郭朝暉，王夕旭，郭枝新

(昆明有色冶金設(shè)計研究院股份公司，云南昆明650051)

帶低壓電容補償?shù)V熱電爐電極電流的測量

郭朝暉，王夕旭，郭枝新

(昆明有色冶金設(shè)計研究院股份公司，云南昆明650051)

礦熱電爐生產(chǎn)過程中，電極電流是十分重要的監(jiān)視參數(shù)，真實的電極電流測量對控制電爐電極的升降提供了重要的依據(jù)，對穩(wěn)定電爐生產(chǎn)、提高生產(chǎn)率起到了很好作用。當設(shè)置了低壓電容補償后，通過測量變壓器低壓端的電流便不是真正的電極電流。提出了基于DCS系統(tǒng)的電極電流間接測量法，給出了計算電極電流的數(shù)學(xué)模型。

礦熱電爐:低壓電容補償:電極電流

0 引言

礦熱電爐是電爐法生產(chǎn)鐵合金的主體設(shè)備，其功率因數(shù)極低，使本來高耗能的設(shè)備又增加了無功電流造成的電能損耗。為提高功率因數(shù)，減少電能損耗，礦熱電爐電容器低壓補償方式應(yīng)運而生。電容器低壓補償是一種就地補償方式，補償電容接在電爐短網(wǎng)靠近電極側(cè)，補償部分電極電流中的無功電流，這樣也就減少了這部分無功電流在電爐短網(wǎng)及電爐變壓器繞組上產(chǎn)生的損耗。與中壓、高壓側(cè)補償相比，節(jié)能效果更好，但在電容器低壓補償方式下產(chǎn)生了新問題——測量不到實際的電極電流，此問題若得不到解決，則對電容器低壓補償方式的推廣帶來了不利影響。

1 礦熱電爐的電極電流檢測

礦熱電爐生產(chǎn)過程中，電極電流是十分重要的監(jiān)視參數(shù)，控制電極的升降也是以電極電流作為重要依據(jù)。測量電極電流的方法與電爐容量大小、電爐變壓器調(diào)壓方式有關(guān)。礦熱電爐變壓器一般都是采用有載調(diào)壓，且調(diào)壓范圍較大。因而不能由電爐變壓器一次側(cè)測量電爐電極電流，均通過測量電爐變壓器二次側(cè)電流檢測電極電流。電爐變壓器有載調(diào)壓方式有一次側(cè)抽頭調(diào)壓、自耦變壓器調(diào)壓等。對于大型電爐變壓器常用的調(diào)壓方式是用串聯(lián)(輔助)調(diào)壓變壓器，且多為低壓串聯(lián)調(diào)壓，串聯(lián)調(diào)壓變壓器串接在電爐變壓器低壓回路中。

云南建水錳礦200 kt/a錳系合金工程電爐變壓器便是采用低壓串聯(lián)調(diào)壓方式。圖1為該工程3#電爐單相電爐變壓器繞組聯(lián)結(jié)圖。

圖1 單相電爐變壓器繞組聯(lián)結(jié)圖Fig.1 Interface Chart of Transformer Winding for Submerged Arc Furnace

在主變壓器鐵心上套有高壓繞組W1，低壓繞組W2及調(diào)壓繞組W3，而在串聯(lián)(輔助)變壓器鐵心上套有一次繞組W4和二次繞組W5。主變壓器低壓繞組W2和串聯(lián)(輔助)變壓器低壓繞組W5串聯(lián)連接的，并由此而得串聯(lián)調(diào)壓之名。串聯(lián)變壓器的一次繞組W4的電源則由主變壓器的調(diào)壓繞組W3供給。

當主變壓器的調(diào)壓繞組W3通過有載開關(guān)改變分接位置時，則串變一次繞組W4的電壓發(fā)生變化，串變低壓繞組W5的電壓也隨之發(fā)生變化。由于調(diào)壓繞組W3利用極性開關(guān)與串變一次繞組W4可做正、反連接，使得串變二次繞組W5的電壓與主變低壓繞組W2的電壓同相或者相差180°，二者同向相加或者異向相減。從而可以在任意給定的調(diào)壓范圍內(nèi)大幅度的調(diào)整電爐變壓器的輸出電壓，且級差電壓相等。輸出電壓的細調(diào)則為17級的有載調(diào)壓開關(guān)。輸出電壓總級數(shù)為35級，輸出電壓180.1～349.5 V。

根據(jù)磁勢平衡的原理，可得下列磁勢方程式:I4W4+I5W5=0，

由此I5=－I4W5/W4

又由于 I2=I5，I4=I3，

所以由電流互感器3 S測得的電流I3，乘以W5/W4，便可測得電爐變壓器低壓端輸出電流I2。

變壓器繞組W6為10 kV補償繞組，接中壓無功補償裝置，該工程中壓無功補償裝置采用的是靜止無功發(fā)生器SVG。

建水錳礦錳系合金3#電爐采用3臺單相電爐變壓器供電，電爐變壓器型號HTDSPZ－22500/110，額定容量22 500 kVA，額定電壓110 kV/394.5 V，額定電流238.3/75 000 A。

3臺單相變壓器三相聯(lián)接組別D.d0。變壓器低壓側(cè)與電極連接，見圖2。

圖2 變壓器與電極連接圖Fig.2 Connection Chart for Transformer and Electrode

2 普通檢測方法存在的問題

電爐的自然功率因數(shù)較低，一般在0.6左右，為了提高功率因數(shù)并降低能耗，電爐供電系統(tǒng)一般都設(shè)置有無功補償裝置。從滿足電網(wǎng)cosφ＞0.9的要求考慮，無功補償裝置設(shè)在高壓側(cè)、中壓側(cè)、低壓側(cè)都可以，但從節(jié)約電能考慮，補償裝置設(shè)在低壓側(cè)、靠近電極最好。這樣可以減少無功電流在電爐短網(wǎng)及變壓器繞組中產(chǎn)生的損耗。

設(shè)置了低壓補償后產(chǎn)生的一個問題就是，通過測量變壓器低壓端的電流不是真正的電極電流，而是電極電流與補償電流的矢量和，見圖3。

圖3 測量電極電流矢量圖Fig.3 Vector－Graph of Measuring Electrode Current

從圖3看出，測量的電流要小于電極的實際電流，指導(dǎo)生產(chǎn)的是電極電流 I電極，怎樣能檢測到I電極便是生產(chǎn)的關(guān)鍵問題。

電爐變壓器是通過短網(wǎng)與電極連接的，低壓補償電容器組也是通過水冷母線與短網(wǎng)相聯(lián)的，電極在生產(chǎn)中還要上下移動，電爐短網(wǎng)與電極連接處還有軟電纜，因而電極電流不能直接測量。低壓補償電容器組也通過短網(wǎng)直接連接到電極，且在正常運行時補償電流很大，因此低壓補償電流也很難直接測量。

3 基于DCS系統(tǒng)的電極電流檢測方法

云南建水錳礦200 kt/a錳系合金工程1#、2#電爐在投運后，測量到的電極電流與實際電流相差較大，導(dǎo)致電極操作錯誤而引起多次電極燒斷的故障。因此在3#電爐工程實施過程中采用了該文提出的基于DCS系統(tǒng)的電極電流測量方法。

圖4 電流檢測連接方式Fig.4 Connection Way for Current Measurement

3#電爐變壓器低壓側(cè)電流I(即I測)、電極電壓U均通過數(shù)顯變送器變?yōu)?～20 mA信號引入3#電爐DCS控制系統(tǒng)。電流檢測連接方式見圖4。

3#電爐低壓補償裝置采用獨立的PLC進行控制，通過功率因數(shù)變送器采集功率因數(shù)并依據(jù)其大小對對投入的電容組數(shù)進行控制。

經(jīng)由現(xiàn)場總線通信方式，電爐DCS控制系統(tǒng)可以獲得低壓補充裝置PLC采集到的電容器投入組數(shù)及功率因數(shù)等參數(shù)，按照數(shù)學(xué)模型，由DCS系統(tǒng)計算出比較真實的電極電流，因而是一種間接的電極電流測量法。

欲由DCS系統(tǒng)計算出電極電流，需首先計算出低壓補償相電流I補。

低壓補償電容器組角接在電極之間，每一組電容器容量為Q，電容器額定電壓為Ue。

計算每一組電容器的容抗Xcd:

利用D－Y變換，計算星接的等值容抗，如果三相投入的容量相等，則

測量 cosφ，U，I測，利用三角函數(shù)可算出 I電極。實際電極電流的矢量計算圖如圖5。

圖5 實際電極電流計算矢量圖Fig.5 Vector－Graph of Actual Electrode Current Calculation

用實際測量值 cosφ =0.75，I測86.68 kA，帶入上述公式，在K=80 時，計算出I補28.45 kA，I電極=107.73 kA

從上述計算出的1組數(shù)據(jù)可以看出，由電爐變壓器低壓側(cè)測量的電流I測86.68 kA，而電極的實際電流I電極=107.73 kA，兩者相差21 kA，顯然用電爐變壓器低壓側(cè)測量的電流指導(dǎo)生產(chǎn)是不行的，這也說明該文提出的基于DCS系統(tǒng)的電極電流間接測量法，對電爐生產(chǎn)確實是有利的。

4 實際應(yīng)用效果

圖6為3#電爐在生產(chǎn)中DCS系統(tǒng)上位機低壓補償投入后的監(jiān)控畫面:

圖6 計算機監(jiān)控畫面截圖Fig.6 Screenshot of Computer Monitoring

云南建水錳礦200 kt/a錳系合金工程3#電爐采用了該文提出的電極電流間接測量方法后，經(jīng)過實際運行檢測，證明這種方法可以有效的解決低壓補償投入后帶來的電極電流值偏差，對電極控制及生產(chǎn)效率的提高提供了有效的幫助。

這種方法在實際實施時也非常簡單，只需用在電爐控制DCS系統(tǒng)和低壓補償裝置PLC之間連接1條通信電纜，并修改相應(yīng)的軟件就可以完成，因此隨后對1#、2#電爐也進行了改造。使用該文的方法在電爐控制DCS系統(tǒng)上動態(tài)顯示更真實的電極電流值，對生產(chǎn)帶來電流極大的便利。

5 結(jié)語

在越來越重視降低能耗的今天，該文提出的基于DCS系統(tǒng)的電極電流間接測量法，對在大功率礦熱電爐上采用電容器低壓補償方式的推廣也是有利的。

Measurement of Electrode Current of Submerged Arc Furnace with Low－voltage Capacitance Compensation

GUO Zhao－ hui，WANG Xi－ xu，GUO Zhi－xin
(Kunming Engineering ＆ Research Institute of Nonferrous Metallurgy Co.Ltd，Kunming 650051，China)

During the production process of submerged arc furnace，the electrode current is one of very important control parameters and measuring the real electrode current can provide the basis for controlling the furnace's electrode rise－and－fall，which plays a good role in stabilizing production and improving productivity in the submerged arc furnace.After low voltage capacitance compensation was provided to the power system，the current which is measured from low voltage side of the transformer is not actual electrode current.An indirect method of measuring electrode current based on DCS control system was put forward，and mathematical model of calculating electrode current was provided.

Submerged arc furnace;low－voltage capacitance compensation;electrode current measurement

TM924.71

A

1004－2660(2011)04－0028－04

2011－08－25.

郭朝暉(1969－)，男，遼寧人，高級工程師.主要研究方向:自動化系統(tǒng)設(shè)計及調(diào)試.