电弧炉短网1.docx

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电弧炉短网1

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。

见图6。

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＝K20（1＋t）l/S

R――导体交流电阻，

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

20――电阻率，·mm2/m

20C时，铜为0.0175·mm2/m

铝为0.029·mm2/m

1000C时，石墨电极为12·mm2/m

――电阻温度系数，铜为0.0043

铝为0.036

t――母线允许温升，一般为50C

l――导体长度，m

S――导体截面，mm2

在t＝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/Sx10-3

3.1.2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=1.03

2）矩形三相交错组合母线，KC=1.03

3）在电极上接成三角形，在电极夹板的水冷导体，KC=1.07

4）用软电缆组成的软编束导体，KC=1.3

3.1.4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R0

2）在手册上查出集肤效应系数KS

3）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0.2

3.1.6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稳定性能的材料（石棉、硅及其它材料），保证了电缆的橡皮外套不受热辐射和弧焰的烧损。

水冷电缆负荷能力较大，理论上可以在电流密度为10A/mm2或更高的情况下运行。

水冷电缆的最佳电流密度应当在技术――经济核算的基础上来选择，技术经济核算是根据全年运行费用（主要包括电缆的折旧费和电缆中消耗的电费）的最低值来考虑。

随着电流密度的升高，水冷电缆的折旧费将减少，但是电缆中损耗的电费将增加。

在电炉的实际运行中，水冷电缆的电流密度一般在4A/mm2～6A/mm2。

4.1水冷电缆的长度及截面计算

水冷电缆，一端接在电炉变压器的引出铜牌上，另一端则与电极臂是的导电件相连，并随电极的升降或电炉的倾动而移动，一般情况下，当电炉倾动到最大倾角时，电缆绷得最紧，如电缆长度过短，绷紧时张力过大，会引起炉子结构件损坏或电缆在连接处切断，如电缆长度过长，则不仅浪费昂贵的铜材，也会增加不必要的电力消耗。

4.1.1电弧炉软电缆的曲线方程和长度

假设软电缆非常软，吊挂在A1（x1,y1）点和A2（x2,y2）点上，这两点的水平距离为l，垂直高度差为H（如图7），

则这条软线的方程是：

式中k=T0/

T0－软线的水平张力，kg

－软线的线密度，kg/m

α－软线的斜角

由图7可知

l=x2-x1（3）

H=y2-y1

电缆的长度：

由（4）和（5）得：

当s>>H时

由以上可以看出，电缆长度（s）和其两端连接点的位置（l和H）、电缆的线密度（）、电缆张力的水平分力（T0）之间的关系。

4.2电缆在两端连接处的张力

如图8所示，在连接点A2处的张力：

同样：

而：

因为x1=x2-l,所以（9）可以写为：

由（10）和（11）式得：

解方程（12）得：

将式（6）代入上式，可得：

利用式（13），在选定k值后，就可以计算出两端连接处的张力。

4.3电缆长度的选定

从式（13）可以看出，在l和H已确定的条件下，电缆的张力T2、T1是K的函数，将以上T2、T1式求导，并令：

可得：

当H/l确定后，就可求得l/2k的值。

由此可利用（6）式和（13）式分别求出电缆的长度S和其两端连接点处的张力T1和T2，而且这时的张力应该是极小值。

当电缆的两端连接点A1和A2在同一水平上，即y1=y2时（H＝0）或l>>H时，则（14）式可写为：

解方程（15）得：

这时由（7）式可得电缆长度：

由（8）和（9）式可得这时两端连接处的张力为：

对于大多数电弧炉来说，即使炉子倾动角为450，H/l也不大于0.3；现取H/l=0.3,解方程（14）则得：

这时由（6）式可得电缆长度：

所以：

从（16）和（18）两式可看出，在电弧炉设计时当l确定之后，电缆长度s=（1.258～1.302）l就可以了，一般可取：

由（13）可得两端连接处的张力分别为：

在电炉和变压器位置已经给定的情况下，这时l和H已经确定，如果电缆长度s>1.3l就完全没有必要了，反之为了减少电炉短网阻抗、节省电缆材料而使s<1.28l，则会使电缆的连接端处张力大大增加，增加土建结构的难度，也没有必要。

5导电臂的选择及电极夹持力的计算

5.1导电臂

电极臂是短网的一个重要组成部分，它的电参数直接影响短网的参数，影响炉子的运行，其主要作用是将电流传输到电极，并能支撑电极，所以，以前炉子上的电极臂设有专门的导电铜管，用钢结构支撑电极。

这种结构在目前的中小炉子上还有应用。

导电臂上没有专门用于导电的铜管，电极电流直接从电极横臂传输到电极上，此种导电臂用铝合金板或铜钢复合板制成，臂内有水隔层，液压电极夹紧机构安放在臂内，从外表看起来非常简单而且导电连接也容易处理。

这种导电臂一般采用“抱紧”夹持电极，且前部弧形板也采用水冷，使整个电极横臂都在水冷之中，对提高可靠性是非常有利的。

导电横臂几何半径大，横臂部分的电抗比其他形式小得多，因此大大降低了整个短网的阻抗，使冶炼时间缩短，电耗及电极消耗下降，热停工减少。

目前，我国许多电炉附件厂都能够制作复合导电横臂，因此50t以上的电炉（精炼炉）都采用复合导电横臂。

5.2电极夹紧力的计算

电极夹紧力目前均采用估算，一般有以下两种方法：

1）以夹紧处的接触电阻为基础：

F>Kr*I*P（kg）

式中：

I…电极电流（KA）

P…每千安电流所需的夹紧力（一般为250kg/KA）

Kr…安全系数，一般取2～3，

2）以夹紧电极为目的：

F>Kr（Ge/2f）

式中：

Ge…电极重量（kg）

f…电极与导电夹板间的摩擦系数（冷态时f≈0.15～0.18）

Kr…安全系数，一般取3～4

以上两个公式可以互相校核。

取其大者。

有很多影响夹紧力的因数没有反映出来，如实际电极直径误差；温度较高时接触面间的摩擦系数和导电性能；接触处的清洁状况；夹紧机构中弹簧刚度误差；电极升降时动态附加力等等，这许多因数都归纳到安全系数中了，以上两个公式在实践中均得到了验证。

6温度补偿器的选择

短网的炉子变压器的输出端的连接，一般是通过温度补偿器实现的，温度补偿器的作用主要有：

1）、在制造和安装过程中，载流体相对于设计尺寸肯定有误差，补偿器可改善刚性母线到变压器输出端的连接条件。

2）、补偿器可减轻炉子在运行过程中刚性母线束热膨胀所传给变压器的附加机械应力。

基于以上两个条件，且更多的是考虑连接条件，目前，对于1500KVA以上的变压器，都装设了温度补偿器。

补偿器由束状软铜带组成，软铜带厚0.3～0.5mm，宽度80～150mm。

一般不超过150mm，对于宽度为300mm的铜排式输出端，可采用宽150mm的两个补偿器并联使用。

对于铜管式输出端，一般有过渡接线板，可按过渡接线板的宽度，选择不大于150mm宽的补偿器单独或并联使用。

对于铜排式输出端，补偿器弯曲部分的长度一般取300mm左右。

对于铜管式输出端，要求补偿器的长度较长，要考虑变压器的管式输出端与相应的管式刚性导体之间应有足够的距离安放冷却水进出用的阀件和软管。

在设计、制造、安装补偿器是，必须注意到，要防止变压器出线端不受热膨胀力的影响，要避免补偿器直接在变压器出线端附近发生意外的短路事故。

1）、不允许补偿器的弯曲部分过长。

2）、不允许短网在运行过程中补偿器的工作部分有反向弯曲的可能性。

3）、在不同极性的相邻补偿器之间安装上电气绝缘挡板，该绝缘挡板应具有良好的热稳定性和较高的机械强度。

7短网导体的电气绝缘

任何一种线路及任何一种结构的短网，其工作情况的好坏与电气绝缘的可靠性有很大的关系。

电炉短网在特殊环境中工作，其特点是：

1.对于工作电压较低的大容量炉子，为了输送强大的工作电流，短网导体由数量很多的大截面铜排或铜管制成。

2.为了保证炉子有合理的电气参数，短网应具有尽可能小的电阻和电抗，因而短网不同极性的二导体布置得很靠近。

3.短网的个别构件运行在炉子热辐射强烈的地区，有的还有可能受弧焰的烧损。

4.短网多数构件运行在尘埃很多的环境中。

5.大多数炉子短网的检修和大修时间与超负荷运行的程度有关。

自然冷却的钢性母线不能整体绝缘，因为整体绝缘难以排除母线热量，以致引起母线过热。

因此母线束中的地区绝缘通常只在夹紧固定处进行；单极性的母线束中，母线仅对地绝缘，不同极性的母线束，除对地绝缘外，不同极性母线之间也要绝缘。

通常采用一定厚度的石棉水泥板作为母线束基本的电绝缘材料，母线间主要衬垫一般是由20mm厚的绝缘板制造的，主要衬垫之间的在母线旁的缝隙由辅助衬垫来充填，而辅助衬垫的厚度应与母线厚度相等。

压紧母线束用的金属零件，应当采用非磁性钢或硅铝合金制成。

在选择短网导体的绝缘材料时，必须考虑四点因素：

1.绝缘发热的最高温度，它即可能是由于被绝缘导体中的电流所产生，也可能是由于炉子的热作用产生。

如位于炉子构架上的可动钢性导体（电极臂）的电气绝缘工作在120ºC～180ºC的高温中，个别部位的工作温度达到300ºC甚至更高。

2.材料的机械强度，应与实际的机械负荷相适应。

3.地区绝缘所起的重要作用，应从绝缘破坏可能引起的后果来看。

4.绝缘材料的价格和通用性。

8线路上的可拆卸连接

除了电极夹紧连接外，在短网系统中，还有几处可拆卸连接，即变压器二次出线端――补偿器――硬母线――软电缆――电极臂上导电铜管（或导电横臂），此外还有为方便设备的装、拆或运输等而设置的可拆卸连接，如电极夹头上导电鄂板的连接。

短网系统的故障主要发生在这些可拆卸连接处和夹头的活连接处。

可拆卸连接目前主要是用螺栓压紧方式，个别地方有用钎焊，或两者并用，正常设计情况下，螺栓连接的压紧强度大大地超过250kg/KA，因此在冷态时不必担心连接处的接触电阻问题，应该注意的倒是紧固的可靠性。

二其主要影响因素是“热”。

紧固螺栓受热后，使压紧强度大大降低，计算表明，常用的1Cr18Ni9螺栓，当其温度从20ºC升高到90ºC时其压紧力仅为原来的20％左右，使连接处的接触电阻大大增加，接触电阻热引起的温升又进一步使连接松散，最后导致连接失效。

采用铜基合金（如铬铜合金）其线膨胀系数与铜接近，能保证压紧力的相对稳定。

使紧固件温度升高的热量主要有以下几部分，如从炉顶散发出来的辐射热和炉气的热，大电流交变磁场引起的感应加热，以及电炉大电流从紧固件中分流引起的直接电阻加热。

应根据实际情况采取相应的对策加以避免。

可拆卸连接中紧固件材料，尤其是电极夹紧那部分的材料是很难选择的，要兼顾磁性――非磁性；温度――蠕变；温度――线膨胀以及冷态机械性能，价格等方面的因素，有时甚至不得不选择昂贵的合金材料，但最简单的办法是水冷、隔热、磁屏蔽，再结合恰当的材料。

简单可靠的水冷导电铜管的可拆卸连接一直受到设计人员的重视，它既可方便装、拆，具有优良的导电能力，又有可靠的水密封性。

短网的设计技术、材料、元器件、制造工艺等目前已经十分成熟，本文的主要目的是让同行门了解在设计短网时应注意的一些问题。

参考文献

〔1〕国家标准GB10067.2-88《炼钢电弧炉基本技术条件》

〔2〕专业标准ZBK4001-87《电弧炉变压器》

〔3〕《钢铁企业电力设计手册》，冶金工业出版社

〔4〕《电弧炉短网及其参数》，西安变压器电炉厂译

〔5〕《交流电弧炉短网的技术改造》，宜兴市大电流导体研究所