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

1、電弧爐分類(lèi)和工作原理

電弧爐是利用電弧能來(lái)冶煉金屬的一種電爐。工業(yè)上應用的電弧爐可分為三類(lèi)：第一類(lèi)是直接加熱式，電弧發(fā)生在專(zhuān)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(lèi)是間接加熱式，電弧發(fā)生在兩根專(zhuān)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(zhì)量差，已逐漸被其它爐類(lèi)所取代。

第三類(lèi)稱(chēng)為礦熱爐，是以高電阻率的礦石為原料，在工作過(guò)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(guò)爐料時(shí)，爐料電阻產(chǎn)生的熱量，同時(shí)也利用了電極和爐料間的電弧產(chǎn)生的熱量。所以又稱(chēng)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(jìn)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(cháng)，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(wàn)安）。為保證各個(gè)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(kāi)關(guān)等。變壓器容量小于10MVA者，可進(jìn)行無(wú)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(jìn)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(zhuān)用變壓器有以下特點(diǎn)：a.有較大的過(guò)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(gè)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(lái)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(mǎn)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(mǎn)足要求，需在一次側外加電抗器。電抗器的結構特點(diǎn)是：既使通過(guò)短路電流，鐵芯也不發(fā)生磁飽和。

電抗器可裝在電爐變壓器的內部，稱(chēng)為內附式；也可做成裝在變壓器外部的獨立電抗器，稱(chēng)為外附式。電爐變壓器一般要串聯(lián)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(shí)在其高壓側裝有串聯(lián)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(lián)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(dòng)作；便于維修和使用壽命長(cháng)。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(jīng)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(wú)法配用電流互感器。因此，低壓側儀表，電極升降自動(dòng)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(xiàn)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(xiàn)圈中通以可產(chǎn)生移相磁場(chǎng)的兩相低頻電流，磁場(chǎng)使鋼液中產(chǎn)生感應電流，移動(dòng)磁場(chǎng)與感應電流相互作用，使鋼液在電動(dòng)力的推動(dòng)下，順著(zhù)移動(dòng)磁場(chǎng)移動(dòng)的方向流動(dòng)，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(chǎn)生諧振。

通過(guò)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(fā)生斷弧現象，當電流瞬時(shí)為零時(shí)，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(guò)于接近1。對于普通電弧爐回路工作點(diǎn)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(wèn)題：用電負荷劇烈波動(dòng)，造成供電系統瞬時(shí)電壓驟升驟降。

3、電弧爐對電能質(zhì)量的影響

電弧爐的冶煉過(guò)程分兩個(gè)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(shí)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(lái)限制短路電流，使之不超過(guò)電爐變壓器額定電流的2~3倍。不穩定的短路狀態(tài)使得熔化期電流的波形變化極快，實(shí)際上每半個(gè)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(shí)測，第2、3、5次諧波電流含有率常達5%~6%及以上，嚴重時(shí)可達20%以上。但當某一次諧波電流達到很大值時(shí)，其他次諧波電流一般會(huì )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(cháng)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(xiàn)性特征，尤其在熔化期產(chǎn)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(chēng)；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(shí)，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(diǎn)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(shí)際上電弧爐最重要的影響還不是諧波問(wèn)題，而是電壓波動(dòng)和閃變。大型電弧爐會(huì )引起對電網(wǎng)的劇烈擾動(dòng)，有的大型爐的有功負荷波動(dòng)，能夠激起鄰近的大型汽輪發(fā)電機的扭轉振蕩和電力系統間聯(lián)絡(luò )線(xiàn)上的低頻振蕩。此類(lèi)沖擊性負荷會(huì )引起電網(wǎng)電壓波動(dòng)。頻率在6~12HZ范圍內的電壓波動(dòng)，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(huì )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(wǎng)時(shí)，它所引起的電壓波動(dòng)（有時(shí)還包括頻率波動(dòng)）和三相電壓不平衡，會(huì )危害連接在其公共供電點(diǎn)的其他用戶(hù)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(fā)生在兩極短路時(shí)，但這時(shí)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(shí)運轉時(shí)，它們引起的各種擾動(dòng)不會(huì )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(dòng)影響比6臺5t電弧爐的影響要大得多。從閃變影響來(lái)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(lài)多臺爐的總容量。國內外經(jīng)驗表明，"超高功率"電弧爐有時(shí)成為當地最重要諧波源和多種擾動(dòng)源。但對于短路容量很小的電網(wǎng)，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(guò)程閃變測試

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

上圖顯示即使在熔清狀態(tài)，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(guò)程諧波總畸變率測試

通過(guò)對熔化期電壓諧波總畸變率進(jìn)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(guò)了國家標準規定的5%，嚴重時(shí)可以達到27%，對于電網(wǎng)系統會(huì )產(chǎn)生大量的諧波污染。

可以看出，電弧爐做為非線(xiàn)性及無(wú)規律負荷接入電網(wǎng)，將會(huì )對電網(wǎng)和其他負載產(chǎn)生一系列的不良影響，其中主要是：

·  導致電網(wǎng)嚴重三相不平衡，產(chǎn)生負序電流

·  產(chǎn)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(gè)電網(wǎng)中，電壓的改變會(huì )影響所以接于這個(gè)電網(wǎng)的負載，因此電弧爐對電網(wǎng)的影響可以稱(chēng)為電網(wǎng)的環(huán)境污染。必須采取技術(shù)措施進(jìn)行抑制。當電弧爐功率大于電網(wǎng)短路功率的1/80時(shí)，通常需要考慮對電網(wǎng)的影響問(wèn)題。

4、電弧爐對電能效率的影響

4.1電弧爐的用電環(huán)境和狀況用于冶煉的電弧爐一般有三個(gè)特征工作階段：

·  開(kāi)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(chēng)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(dòng)和耗電量都顯著(zhù)降低。

在廢鋼冶煉時(shí)電弧爐的工作特性為：

·  在開(kāi)始熔化時(shí)電弧頻繁出現截斷和重新燃弧

·  全熔化期出現電弧波動(dòng)，并導致電流急劇變化

·  發(fā)生塌料導致短路

普通電弧爐回路工作點(diǎn)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(gè)方面，一是功率因素較低，二是在熔化期間產(chǎn)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(tài)畸變。其主要的表現形式為浪涌、尖峰、諧波等。美國著(zhù)名能源理論家赫斯菲爾德博士認為，這種畸變的主要特點(diǎn)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(fā)生在極短的時(shí)間內，它可以在數萬(wàn)億（百萬(wàn)的二次冪）分之一秒內完成從迸發(fā)到消失的過(guò)程。

超高頻次：指閃變尖峰的活動(dòng)十分頻繁，可以說(shuō)閃變無(wú)時(shí)不在、無(wú)處不在，一盞燈的開(kāi)關(guān)、一個(gè)家用電器的啟動(dòng)、甚至電腦鍵盤(pán)或鼠標的點(diǎn)擊，就有數十個(gè)閃變產(chǎn)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(shí)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(shí)增長(cháng)會(huì )導致更大的瞬時(shí)消耗功率，由于電弧爐加熱端是阻性負荷，這些瞬時(shí)電壓或電流不能參與電弧爐的起弧和加熱，只能以無(wú)效功率的形式通過(guò)反饋到感性負荷中以鐵損和線(xiàn)損的形式散發(fā)，而電弧爐系統中的感性負荷是變壓器，這些瞬時(shí)無(wú)效功率在變壓器中的消耗對于冶煉過(guò)程沒(méi)有任何貢獻，這是在電弧爐工作時(shí)長(cháng)期未予考慮的。

暫且不考慮電弧爐由于功率因素較低產(chǎn)生的電能浪費現象，僅考慮在冶煉熔化期產(chǎn)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(chǎn)生閃變數量很少）的同等額定功率的設備來(lái)說(shuō)也是較低的。

抑制或還原電弧爐在冶煉熔化期產(chǎn)生的閃變的數量和閃變尖峰值，將這部分無(wú)效功率轉變?yōu)橛行Чβ?，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(wǎng)的沖擊和污染，同時(shí)對敏感電力設備起到保護作用。