电弧炉短网1.doc

电弧炉短网设计要求及应用自动化一室 李吉诚 〔摘要〕本文从：三角形封头后短网布置；短网电阻及电抗的计算；水冷电缆的长度及截面计算；导电臂的选择及电极夹持力的计算；温度补偿器的选择；短网导体的电气绝缘；线路上的可拆卸连接等几个方面详细阐述了电弧炉短网的特点及设计应用时应注意的问题文中认为：短网的空间正三角形布置已经成为现代电炉短网设计的唯一选择短网运行的可靠性，要由导体的优良可拆卸连接结构和合理的选择紧固件及其材料来保证，应该采取措施避免来自各方面的热影响 〔关键词〕短网，水冷电缆，温度补偿，电气绝缘，可拆卸连接1 电弧炉短网各组成部分简介 电炉是炼钢工业的重要工艺设备，在冶炼过程中，需要向炉内输送几十千安乃至上百千安的强大电流，这样大的电流就是靠短网输送的短网也称大电流线路，是指从变压器二次出线端到电极（包括电极）的载流体的总称1.1 短网的组成短网构件分以下几个部分：1） 补偿器――将炉子变压器的低压端同短网固定部分连接起来2） 母线排――短网最长的固定部分，它可能是矩形铜排，也可能是水冷铜管3） 固定连接座――用于联接从母线排到短网的水冷挠性电缆并传输电流。

4） 水冷挠性电缆――用于将电流从固定联接座传输到同电极夹持器一起移动的可动联接座5） 可动联接座――用于联接水冷挠性电缆和电极夹持器6） 电极夹持器的导体和引线结构7） 电极夹持器夹头――用于将电流从电极夹持器导体传输到电极，并防止电极掉落8） 电极 短网主要由大电流母排（水冷）、水冷挠性电缆、自导电横臂（以前的电炉及现在的个别精炼炉也采用导电水冷铜管）、电极等部件组成当然，补偿器、电极夹头等也是短网不可分离的部件，但对短网参数起决定作用的部件还是大电流母排、挠性电缆、自导电横臂和电极四大部分1.2 短网的特点电炉短网具有以下特点：a. 电流大在短网导体中流过几十千安乃至上百千安的强大电流，必将在短网导体四周形成强大的磁场，在短网导体及其四周的钢铁构件中降产生很大的功率损耗，引起发热b. 长度短整个短网长度，大型炉子不超过20米，由于短网损耗非常大，在设计时，应尽量缩短其长度，特别是水冷挠性电缆的长度，以便最大限度地降低短网的损耗c. 结构复杂短网各段导体的结构，形状不同，并联导体根数不同，排列方式也不同，因此，在进行短网的设计时，既要考虑集肤效应和邻近效应的影响，按规定的电流密度选择导体截面，又要注意导体的合理配置，最佳换位，使有效电感尽量减小，各导体电流均衡及各相参数尽量接近。

d. 工作环境恶劣短网导体是在温度特别高，导电尘埃特别多的恶劣环境下工作实践证明，短网的电参数对炉子的正常运行起作决定性的作用，炉子的生产率、炉衬寿命、功率损耗及功率因数等在很大程度上都取决于短网的电参数的选择一个合理的短网设计必须保证炉子的电弧稳定燃烧，具有最小的电损耗，较高的功率因数，三相功率平衡，必须使短网的电阻和电抗为合理的最小值，三相阻抗平衡，对短网结构的材料使用方面，要尽量节约，特别是有色金属的消耗要尽量小，维护简单，运行可靠短网构成如图1所示1.3 三角形封头点的选择电炉变压器低压线圈在短网上的封口点，有以下几种方案：在变压器出线端接成三角形这种接法为单线，短网阻抗较大，一般不采用见图2-a）在大电流母排末端接成三角形，即在水冷电缆的固定连接座上（在变压器室外墙的穿墙板处），此时，“双线制”母线束从变压器箱体上引至硬铜牌末端目前，100t以下的电炉，大多采用此种型式见图2-b）在挠性水冷电缆的末端接成三角形，即接在水冷挠性电缆的可动连接座上这种情况下，大电流母排及水冷挠性电缆均为“双线制”接线，短网电抗能够明显减少，但是结构复杂，此方案用于100t以上的、采用在大电流母排末端接成三角形不能满足要求的大电炉。

见图2-c）在电极上接成三角形，“双线制”一直至电极夹头上此方案结构复杂，除了能获得较低的电抗外，没有其它任何优点，一般不采用见图2-d）2 三角形封头后短网布置方式2.1 普通平面布置：电炉在工作时，即使在变压器的二次侧三相电压和电弧电流相等的情况下，三相电弧功率仍不平衡这种不平衡是由三相阻抗不平衡造成的例如，短网的三相导体采用非对称布线时，如图3所示，虽然在A～B、B～C之间的距离相等，但A～B和A～C之间的距离不等，这样由于邻近效应，导体间产生的互感值不同，造成中间相电抗最小，电弧功率最大，这是引起三相电弧功率不平衡的主要原因三相功率不平衡会降低炉子的生产率，增大冶炼电耗，使增强相电弧附近炉壁和炉顶损坏严重该种布置方式仅适用于5t以下的小型电炉2.2 修正平面布置：如图4，修正平面布置的“修正”基本方法是在普通平面布置短网的基础上，将外侧相导体间距加大，中间相导体间距缩小，或增大外侧相导体截面，减小中间相导体截面，或减少中间相导体根数，均可使三相电抗趋于相等，而使三相功率趋于平衡实际上并非这样简单，按一般情况，“修正”方法要求中相导体的半径是两侧相的1/4，若每相都是单根导体，要做到这一点是不可能的。

因此每相要用多根导体，并引入“几何半径”、“几何距离”这些概念实际电弧炉中，采用修正平面满足，短网的两侧相组合导体的自“几何半径”与侧相、中相间的“几何距离”相差很小，用简单的计算方法会产生很大的误差这种布置方式弄不好会使两侧相组合导体中的电流分配严重不均匀如果我们分析电弧炉的等效电路，就可看出，三相导体空间不对称时，在其电极下的电弧“电阻转移”，也就是功率转移是不可避免的转移值的大小与三相线路中互感抗量的差值成正比，在修正平面的短网系统中，修正得愈多，功率转移的分量也愈大2.3 正三角形布置：将短网的三相导体分别布置在等边三角形的三个顶点位置上，如图5所示，使各项导体彼此间的距离相等，各项的电抗值也基本上是相等的，三相电弧的功率也就趋于平衡在炉子短网长度相同的情况下，空间正三角形布置短网的感抗比平面布置的大约要大10％，再加上空间正三角形布置时，中相线路要加长一点，实际线路感抗的增加还会多一些，但是，这些增量是能够容忍的目前，国内外的大型电弧炉大多数都采用空间三角形的短网布置由于大型电弧炉采用偏心炉底出钢（EBT），可使水冷挠性电缆比用来缩短2～3米，电极极心园也可设计的足够小，因此可使短网的感抗减少很多，且目前，几乎所有的电炉均采用长弧冶炼工艺，有高的电弧电压，空间三角形的短网结构已经成为现代电炉短网设计的唯一选择。

2.4 修正三角形布置：修正三角形布置是修正平面布置的改型，三相导体的惯性中心在空间上位于三角形的三个顶点上，各相导体的数量相同，中相导体的间距缩小，边相导体的间距加大修正三角形布置其目的是将修正平面布置和正三角形布置的优点结合起来，由于布置较为复杂，实际应用较少3 短网电阻及电抗的计算短网的特点是长度短，电流大，截面的形状复杂，因此，短网的计算也非常繁琐和复杂，并且这种复杂性由于短网接线方式及空间布置的多样化而更加复杂，因此短网的计算也只能是近似的但这种计算又非常重要，因为它能帮助我们分析和比较各种不同的短网结构，估算电炉设备的电气参数以及估计短网的各区段在电能平衡中所起的作用3.1 电阻计算交流电流的电流密度在导线截面上的分布是不均匀的，因此导线截面没有完全被利用，使导线的电阻在通过交流电时要比通过直流电时大些短网母线等效有效电阻的计算要考虑集肤效应和邻近效应的影响3.1.1 导体交流电阻： R＝R0KSKC＝R0K＝Kr20（1＋aDt）l/S R――导体交流电阻，W R0――母线温度70C时的直流电阻 KS――集肤效应系数 KC――邻近效应系数 K――综合系数，K＝KSKC r20――电阻率，Wmm2/m 20C时，铜为0.0175Wmm2/m 铝为0.029Wmm2/m 1000C时，石墨电极为12Wmm2/m a――电阻温度系数，铜为0.0043 铝为0.036 Dt――母线允许温升，一般为50C l――导体长度，m S――导体截面，mm2 在Dt＝50C，1m长导体直流电阻为 铜导体，R0＝0.0175(1+0.0043x50)/S＝21/Sx10-3 铝导体，R0＝0.029(1+0.0036x50)/S＝35/Sx10-33.1.2 集肤效应系数：集肤效应系数KS，与很多因数有关，如电阻率、磁导率、电流频率、 导线截面大小和形状等，其值不可能用公式计算，可以从手册上查找到。

3.1.3 邻近效应系数：一导体对另一导体的影响称为邻近效应，磁通除了对流有电流的导体本身电阻产生影响外，当多根导体平行布置时，它们的磁通还相互影响邻近效应系数KC就是一导体处在另一导体磁场中时的电阻与该导体单独存在时的电阻之比，邻近效应系数KC总是大于1，该系数也可以在手册上查到一般有如下数据：1） 矩形单相交错组合母线，KC=1.032） 矩形三相交错组合母线，KC=1.033） 在电极上接成三角形，在电极夹板的水冷导体，KC=1.074） 用软电缆组成的软编束导体，KC=1.33.1.4 平行导体导线束电阻计算由几根平行导线所组成的导线束的电阻可按下述方法计算：1）首先算出导线在通以直流电时的电阻R02）在手册上查出集肤效应系数KS3）确定相邻导线中的每一根导线的邻近效应系数KC1、KC2、KC3……KCn导线在通以交流电时的电阻R，可由下式确定： R＝R0KC1KC2KC3KCn用同样的方法算出每一根导线的电阻，然后取其平均值,全导线束总电阻则为3.1.5 接触电阻 大电流回路的接触电阻在短网总电阻中起作重要作用短网中接触连接的地方较多，而且有时接触连接的电阻甚至会超过整个短网导体本身的电阻。

如果接触不良，将使导体连接处过热，并使炉子的工作遭到损害因此，短网在运行情况下，可靠的接触是非常重要的接触电阻决定于下列因素：1） 接触面材料的电阻率2） 接触面上的压力，它随着压力的增加而减小3） 接触面的表面状态，当表面存在氧化物时，接触电阻将增加4） 接触面的温度，随着金属导体的温度升高而增加任何形式的接触电阻值均可以用下式求得：其中：Rc――接触电阻，Ω C――与材料和接触面状态有关的系数，可从手册上查出 P――接触面上的总压力，N M――与接触点的数量和接触方式有关的系数，面接触为1，线接触为0.7，点接触为0.5，对于电极接触器可取0.5短网中遇到的接触电阻中，数值特别大的是电极夹持器与电极之间的电阻，该电阻值取决于电极夹头的夹紧程度及电极和夹头的材料电极夹持力可按下式计算其中：Gtw――电极总重量，kg f――电极对电极夹头内表面的摩擦系数，一般取0.23.1.6 介入电阻靠近带电体的电炉结构件，在磁场强度相当大的交变磁场中受到磁感应作用，如果这些材料是磁性材料制造的，会产生能量损耗，考虑到这种附加损耗，在短网导体的有效电阻中引进一个附加电阻――介入电阻。

介入电阻一般取短网电阻的20～30％3.2 电抗计算：电炉短网是由一系列不同导体段组成，电抗计算非常复杂，其计算方法在《钢铁企业电力设计手册》第22章有详细描述，本文不再重复4 水冷电缆由于自然冷却的电缆不能很好的防止来自热作用和化学作用，所以电炉上采用水冷电缆是非常合理的，水冷电缆采用了具有高热。