煉鋼用變壓器應能按冶煉要求單獨進行電壓電流的調節，并能承受工作短路電流的沖擊。

電爐變壓器額定電壓的選擇要考慮許多因素。若一次側電壓取高些，則系統電抗小，短路容量大，可減少閃變，但須增加配電裝置費用。若二次電壓高些，則功率因素較高，電效率較高，但電弧長，爐墻損耗快，綜合效率變低。

一般電爐變壓器二次側均為低電壓（幾十至幾百伏），大電流（幾千至幾萬安）。為保證各個熔煉階段對電功率的不同需要，變壓器二次電壓要能在50%~70%的范圍內調整，因此都設計成多級可調形式。調整方法有變換、有載調壓分接開關等。變壓器容量小于10MVA者，可進行無載切換；容量在10MVA以上者，一般應是有載調壓方式。也有三相分別設置分接頭裝置，各相分別進行調整，可以保障爐內三相熱能平衡。

與普通電力變壓器相比，電爐專用變壓器有以下特點：a.有較大的過負荷能力；b.有較高的機械強度；c.有較大的短路阻抗；d.有幾個二次電壓等級；e.有較大的變壓比；f.二次電壓低而電流大。

電爐變壓器和電弧爐的容量比一般為0.4~1.2MVA/t。電弧爐的電流控制，是由電弧爐變壓器高壓側繞組分接頭的切換和電極的升降來達到的。

電抗器

為了穩定電弧和限制短路電流，需要約等于變壓器容量35%的電抗容量，串入變壓器主回路中。大型電弧爐變壓器，本身具有滿足需要的電抗值，不需外加電抗器；而小于10MVA的變壓器，電抗不滿足要求，需在一次側外加電抗器。電抗器的結構特點是：既使通過短路電流，鐵芯也不發生磁飽和。

電抗器可裝在電爐變壓器的內部，稱為內附式；也可做成裝在變壓器外部的獨立電抗器，稱為外附式。電爐變壓器一般要串聯電抗器，使得變壓器短路阻抗和電抗器電抗之和達到0.33~0.5標準值（以電爐變壓器額定容量為基準）。

容量小于10MVA的電爐變壓器，有時在其高壓側裝有串聯電抗器，以降低短路電流和穩定電弧。對于較大容量的電爐變壓器，它本身的漏電抗已足夠大，不需再串聯電抗器。

高壓斷路器

煉鋼電弧爐對高壓斷路器的要求是：斷流容量大；允許頻繁動作；便于維修和使用壽命長。電弧電阻爐負載平穩，連續運行，常用多油或少油式高壓斷路器，煉鋼電弧爐斷路器經常跳閘，多選用六氟化硫斷路器、電磁式空氣斷路器、真空斷路器等。

電流互感器

大型煉鋼電弧爐的二次電流很大，無法配用電流互感器。因此，低壓側儀表，電極升降自動調節電流信號，都接到高壓側電流互感器上，或接在電爐變壓器的第三繞組上（可變變比）。

電磁攪拌器

為了強化鋼液與熔渣反應，使鋼液溫度和成分均勻，在煉鋼電弧爐爐底部，加裝電磁攪拌器。

攪拌器由繞有兩組線圈的鐵芯構成。它本身相當于電機的定子，溶池中的鋼液相當轉子。攪拌器線圈中通以可產生移相磁場的兩相低頻電流，磁場使鋼液中產生感應電流，移動磁場與感應電流相互作用，使鋼液在電動力的推動下，順著移動磁場移動的方向流動，從而使鋼液得到了攪拌。

采用電磁攪拌的電弧爐，其爐底要用非磁性鋼板制成。為了改變電磁攪拌器的攪拌力，要求采用可調頻率的低頻電源，其頻率在0.3~0.5HZ內調節。一般采用晶闡管變頻電源。需加裝電容器以提高功率因素，并加裝電抗器防止產生諧振。

通過對電弧爐設備的電氣特性的分析，可以得出以下結論：

a) 為使電弧爐工作中不發生斷弧現象，當電流瞬時為零時，電弧電壓Uh必須大于引燃電壓。

b) 為限制短路電流，變壓器二次回路必須有一定的電抗值，功率因素不能過于接近1。對于普通電弧爐回路工作點的功率因素范圍在0.8~0.85之間；對于高功率的電弧爐，在0.7~0.8之間。

c) 電壓閃變問題：用電負荷劇烈波動，造成供電系統瞬時電壓驟升驟降。

3、電弧爐對電能質量的影響

電弧爐的冶煉過程分兩個階段，即熔化期和精煉期。在熔化期，相當多的爐內填料尚未熔化而呈塊狀固體，電弧阻抗不穩定。有時因電極都插入熔化金屬中而在電極間形成金屬性短路，并且依靠電爐變壓器和所串電抗器的的總電抗來限制短路電流，使之不超過電爐變壓器額定電流的2~3倍。不穩定的短路狀態使得熔化期電流的波形變化極快，實際上每半個工頻周期的波形都不相同。

在熔化初期以及熔化的不穩定階段，電流波形不規律，故諧波含量大，主要是第2、3、4、5、6、7次諧波電流。據西北電研院實測，第2、3、5次諧波電流含有率常達5%~6%及以上，嚴重時可達20%以上。但當某一次諧波電流達到很大值時，其他次諧波電流一般會是較小值。

電弧爐電極間電壓的典型值在100~600V范圍，其中電極壓降約為40伏，電弧壓降約為12V/cm、電弧越長壓降越大。在熔化期電弧爐的電壓變化大，最高和最低電壓可相差2~5倍。由于電弧爐負荷的隨機性變化和非線性特征，尤其在熔化期產生隨機變化的諧波電流，除了離散頻譜外、還含有連續頻譜分量。含偶次諧波，表明電弧電流的正、負半周期不對稱；含連續頻譜和間諧波，表明電弧電流的變化帶有非周期的隨機性。

在熔化期三相不平衡電流含有較大的負序分量。當一相熄弧另兩相短路時，電流的基波負序分量與諧波的等值負序電流可達正序的50%~70%。這將引起公共供電點的電壓不平衡，對電機的安全運行影響較大，尤其對大電機的影響更為嚴重。

實際上電弧爐最重要的影響還不是諧波問題，而是電壓波動和閃變。大型電弧爐會引起對電網的劇烈擾動，有的大型爐的有功負荷波動，能夠激起鄰近的大型汽輪發電機的扭轉振蕩和電力系統間聯絡線上的低頻振蕩。此類沖擊性負荷會引起電網電壓波動。頻率在6~12HZ范圍內的電壓波動，即使只有1%，其引起的白熾燈照明的閃光，已足以使人感到不舒服，甚至有的人會感到難以忍受。尤其是電弧爐在接入短路容量相對較小的電網時，它所引起的電壓波動（有時還包括頻率波動）和三相電壓不平衡，會危害連接在其公共供電點的其他用戶的正常用電。

電弧爐的基波負序電流也較大，熔化期平均負序電流為基波正序電流的20%左右。最大負序電流都發生在兩極短路時，但這時諧波電流含量不大。必須指出，電弧爐的電壓波形變化是隨機性的，所以當數臺電弧爐同時運轉時，它們引起的各種擾動不會和電弧爐的臺數成正比，而是要小一定數值，一臺30t的電弧爐的電能擾動影響比6臺5t電弧爐的影響要大得多。從閃變影響來講，6臺5t的電弧爐尚不及一臺10t爐的影響大。電弧爐的諧波影響也是主要取決于最大一臺爐的容量，而較少信賴多臺爐的總容量。國內外經驗表明，"超高功率"電弧爐有時成為當地最重要諧波源和多種擾動源。但對于短路容量很小的電網，小電弧爐也能成為重要的諧波源。

以下是某電弧爐在熔化期的閃變和諧波的數據。

被測設備：三相交流電弧爐，額定工作電壓：260V，額定電流：12000A，功率：5500Kw

1）電弧煉鋼過程閃變測試

上圖表示電弧開始熔化煉鋼時的電壓中含有大量的瞬態電壓浪涌，最大尖峰值達到448V，平均每小時的發生頻率達到633600次。

上圖顯示即使在熔清狀態，電壓中仍然含有大量的閃變，達到168400次，尖峰值達到352V。

2）電弧煉鋼過程諧波總畸變率測試

通過對熔化期電壓諧波總畸變率進行連續測試，得到如下數據：

加料后熔化期初始的電壓諧波總畸變率27.4%

加料后熔化期末期的電壓諧波總畸變率7.0%連續測試的電壓諧波總畸變率數據及變化如下圖表：

以上數據顯示，由于嚴重的閃變的影響，電弧爐工作系統中的諧波總畸變率超過了國家標準規定的5%，嚴重時可以達到27%，對于電網系統會產生大量的諧波污染。

可以看出，電弧爐做為非線性及無規律負荷接入電網，將會對電網和其他負載產生一系列的不良影響，其中主要是：

·  導致電網嚴重三相不平衡，產生負序電流

·  產生高次諧波、其中普遍存在如2、4次偶次諧波與3、5、7次等奇次諧波共存的狀況，使電壓畸變更趨復雜化

·  功率因素降低

在一個電網中，電壓的改變會影響所以接于這個電網的負載，因此電弧爐對電網的影響可以稱為電網的環境污染。必須采取技術措施進行抑制。當電弧爐功率大于電網短路功率的1/80時，通常需要考慮對電網的影響問題。

4、電弧爐對電能效率的影響

4.1電弧爐的用電環境和狀況用于冶煉的電弧爐一般有三個特征工作階段：

·  開始熔化階段，固體爐料熔化，能量需求最大

·  初精煉及加熱階段

·  精煉期，此階段輸入能量只需平衡熱損壞

普通交流電弧爐的冶煉周期約為3~8h，取決于供電電路參數、電爐容量和冶煉的工藝等。熔化期約0.5~2h，為三相不對稱的沖擊負荷，電流極不穩定，消耗電能大、約占總耗電量的60%~70%。氧化和還原的精煉期電壓波動和耗電量都顯著降低。

在廢鋼冶煉時電弧爐的工作特性為：

·  在開始熔化時電弧頻繁出現截斷和重新燃弧

·  全熔化期出現電弧波動，并導致電流急劇變化

·  發生塌料導致短路

普通電弧爐回路工作點的功率因素范圍在0.8~0.85之間；對于高功率的電弧爐，在0.7~0.8之間。較低的功率因素必然造成電能效率的低下。

4.2電能效率的影響

電弧爐對于電能的浪費主要表現在二個方面，一是功率因素較低，二是在熔化期間產生大量的閃變和諧波。

閃變是引起諸如諧波失真、電壓電流失相等等多種副作用的最主要原因。"閃變"(Transients)是交流正弦波電路上電流與電壓的一種瞬態畸變。其主要的表現形式為浪涌、尖峰、諧波等。美國著名能源理論家赫斯菲爾德博士認為，這種畸變的主要特點是超高壓、超高速、超高頻次。

超高壓：指閃變尖峰高出正常電壓幅值的2-50倍，最高可達500-10000伏。

超高速：指閃變尖峰發生在極短的時間內，它可以在數萬億（百萬的二次冪）分之一秒內完成從迸發到消失的過程。

超高頻次：指閃變尖峰的活動十分頻繁，可以說閃變無時不在、無處不在，一盞燈的開關、一個家用電器的啟動、甚至電腦鍵盤或鼠標的點擊，就有數十個閃變產生，電壓高達500-1200伏。

即使到目前，這些高壓高頻次的閃變作為敏感電力設備被破壞原因之一的事實仍然被忽視。而且另一方面，我們知道，電功等于電流和電壓的乘積，電壓或電流的瞬時增長會導致更大的瞬時消耗功率，由于電弧爐加熱端是阻性負荷，這些瞬時電壓或電流不能參與電弧爐的起弧和加熱，只能以無效功率的形式通過反饋到感性負荷中以鐵損和線損的形式散發，而電弧爐系統中的感性負荷是變壓器，這些瞬時無效功率在變壓器中的消耗對于冶煉過程沒有任何貢獻，這是在電弧爐工作時長期未予考慮的。

暫且不考慮電弧爐由于功率因素較低產生的電能浪費現象，僅考慮在冶煉熔化期產生的大量閃變，我們就可以知道，電弧爐的電能效率相對于平穩運行（產生閃變數量很少）的同等額定功率的設備來說也是較低的。

抑制或還原電弧爐在冶煉熔化期產生的閃變的數量和閃變尖峰值，將這部分無效功率轉變為有效功率，既可以提高電弧爐的電能效率，節省電能，也可以消除其對電網的沖擊和污染，同時對敏感電力設備起到保護作用。