【推荐】电弧炉工作原理2

【推荐】电弧炉工作原理2 海量资料 超值下载 防磨防腐新材料超音速电弧喷涂技术 ......................................................................................... ? 電 弧........................................................................................................................................... ? 电弧炉工作原理及其对电能质量的影响 ..................................................................................... 22 防磨防腐新材料超音速电弧喷涂技术 一、超音速电弧喷涂的原理 电弧喷涂原理是利用两根连续送进的金属丝作为自耗电极，在其端部产生电弧作为热源，用压缩空气将熔化了的丝材雾化，并以超音速喷向工作件形成一种结合强度高、孔隙率低、 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 面粗糙度低的涂层的热喷涂方法。其工作原理与普通电弧喷涂(亚音速雾化)一样，超音速电弧喷涂是一个不断连续进行的熔化,雾化,沉积的过程。但在雾化方式上，超音速电弧喷涂与普通电弧喷涂有根本的区别，即超音速电弧喷涂是采用超音速雾化。其优点是:雾化效果好，雾化后的粒子细小均匀，速度高，有利于获得高质量的涂层。超音速电弧喷涂采用拉伐尔喷嘴，将气流的速度从亚音速提高到超音速，加强了气流对粒子的加速效果，从而提高了粒子速度。粒子速度对涂层的性能有很大的影响。粒子速度高，粒子沉积时对基体的撞击作用就强，粒子变形就充分。有利于粒子与基体、粒子与粒子之间的结合，从而提高涂层的结合强度和内聚强度;粒子速度高，粒子沉积前在空气中的飞行时间短，飞行中产生的氧化物就少，有利于粒子的结合，从而提高涂层的内聚强度，降低涂层的孔隙率。粒子速度越高，越有利于获得高质量的涂层。随着热喷涂设备的更新换代，粒子速度在不断提高，涂层的质量也不断得到改善。 超音速雾化减小了粒子的粒度，降低了涂层的粗糙度。粗糙度是涂层的一项重要性能指标，它取决于雾化后粒子的粒度。超音速雾化加强了气流对丝材端部熔化金属间的作用，雾化的粒子细小均匀，大大降低了涂层的粗糙度。同时，粒子粒度的减小，也降低了粒子扁平化过程中的飞溅，有利于降低涂层的孔隙率。 超音速雾化是超音速电弧喷涂的出发点，是其与普通电弧喷涂的根本区别。 超音速电弧喷涂设备包括电源、喷枪、送丝机构及其附件，关键设备是超音速电弧喷枪。我公司采用进口喷嘴，并且喷涂电流稳定，能在保证丝材雾化效果、涂层质量的前提下，一天的喷涂面积达到20m2。 ? 海量资料 超值下载 电弧喷涂时，弧区的温度高达5000,6000?，用气冷的方式对喷嘴进行冷却。 二、超音速电弧喷涂的技术优点 超音速电弧喷涂与普通火焰喷涂相比，有以下技术优点: 1、热效率高。火焰喷涂产生的大部分热量散失到大气和冷却系统中了，热能的利用率仅为8,15%。而电弧喷涂是直接用电能转化为热能来熔化丝材，热能利用率高达70,80%。 2、生产效率高。电弧喷涂的生产效率高，表现在单位时间内喷涂的金属丝材多。一般情况下，其生产效率是火焰喷涂的8倍以上。 3、操作简单，安全可靠。电弧喷涂设备没有复杂的操纵机构，只要把工作电流、电压根据喷涂材料的不同选在规定范围内，均可保证喷涂质量。现场仅使用电能和压缩空气，不用氧气和乙炔等易燃气体，安全可靠。 4、涂层结合强度高。电弧喷涂可在不提高工作温度，不使用贵重金属的条件下获得较高的结合强度，一般可达20MPa,是火焰喷涂涂层强度的2.5倍。而超音速电弧喷涂涂层的结合强度可达60MPa，与等离子的质量接近。 5、涂层孔隙率低。涂层表面的孔隙率普遍低于1%，提高了涂层的耐磨耐蚀性能。 由于超音速电弧喷涂具有独特的优点，因此在材料防腐、耐磨，修旧利废以及电力生产领域得到广泛的应用，产生了很大的经济效益和社会效益。 超音速电弧喷涂的研制和应有成功，说明该技术具有高度的先进性和科学性。具体表现如下: 1、应用空气动力学原理和计算机设计以及拉伐尔喷嘴等手段，成功研制出超音速电弧喷枪，大幅度提高粒子速度，测得的粒子速度超过了当前国内外电弧喷涂粒子速度，其中铝离子最大速度为385.7m/s。 2、设计的超音速电弧喷涂电源，起弧可靠，还有拉伐尔喷嘴对气流的加速作用，拉长了电弧并能保持电弧稳定，有效提高了丝材粒子的雾化效果和涂层的致密度、结合强度。 ? 海量资料 超值下载 3、喷枪采用气冷式，解决了金属粒子与喷嘴内壁的粘接难题，提高了气流的质量，致使粒子的速度和涂层质量都得到提高。 4、该技术具有较高的实用价值和推广价值。超音速电弧喷涂技术在当前电弧喷涂领域处于国际领先水平。 三、超音速电弧喷涂在热电厂中的应用 在我国， “锅炉四管”的磨损腐蚀一直是困扰CFB锅炉电站的瓶颈问题。由此引起的锅炉爆管、泄漏，腐蚀，停炉检修等造成的经济损失和社会影响是十分巨大的。 锅炉四管因长期处在硫化腐蚀、高温氧化和粒子冲刷的环境中，工作环境十分恶劣。为解决磨损腐蚀失效问题，在国外，采用电弧喷涂技术，例如美国、德国、前苏联、日本等国，在锅炉四管上，喷涂不同的合金材料，对减缓锅炉管子的磨损腐蚀，延长使用周期，是很有效果的。在国内超音速电弧喷涂技术也得到广泛应用，如我公司先后为国内几十家电厂对锅炉四管、外置式换热器、炉膛埋管受热面、冷渣器中的热交换器、水(汽)冷式旋风分离器膜式壁、炉膛水冷壁卫燃带及其炉顶出口四周易磨损部位进行了喷涂，都取得了明显效果。 四)、喷涂工艺、涂层材料特性 1、喷涂工艺 喷涂工艺主要包括两部分:表面预处理和喷涂。先采用石英砂进行预处理，以除去管件表面的氧化物，使待喷涂的表面变得光洁，提高涂层的结合强度。涂层厚度厚度一般为0.3,0.5mm，喷涂距离为150,200mm，喷涂角度90?。 2、涂层材料及其特性 涂层材料种类 a、镍铝合金 规格 Ф3.0mm Ф2.0mm b、镍铬钼锰防磨合金 规格 Ф3.0mm Ф2.0mm c、高铬镍钒锰基防磨合金 规格 Ф3.0mm Ф2.0mm Ф1.6mm 材料特性 ? 在所有金属喷涂材料中具有最低摩擦系数 0.08—0.12 ? 海量资料 超值下载 ? 涂层具有超级结合强度 >50Mpa ? 高耐磨性能 使用寿命1—3年 ? 耐高温 在950?的高温下仍具有高强度的耐磨防腐性 ? 高硬度 HV?380(加载100,,) ? 热传导性能极佳 ? 热膨胀系数极小 6.8×10-5/? 電 弧 一 電弧的產生 1. 熱電子發射&強電場發射 當開關斷開時,電觸頭分離過程中,由於動 靜觸頭間的壓力和接觸面積不斷下降,接 觸電阻迅速增大,使觸頭急劇發熱,溫度升高。在觸頭分開的瞬間,觸頭間立即充滿了 不導電的介質(如空氣),電流不能通過,即電路在一瞬間被切斷。但是由於這時觸頭溫 度很高,金屬觸頭內的一部分自由電子,因具有較大的動能而從觸頭表面逸出,稱為 “ 熱電子發射” 。同時由於觸頭分斷的瞬間距離很小,觸頭間電場強度很高,在強大 電場力作用下,將陰極觸頭內的一部分電子從陰極表面拉出,稱 “強電場發射”。這 樣就使觸頭之間的介質中出現了自由電子。 2. 碰撞遊離 自由電子在電場力作用下,逐漸加速運動,迅速奔向陽極,自由電子在向陽極高速運 動的過程中,不斷與氣體分子發生碰撞,運動中的自由電子積累足夠大的動能時,碰 撞會使中性的氣體分子分離成正離子和自由電子,稱 “碰撞遊離 ”。 3. 電弧 新產生的自由電子和原有的自由電子一起在電場中加速運動,又與其他的中性氣體分 子碰撞,再次發生碰撞遊離,如此碰撞遊離連鎖發展下去,氣體介質中帶電質點大量 增加,使原本絕緣的氣體間隙,由於存在著大量導電的自由電子和正離子,在電路電 壓的作用下,失去絕緣而導電,稱為 “擊穿” ,形成電弧。 4. 熱遊歷 電弧放電時,電流的密度大,溫度高,弧柱溫度高達5000~13000?。弧柱中的高溫氣體 分子本身具有極高的動能而作劇烈的熱運動,在無規則的熱運動中相互碰撞而遊離, 稱為“熱遊歷”。弧柱中導電的正離子和自由電子,就是靠熱遊歷來維持的。電弧越強 ,溫度越高,電弧就越穩定。 5. 電弧電壓 開關觸頭分斷電路時產生電弧,其強弱除與電路的電壓有關外,還決定於被切斷電流 的大小,電弧形成後,維護電弧穩定燃燒的電壓稱為電弧電壓,。電弧電壓沿整個弧長 ? 海量资料 超值下载 非均勻分佈,分為陰極壓降區,弧柱和陽極壓降區三部分,陰極壓降區只占弧長很少的一部分,但是電壓比較高,約10~~20V,陽極壓降區的電壓一般小於陰極壓降區的電壓,且隨電弧電流的增大而減小,甚至接近於零,弧柱雖然占弧長的大部分,電壓變化卻不大。陰極壓降對滅弧,尤其是低壓電路中的滅弧,具有重大意義。 二 電弧的熄滅 1. 電弧熄滅的基本條件 中性氣體分子的游離,是產生電弧和維持電弧的必要條件。在游離的同時,也存在 著質點(正離子 負離子或自由電子)相互中和為不帶(導)電中性質點的過程。這種游 歷的反過程,叫做“去游離”。在電弧燃燒過程中,游離和去游歷同時存在,當游 歷作用大于去游歷作用時,弧柱內離子增加,電流增大,反之,電弧電流減小 熄 滅,兩者作用平衡時,電弧穩定燃燒。因此,電弧熄滅的基本條件是:使電弧的去 游歷作用大于游歷作用。要使電弧迅速熄滅,必須人為加強去游歷的條件。 2. 去游歷方式 電弧的去游歷方式有復合和擴散兩種,復合是使兩個帶異號電荷的質點中和,條件 是兩個質點在一定的時間內必須處于相近的距離,由于電子運動速度很快,約為離 子的1000倍,與正離子復合的機會少的多,讓電弧與固體表面接觸,使電子首先 附著在其表面,會很容易吸引正離子進行復合。拉長和冷卻電弧,降低帶電質點的 運行速度,有助於復合的加強。擴散是帶電質點從弧柱中逸出的現象,是由于電弧 與周圍介質存在著很大的溫度差與濃度差的結果。不斷用較冷又沒有游歷的氣體吹 動電弧或使之在周圍介質中移動,不僅使電弧加速冷卻,還會加大電弧與介質間的 溫差和離子濃度差,使擴散增強。拉長電弧,增大電弧周長與截面的比值,擴散也 會加強。 三 熄滅電弧的措施 1. 加速觸頭的分離速度,迅速拉長電弧 交流電路中,每隔半個周期電流經過零值一次,在電流過零瞬間,電弧自然熄滅。 然后弧隙間介質的電場強度開始恢復,同時觸頭間的電壓也隨之按正弦規律恢復, 當電壓增加到大于弧隙間介質的絕緣強度時,弧隙被再次擊穿,電弧重燃。加速觸 頭的分離速度,可增大觸頭間的距離,迅速拉長電弧可增強弧隙的去游離作用,加 大弧隙介質絕緣強度的恢復速度。當電壓的增長值小于弧隙間介質的絕緣強度時, 電弧不能重燃。具體方法可采用強力跳閘彈簧。 2. 將長電弧分成几個短電弧 在電弧途徑的旁邊與電弧垂直放置一些金屬柵片, ? 海量资料 超值下载 3. 利用氣體縱向或橫向吹動電弧 4. 使電弧在周圍介質中移動 5. 利用固體介質的狹縫或狹溝 “电弧炉工作原理” 为了了解电弧炉对电能质量和电能效率影响的产生原因，需要对电弧炉设备的特殊性做一下简单介绍。 1.1 电弧炉分类和工作原理 电弧炉是利用电弧能来冶炼金属的一种电炉。工业上应用的电弧炉可分为三类: 第一类是直接加热式，电弧发生在专用电极棒和被熔炼的炉料之间，炉料直接受到电弧热。主要用于炼钢，其次也用于熔炼铁、铜、耐火材料、精炼钢液等。 第二类是间接加热式，电弧发生在两根专用电极棒之间，炉料受到电弧的辐射热，用于熔炼铜、铜合金等。这种炉子噪声大，熔炼质量差，已逐渐被其它炉类所取代。 第三类称为矿热炉，是以高电阻率的矿石为原料，在工作过程中电极的下部一般是埋在炉料里面的。其加热原理是:既利用电流通过炉料时，炉料电阻产生的热量，同时也利用了电极和炉料间的电弧产生的热量。所以又称为电弧电阻炉。 1.2 电弧炉的组成设备 炉用变压器 电弧炼钢用变压器应能按冶炼 要求 对教师党员的评价套管和固井爆破片与爆破装置仓库管理基本要求三甲医院都需要复审吗 单独进行电压电流的调节，并能承受工作短路电流的冲击。 电炉变压器额定电压的选择要考虑许多因素。若一次侧电压取高些，则系统电抗小，短路容量大，可减少闪变，但须增加配电装置费用。若二次电压高些，则功率因素较高，电效率较高，但电弧长，炉墙损耗快，综合效率变低。 一般电炉变压器二次侧均为低电压(几十至几百伏)，大电流(几千至几万安)。为保证各个熔炼阶段对电功率的不同需要，变压器二次电压要能在50%~70%的范围内调整，因此都设计成多级可调形式。调整方法有变换、有载调压分接开关等。变压器容量小于10MVA者，可进行无载切换;容量在10MVA以上者，一般应是有载调压方式。也有三相分别设置分接头装置，各相分别进行调整，可以保障炉内三相热能平衡。 与普通电力变压器相比，电炉专用变压器有以下特点:a.有较大的过负荷能力;b.有较高的机械强度;c.有较大的短路阻抗;d.有几个二次电压等级;e.有较大的变压比;f.二次电压低而电流大。 电炉变压器和电弧炉的容量比一般为0.4~1.2MVA/t。电弧炉的电流控制，是由电弧炉变压器高压侧绕组分接头的切换和电极的升降来达到的。 电抗器 为了稳定电弧和限制短路电流，需要约等于变压器容量35%的电抗容量，串入变压器主回路中。大型电弧炉变压器，本身具有满足需要的电抗值，不需外加电抗器;而小于10MVA的变压器，电抗不满足要求，需在一次侧外加电抗器。电抗器的结构特点是:既使通过短路电流，铁芯也不发生磁饱和。 电抗器可装在电炉变压器的内部，称为内附式;也可做成装在变压器外部的独立电抗器，称为外附式。 电炉变压器一般要串联电抗器，使得变压器短路阻抗和电抗器电抗之和达到0.33~0.5 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 值(以电炉变压器额定容量为基准)。 ? 海量资料 超值下载 容量小于10MVA的电炉变压器，有时在其高压侧装有串联电抗器，以降低短路电流和稳定电弧。对于较大容量的电炉变压器，它本身的漏电抗已足够大，不需再串联电抗器。 高压断路器 炼钢电弧炉对高压断路器的要求是:断流容量大;允许频繁动作;便于维修和使用寿命长。电弧电阻炉负载平稳，连续运行，常用多油或少油式高压断路器，炼钢电弧炉断路器经常跳闸，多选用六氟化硫断路器、电磁式空气断路器、真空断路器等。 电流互感器 大型炼钢电弧炉的二次电流很大，无法配用电流互感器。因此，低压侧仪表，电极升降自动调节电流信号，都接到高压侧电流互感器上，或接在电炉变压器的第三绕组上(可变变比)。 电磁搅拌器 为了强化钢液与熔渣反应，使钢液温度和成分均匀，在炼钢电弧炉炉底部，加装电磁搅拌器。 搅拌器由绕有两组线圈的铁芯构成。它本身相当于电机的定子，溶池中的钢液相当转子。搅拌器线圈中通以可产生移相磁场的两相低频电流，磁场使钢液中产生感应电流，移动磁场与感应电流相互作用，使钢液在电动力的推动下，顺着移动磁场移动的方向流动，从而使钢液得到了搅拌。 采用电磁搅拌的电弧炉，其炉底要用非磁性钢板制成。为了改变电磁搅拌器的搅拌力，要求采用可调频率的低频电源，其频率在0.3~0.5HZ内调节。一般采用晶阐管变频电源。需加装电容器以提高功率因素，并加装电抗器防止产生谐振。 通过对电弧炉设备的电气特性的分析，可以得出以下结论: a) 为使电弧炉工作中不发生断弧现象，当电流瞬时为零时，电弧电压Uh必须大于引燃电压。 b) 为限制短路电流，变压器二次回路必须有一定的电抗值，功率因素不能过于接近1。对于普通电弧炉回路工作点的功率因素范围在0.8~0.85之间;对于高功率的电弧炉，在0.7~0.8之间。 c) 电压闪变问题:用电负荷剧烈波动，造成供电系统瞬时电压骤升骤降。 1.3 电弧炉对电能质量的影响 电弧炉的冶炼过程分两个阶段，即熔化期和精炼期。在熔化期，相当多的炉内填料尚未熔化而呈块状固体，电弧阻抗不稳定。有时因电极都插入熔化金属中而在电极间形成金属性短路，并且依靠电炉变压器和所串电抗器的的总电抗来限制短路电流，使之不超过电炉变压器额定电流的2~3倍。不稳定的短路状态使得熔化期电流的波形变化极快，实际上每半个工频周期的波形都不相同。 在熔化初期以及熔化的不稳定阶段，电流波形不规律，故谐波含量大，主要是第2、3、4、5、6、7次谐波电流。据西北电研院实测，第2、3、5次谐波电流含有率常达5%~6%及以上，严重时可达20%以上。但当某一次谐波电流达到很大值时，其他次谐波电流一般会是较小值。 电弧炉电极间电压的典型值在100~600V范围，其中电极压降约为40伏，电弧压降约为12V/cm、电弧越长压降越大。在熔化期电弧炉的电压变化大，最高和最低电压可相差2~5倍。由于电弧炉负荷的随机性变化和非线性特征，尤其在熔化期产生随机变化的谐波电流，除了离散频谱外、还含有连续频谱分量。含偶次谐波，表明电弧电流的正、负半周期不对称;含连续频谱和间谐波，表明电弧电流的变化带有非周期的随机性。 在熔化期三相不平衡电流含有较大的负序分量。当一相熄弧另两相短路时，电流的基波负序分量与谐波的等值负序电流可达正序的50%~70%。这将引起公共供电点的电压不平衡，对电机的安全运行影响较大，尤其对大电机的影响更为严重。 实际上电弧炉最重要的影响还不是谐波问题，而是电压波动和闪变。大型电弧炉会引起 ? 海量资料 超值下载 对电网的剧烈扰动，有的大型炉的有功负荷波动，能够激起邻近的大型汽轮发电机的扭转振荡和电力系统间联络线上的低频振荡。此类冲击性负荷会引起电网电压波动。频率在6~12HZ范围内的电压波动，即使只有1%，其引起的白炽灯照明的闪光，已足以使人感到不舒服，甚至有的人会感到难以忍受。尤其是电弧炉在接入短路容量相对较小的电网时，它所引起的电压波动(有时还包括频率波动)和三相电压不平衡，会危害连接在其公共供电点的其他用户的正常用电。 电弧炉的基波负序电流也较大，熔化期平均负序电流为基波正序电流的20%左右。最大负序电流都发生在两极短路时，但这时谐波电流含量不大。必须指出，电弧炉的电压波形变化是随机性的，所以当数台电弧炉同时运转时，它们引起的各种扰动不会和电弧炉的台数成正比，而是要小一定数值，一台30t的电弧炉的电能扰动影响比6台5t电弧炉的影响要大得多。从闪变影响来讲，6台5t的电弧炉尚不及一台10t炉的影响大。电弧炉的谐波影响也是主要取决于最大一台炉的容量，而较少信赖多台炉的总容量。国内外经验表明，"超高功率"电弧炉有时成为当地最重要谐波源和多种扰动源。但对于短路容量很小的电网，小电弧炉也能成为重要的谐波源。 以下是我们测定的某电弧炉在熔化期的闪变和谐波的数据。 被测设备:三相交流电弧炉，额定工作电压:260V，额定电流:12000A，功率:5500Kw 1 电弧炼钢过程闪变测试 ? 海量资料 超值下载 上图表示电弧开始熔化炼钢时的电压中含有大量的瞬态电压浪涌，最大尖峰值达到448V，平均每小时的发生频率达到633600次。 上图显示即使在熔清状态，电压中仍然含有大量的闪变，达到168400次，尖峰值达到352V。 2 电弧炼钢过程谐波总畸变率测试 通过对熔化期电压谐波总畸变率进行连续测试，得到如下数据: 加料后熔化期初始的电压谐波总畸变率27.4% ? 海量资料 超值下载 加料后熔化期末期的电压谐波总畸变率7.0% 连续测试的电压谐波总畸变率数据及变化如下图表: 炉号:1-4069 Date:2003-12-14 Time THDr 9:54:40 27.40% 9:54:44 23.00% 9:54:48 22.60% 9:54:53 19.00% 9:54:56 18.30% 10:09:35 7.30% 10:09:40 7.80% 10:09:44 8.70% 10:09:48 11.30% 10:09:53 8.40% 10:09:57 7.00% 以上数据显示，由于严重的闪变的影响，电弧炉工作系统中的谐波总畸变率超过了国家标准规定的5%，严重时可以达到27%，对于电网系统会产生大量的谐波污染。 可以看出，电弧炉做为非线性及无规律负荷接入电网，将会对电网和其他负载产生一系列的不良影响，其中主要是: 导致电网严重三相不平衡，产生负序电流 产生高次谐波、其中普遍存在如2、4次偶次谐波与3、5、7次等奇次谐波共存的状况，使电压畸变更趋复杂化 功率因素降低 在一个电网中，电压的改变会影响所以接于这个电网的负载，因此电弧炉对电网的影响可以称为电网的环境污染。必须采取技术措施进行抑制。当电弧炉功率大于电网短路功率的1/80 时，通常需要考虑对电网的影响问题。1.4 电弧炉对电能效率的影响 1.41 电弧炉的用电环境和状况 用于冶炼的电弧炉一般有三个特征工作阶段: 开始熔化阶段，固体炉料熔化，能量需求最大 初精炼及加热阶段 精炼期，此阶段输入能量只需平衡热损坏 ? 海量资料 超值下载 普通交流电弧炉的冶炼周期约为3~8h，取决于供电电路参数、电炉容量和冶炼的工艺等。熔化期约0.5~2h，为三相不对称的冲击负荷，电流极不稳定，消耗电能大、约占总耗电量的60%~70%。氧化和还原的精炼期电压波动和耗电量都显著降低。 在废钢冶炼时电弧炉的工作特性为: 在开始熔化时电弧频繁出现截断和重新燃弧 全熔化期出现电弧波动，并导致电流急剧变化 发生塌料导致短路 普通电弧炉回路工作点的功率因素范围在0.8~0.85之间;对于高功率的电弧炉，在0.7~0.8之间。较低的功率因素必然造成电能效率的低下。1.42 电能效率的影响 电弧炉对于电能的浪费主要表现在二个方面，一是功率因素较低，二是在熔化期间产生大量的闪变和谐波。 闪变是引起诸如谐波失真、电压电流失相等等多种副作用的最主要原因。"闪变"(Transients)是交流正弦波电路上电流与电压的一种瞬态畸变。其主要的表现形式为浪涌、尖峰、谐波等。美国著名能源理论家赫斯菲尔德博士认为，这种畸变的主要特点是超高压、超高速、超高频次。 超高压:指闪变尖峰高出正常电压幅值的2-50倍，最高可达500-10000伏。 超高速:指闪变尖峰发生在极短的时间内，它可以在数万亿(百万的二次幂)分之一秒内完成从迸发到消失的过程。 超高频次:指闪变尖峰的活动十分频繁，可以说闪变无时不在、无处不在，一盏灯的开关、一个家用电器的启动、甚至电脑键盘或鼠标的点击，就有数十个闪变产生，电压高达500-1200伏。 即使到目前，这些高压高频次的闪变作为敏感电力设备被破坏原因之一的事实仍然被忽视。而且另一方面，我们知道，电功等于电流和电压的乘积，电压或电流的瞬时增长会导致更大的瞬时消耗功率，由于电弧炉加热端是阻性负荷，这些瞬时电压或电流不能参与电弧炉的起弧和加热，只能以无效功率的形式通过反馈到感性负荷中以铁损和线损的形式散发，而电弧炉系统中的感性负荷是变压器，这些瞬时无效功率在变压器中的消耗对于冶炼过程没有任何贡献，这是在电弧炉工作时长期未予考虑的。 暂且不考虑电弧炉由于功率因素较低产生的电能浪费现象，仅考虑在冶炼熔化期产生的大量闪变，我们就可以知道，电弧炉的电能效率相对于平稳运行(产生闪变数量很少)的同等额定功率的设备来说也是较低的。 抑制或还原电弧炉在冶炼熔化期产生的闪变的数量和闪变尖峰值，将这部分无效功率转变为有效功率，既可以提高电弧炉的电能效率，节省电能，也可以消除其对电网的冲击和污染，同时对敏感电力设备起到保护作用。 (请参考附件1) 2 超高速净化节电保护器介绍 页首 2.1 技术背景 超高速净化节电保护器(瞬态电压浪涌抑制器Transient Voltage Surge Suppressor (TVSS))是上世纪90年代美国最新科技产品。它是随着超高速计算机的民用化和电力行业污染治理的市场需求应运而生的。不仅能有效治理电力系统各种"闪变"污染、保护设备免受"闪变"和雷击的冲击，同时可以节约电能。 1998年2月16日，美国UL(Underwriters Laboratory)认证机构专门为TVSS产品制定了检测标准(第二版1449条)。超高速净化节电保护器无论理论上和实践上都被证明是优秀的专利技术，领先时代。 斯瑞斯曼(北京)科技有限公司做为一家长期从事钢铁冶金行业技术服务的高新科技公 11 海量资料 超值下载 司，在与行业用户的交流中深切感到电弧炉的耗电成本一直是影响企业效益的重要环节。公司全面考察了电弧炉的工作原理和电能浪费的方式，在国内率先提出了通过抑制和还原电弧炉冶炼过程中产生的大量"闪变"以达到降低其耗电成本的目的的最新和有效方法。为此，斯瑞斯曼公司引进美国在研制瞬态电压浪涌抑制器方面的独到、领先和成熟的技术，于2003年5月设计研制出针对国内电弧炉特点的专用超高速净化节电保护器，该产品低成本免维护，并且在国内进行了试用，取得了满意的节电效果，得到了企业的认可和欢迎。 2.2 产品功能 节电功能 超高速净化节电保护器通过几乎不耗能而过滤掉"闪变"的精确工作，消除因"闪变"造成的设备多耗电现象，达到其它节电方式不可替代的节电效果。其节电途径主要有: 1) 缓冲节电:超高速净化节电保护器切断了内外部电路"闪变"冲击所造成的电表加快旋转，使电表能够正确计量; 2) 降温节电:"闪变"造成的感性负荷增加铁损和线损、开关起弧、输电线路阻抗增加等导致升温耗电，超高速净化节电保护器通过消除"闪变"阻止了这部分损耗; 3) 清洁节电:"闪变"使接触器及线路生成氧化膜增加阻抗，超高速净化节电保护器通过不断抑制这些氧化膜的生成而节电。此外，清洁后的电源使电动机、变压器的转换效率得以提高。 保护功能 据世界最权威的UL机构(Underwriters Laboratories Inc.)统计:安装超高速净化节电保护器能使:电子设备延长寿命40%;机电设备延长寿命30%;照明设备延长寿命35-45%。 众所周知，建筑物均安装有避雷针等设施以避免雷击;电气设备中安装有过压、过流、漏电等保护装置。但这些装置对供电系统中的"闪变"不起作用。因为供电系统中来自自然界和内部设备运行产生的"闪变"具有超高压(正常电压的2~50倍)、超高速(可在10-12秒内完成)、超高频次(每小时数十万次)的特点，常规设备是无法处理的。 正是这些"闪变"造成了许多电气仪表和设备故障、提前老化和损坏。特别是对计算机控制、测量、通信等精密电子装置的污染，严重的将造成设备误动作和数据丢失。为彻底解决这一问题，就必须进行实时、高速、细微的处理。美国最新科技成果-第五代超高速净化节电保护器正是最好的选择。 斯瑞斯曼超高速净化节电保护器同时还具备防雷击保护功能，对于超过6500V，6000A的雷击"闪变"，超高速净化节电保护器将启动保护线路短路，促使前端限流保护开关(保险装置)"跳闸"，以确保后续设备的安全。 清洁电源 抑制谐波和闪变对供电环境的污染，减少由此产生的供电事故。并可减少由于电源污染而造成的大量的设备维修费用。2.3 工作原理 超高速净化节电保护器内置有以高速CPU为核心的智能检测调控系统模块和优化的监控软件，以纳秒级的速度动态检测供电系统的电压、电流冲击和浪涌等参数，动态响应和调整抑制模块参数，配合超高响应频率的闪变抑制元件，因而对电压、电流冲击和浪涌的滤除和抑制效果可达到最佳;它在对畸变的交流电压波形进行校正时，运用了独有的四段实时动态补偿技术(在一个电压波形周期内对畸变波形进行四次不同限制值的调整)，从而优化电源质量。 为了确保电力污染治理和节能的有效性，超高速净化节电保护器通过三大途径:自动跟踪、实时分析、有效调整来达到对高耗能设备的电力污染治理，同时缓冲节电、降温节电和清洁节电三大技术方式可以确保电弧炉节能在2%以上。 控制原理见示意图。 12 海量资料 超值下载 2.4 安装方法 安装简单，只要把超高速净化节电保护器的三个相线并联在电弧炉变压器的二次侧或电弧炉控制回路，并把地线接地即可。安装必须在停电状态下进行，由具有电工操作资格的熟练电工人员安装。安装时间短，一般利用电弧炉点检的时间安装，不会影响生产。 在安装之前，用户需向斯瑞斯曼公司提交所安装电路的电路图，斯瑞斯曼公司的工程师通过分析电路结构和负载情况为用户提供最佳的安装位置和数量，以实现最佳的保护和节电效果。 3 超高速净化节电保护器的应用示例页首 作为应用示例，我们仍用2.3中列举的电弧炉在安装超高速净化节电保护器后的测定数据进行比较说明。3.1 电弧炼钢过程闪变测试 熔化期开始时电压中的闪变数据: 13 海量资料 超值下载 从上图可以看出，开始熔化时的闪变的最大尖峰值为384V，平均每小时的发生频率为95000次。 熔化期末时电压中的闪变: 从上图可以看出，熔化期末的电压中含有的闪变的最大尖峰值为344V，平均每小时的发生频率为25500次。3.2 弧炼钢过程谐波总畸变率测试 以下是熔化期的电压谐波总畸变率数据。 14 海量资料 超值下载 加料后熔化期初始的电压谐波总畸变率3.8% 加料后熔化期末期的电压谐波总畸变率3.0% 连续测试的电压谐波总畸变率数据及变化如下图表。 炉号:4056 Date:2003/12/13 Time THDr 12:46:08 3.80% 12:46:57 3.90% 12:47:28 3.80% 12:47:42 4.50% 12:48:19 4.50% 12:48:44 3.00% 12:49:07 3.00% 15 海量资料 超值下载 以上数据显示，安装超高速净化节电保护器后电弧炉工作系统中的谐波总畸变率均在国家标准规定的5%以内，消除了对电网系统产生的谐波污染。 由以上数据可以得出，在熔化期内，安装超高速净化节电保护器前后的电弧炉工作系统中的闪变和谐波总畸变率有了很大的改善，闪变的发生频率降低了85%，尖峰值也控制在基波电压(260V)的150%以内，大于400V的闪变已经得到抑制和消除，谐波总畸变率也达到了国家标准5%以内。 同时由于改善了闪变，电弧炉的耗电也有了明显的降低，根据对该电弧炉安装节电保护器前后生产数据的分析，得到3.1%的节电率。 美国通用电气公司的《TECHNICAL DATA》(《技术通讯》)杂志上发表的多篇研究报告证实，在额定电压(相对零)220伏的线路中,标准感性负荷(变压器、电机等)回路中，当"闪变"发生频率达到40万次/小时,峰值达到700伏(相对零)左右，且90%的闪变超过500伏(相对零)时，安装TVSS可以对500伏以上的闪变进行还原工作。安装TVSS后,如果有90%的闪变被消除，实验测得节电率在22%;在30万次/小时的发生频率时若消除90%，节电率在10%。 电弧炉不是标准感性负荷回路，其钢包端是阻性负荷，变压器端是感性负荷，而且在工作过程中闪变的发生频率特别大，这些闪变势必让变压器发热作功，发热的变压器的转换效率会大大降低，同时闪变对于产生电弧没有贡献，完全是对电能的额外浪费，由此可以肯定消除闪变一定会节电。但是，由于电弧炉工作过程中闪变状况的动态变化，同时回路中只有一半是感性负荷，认为电弧炉安装超高速净化节电保护器有2%--5%的节电率。 4 技术经济分析 页首 4.1 技术分析 某钢厂利用2台20吨的电弧炉，冶炼回收的废钢，年产钢6.3万多吨，电弧炉吨钢电耗平均在600度电左右，耗电成本占产品成本的绝大多数。 2台电弧炉的技术经济指标如下: 设备名称:三相交流电弧炉 额定电压:260V 额定电流:12000A 额定功率:5500Kw 电炉容量:20吨 16 海量资料 超值下载 冶炼原料:废钢 冶炼周期:150-180分钟 添加次数:4-6次 吨钢电耗:620度/吨 电价:0.7元/度 根据该电弧炉的技术条件和超高速净化节电保护器的性能指标及应用安装要求，我们认为在不改变现有电弧炉的任何电气和操作条件的情况下可以安装超高速净化节电保护器。 根据超高速净化节电保护器的使用要求，每5000A左右的电流安装一套，每台电弧炉安装2套TE/5C超高速净化节电保护器。 4.2 经济分析 在考察每炉钢的冶炼过程时我们可以得出，电弧炉在冶炼过程中的电能的集中消耗是在熔化期，而闪变和谐波主要是在熔化期产生，熔化期越长，节电效果越好，该电弧炉的多次加料的熔化期为60-80分钟，所以可以保守地用节电率3.5%来进行经济分析。 按照每套超高速净化节电保护器价格22万人民币计算: 每年每台电弧炉消耗的总电量为:6.3X620/2=1953万度电 相当于总电费:1953X0.7=1367.1万元 2套节电保护器价格:22X2=44万元 投资回收期:44/(1367.1X3.5%)=0.919年=11个月 另一方面，大量的闪变会加快电极及其它电气设备的损耗，闪变的减少也会延长电极的使用寿命，一般在20%-30%，这些收益还没有计算在内。 相对于SVC和FC系统，超高速净化节电保护器的投入少收效快，并且在安装完成后不需要任何维护。(参阅附件2) 电能质量术语(电压方面)页首 CBEMA 曲线 计算机商业设备制造商协会(Computer and Business Equipment Manufacturers Association --Cbema，现为信息技术工业委员会) 针对计算机和其他商业设备所能承受的交流电压波动所制定的电压敏感轮廓曲线。见图1。 图1: Cbema 曲线 图2 标出了电能质量的术语的概念区域 17 海量资料 超值下载 图2: 电能质量术语图解 术语和概念 在电压波形上有一快 速和瞬时的上升或下 降。 闪变 这种上升和下降幅值Transients 是在正常值的130% 以上，时间在半个周 波之内。 是暂时的电压上升。 这种电压上升的持续 时间在半个周波到1电压骤升 分钟之间。对于半波Swells 的时间电压是在正常 值的130%以上，1分 钟的时间电压是正常 值106%以上 是暂时的电压下降。 这种电压下降的持续 时间在半个周波到1 电压骤降 分钟之间。对于半波Sags 的时间电压是正常值 的0%，1 分钟的时间 电压是正常值90%以 上。 18 海量资料 超值下载 长时间的电压上升1过电压 分钟以上的电压上Over 升，电压幅值在正常Voltage 值的106%以上。 长时间的电压下降1低电压 分钟以上的电压下Under 降，电压幅值在正常Voltage 值的90%以下。 长时间的低电压时间 电压中断 在1秒以上，电压在 Outage 正常值的60%以下的 电压事件。 N = 正常值关于谐波和闪变 页首 1 什么是闪变, 闪变(Transients)是一种瞬间的具有高爆发的电能，包括浪涌(Surge)，谐波(Harmonics)等等。它存在于几乎所有的电力系统中，无论是家用电力还是工业用电。这些浪涌是以微秒到微微秒测量的，并且可以高出正常电压的几十倍。 闪变是交流正弦波电路上电流与电压的一种瞬态的畸变。浪涌、谐波为其主要的表现形式。闪变最主要的特点有三个:超高压、 瞬时态、 高频次。 超高压是指通常的闪变尖峰，它高出正常电路电压幅值的2-50倍，最高可达数万伏。 瞬时态是指闪变持续的时间非常之短，它可以在数亿分之一秒内完成从迸发到消失的过程。 高频次是指闪变的活动十分频繁，可以说闪变无时不有、无处不在。通用汽车公司豪斯顿实验室人员的一项测试表明，日光灯管一个简单的开关动作，就有24个闪变产生，电压高达1200V。 闪变可以损坏任何一种电器，包括敏感的电器，比如电脑，照明设备，电话系统等等，还包括重型工业电机。具第三方监测公司的数据统计表明，如果电器在使用时不遇到任何闪变，使用寿命将延长35%到40%。更重要的是，消除电涌将大幅度提高电力设备的运转效率，从而节省电能，降低生产成本。通常供电局等部门都一致认为95%的闪变是从电力系统内部产生的，主要是由于电力负载(Electrical loads) 的频繁开关等原因所造成。 斯瑞斯曼TVSS可被直接安装在主要的电力开关和分开关 (控制柜) 的母线端子上。它能够监控具有破坏力的浪涌，然后把浪涌引到地下。它不仅能够消除系统外界的浪涌，也能消除系统内部自我产生的浪涌。 2 闪变的来源 闪变产生的来源主要有3个方面: 1) 环境的影响:雷电感应电压、输变电站大型开关的开合、邻居大型负载的起停，都会伴随有闪变进入到用电系统。环境因素产生的闪变占一个系统闪变总量的20,- 30,。 2) 由用电系统内部产生:它占一个系统闪变总量的70,-80,。任何负载的起停和运行都会有大量的闪变产生，回馈到本身的用电系统中。大的负载的起停及运行过程中所产生的闪变还会影响到邻居及电网。 3) 电弧放电也是闪变的一个主要来源。它可能是由不良和松动的电气连接引起，或由 19 海量资料 超值下载 老旧的不干净的电刷引起。由电弧放电所产生的高频电压尖峰脉冲，会通过设备线路扩散，影响到整个系统。 3 闪变及谐波对电网和用电系统的主要危害 增加电网的谐振，造成瞬态高电压、高电流 增加附加损耗，降低发电、输电效率及设备使用率 加速电器设备老化，缩短使用寿命 造成电器设备工作不正常，计算机误码及仪表计量不准确 增加电耗，增加电费支出。 概括性地说，闪变会使用户用电设备、线路的使用成本、维护费用及耗电量增加;同时，闪变会破坏设备的安全运行。 3.1 闪变与用电成本的关系 大量的科学研究已经证明，闪变使一个用电系统的电耗增加的方式有三种: 1) 系统效率下降。通用电气公司的《TECHNICAL DATA》(《技术通讯》)杂志上发表的多篇研究报告证实，闪变将使一个用电系统的用电效率严重下降。闪变对所有的开关装置、接触元件、线包绕组、半导体元件等，都有冲击作用，使电机、灯光及系统中所有的用电装置的用电效率下降。研究发现，由于经年累月的冲击，闪变会在开关装置及其它接触性器件上造成氧化性碳膜层。在电机接触器上，每1欧姆阻抗的氧化性碳膜层的生成和存在，可使电机的效率损失13,。闪变导致系统用电效率下降的另一个例子来自这样一个研究结果，在一条120V的电路中，电流为15A/小时，闪变发生的频次为40000个/小时，闪变持续的时间为100微秒。研究人员发现，在这样一个简单的电路中，闪变导致了8.05%的线路电耗增加。 2) 电机温度升高。电机的温升还由于闪变使电感性负载电流损失增加和铜损提高而造成。实验表明，一个800周的振荡型闪变会使铁芯材料的能耗由0.04W/lb提高到3W/lb，能耗增加的幅度为67,。常识也告诉我们，由于闪变高压的冲击，多余的电能转换成热能，因而使电机的运行温度上升。电机温度每上升一度，大约增加4%的电耗。 3) 电表转速加快。驱动电度表表盘的同时性力矩的大小，取决于电路中同时性的线电压与线电流的大小。由于闪变是突发式的过压，它会导致作用于电度盘上的同时性力矩突然发生变化，从而导致电表转速加快。美国工程学会会刊AIEE第59卷第460~464页上发表的Keener与Nelm先生的一份研究报告，证明闪变会严重地影响感性电度表表盘的作用力矩和转速，使表盘发生阶跃式地转快。其结果，它会导致电度表对一个系统总的用电量的过度计量，此种过度计量，最高幅度可达30%。闪变能使电表走快，也被其它一些学者的研究结果所证实。如Hershfiled博士在《 规范 编程规范下载gsp规范下载钢格栅规范下载警徽规范下载建设厅规范下载 工程杂志》发表的一篇论文，就曾详细说明闪变如何使监测电气负载的感性电能表对系统的总电量产生过度计量。 3.2 闪变会严重影响到设备的安全 统计发现，50,-- 70,的电视机返修及保修索赔，皆起因于闪变的影响。通用电气公司持续7年时间的一系列研究还发现，当电机线包绕组的耐压从2000V提高到6000V以上的耐压水平时，电机被烧的几率会降低80,。该项研究不但证明了闪变对电机安全性的影响，还说明2000V--6000V之间的闪变对电机安全性的影响最大。但问题是提高了线包绕组的耐压水平意味着电机的制造成本提高，故不是一个解决问题的切实可行的方法。 除电机外，闪变还影响到所有的电子设备、电脑系统、灯光系统、配电设备，使它们荡机、损坏、寿命缩短、发生火灾等。 4 谐波的影响 1) 变压器 对变压器而言，谐波电流可导致铜损和杂散损增加，谐波电压则会增加铁损。与纯正基本波 20 海量资料 超值下载 运行的正弦电流和电压相较，谐波对变压器的整体影响是温升较高。须注意的是; 这些由谐波所引起的额外损失将与电流和频率的平方成比例上升，进而导致变压器的基波负载容量下降。 2) 电力电缆 在导体中非正弦波电流所产生的热量与俱有相同均方根值的纯正弦波电流相较，则非正弦波会有较高的热量。该额外温升是由众所周知的集肤效应和邻近效应所引起的，而这两种现象取决于频率及导体的尺寸和间隔。这两种效应如同增加导体交流电阻，进而导致I2Rac损耗增加。 3) 电动机与发电机 谐波电流和电压对感应及同步电动机所造成的主要效应为在谐波频率下铁损和铜损的增加所引起之额外温升。这些额外损失将导致电动机效率降低，并影响转矩。(当设备负荷对电动机转矩的变动较敏感时，其扭动转矩的输出将影响所生产产品的质量。例如: 人造纤维纺织业和一些金属加工业。 对于旋转电机设备，与正弦磁化相比，谐波会增加磁场变形和噪音量。像五次和七次这种谐波源，在发电机或电动机负载系统上，可产生六次谐波频率的机械振动。机械振动是由振动的扭矩引起的，而扭矩的振动则是由谐波电流和基波频率磁场所造成，如果机械谐振频率与电气励磁频率重合，会发生共振进而产生很高的机械应力，导致机械损坏的危险。 4) 电子设备 电力电子设备对供电电压的谐波畸变很敏感，这种设备常常须靠电压波形的过零点或其它电压波形取得同步运行。电压谐波畸变可导致电压过零点漂移或改变一个相间电压高于另一个相间电压的位置点。这两点对于不同类型的电力电子电路控制是至关重要的。控制系统对这两点(电压过零点与电压位置点)的判断错误可导致控制系统失控。而电力与通讯线路之间的感性或容性耦合亦可能造成对通讯设备的干扰。 计算机和一些其它电子设备，如可编过程控制器(PLC)，通常要求总谐波电压畸变率(THD)小于5%，且个别谐波电压畸变率低于3%，较高的畸变量可导致控制设备误动作，进而造成生产或运行中断，导致较大的经济损失。 5) 开关和继电保护 像其它设备一样，谐波电流也会引起开关之额外损失，并提高温升使基波电流承载能力降低。温升的提高对某些绝缘组件而言会降低其使用寿命。 旧式低压断路器之固态跳脱装置，系根据电流峰值来动作，而此种型式之跳脱装置会因馈线供电给非线性负载而导致不正常跳闸。新型跳脱装置则根据电流的有效值(RMS)而动作。 保护继电器对波形畸变之响应很大程度取决于所采用的检测方法。目前并没有通用的准则能用来描述谐波对各种继电器的影响。然而，可以认为目前在电网上一般的谐波畸变不会对继电器运行造成影响。 6) 功率因数补偿电容器 电容器与其它设备相较有很大区别，因其容性特点在系统共振情况下可显著的改变系统阻抗。电容器组之容抗随频率升高而降低，因此，电容器组起到吸收高次谐波电流的作用，此作用提高温升并增加绝缘材料的介质应力。频繁地切换非线性电磁组件会产生谐波电流如变压器，这些谐波电流将增加电容器的负担。应当注意的是熔丝通常不是用来当作电容器之过载保护。由谐波引起的发热和电压增加意味着电容器使用寿命的缩短。 在电力系统中使用电容器组时，必需考虑因素是系统产生谐振的可能性。系统谐振将导致谐波电压和电流会明显地高于在无谐振情况下出现的谐波电压和电流。 5. 通过闪变抑制而实现节电 21 海量资料 超值下载 从技术手段上讲，要满足两个基本的要求。 1) 抑制器的反应速度必须极快，要超过多数闪变的速度。多数闪变的发生速度都非常之快，快到数亿分之一秒。为了保证抑制的效果，斯瑞斯曼TVSS采用超高速计算机技术，使得它的反应速度超过10-12秒，比一般电脑的速度都要快几倍。 2) 箝位电压要足够低，保证那些电压峰值不高的闪变也能被捕捉到，以保证抑制的效果。 要做到这两点非常的不容易。它对产品的性能及设计要求极高。既要极快的速度，又要极低的箝位，对设计者和制造商的挑战性都相当的大。 随着变频器、SCR、不间断电源(UPS)等电子及整流设备的日益广泛的普及和应用，工业用电环境中的闪变污染也日益严重。斯瑞斯曼TVSS以其高科技的手段和优异的性能，为我们开辟了一个通过清除电力污染而实现节电降耗和保护设备安全的新途径。 电弧炉工作原理及其对电能质量的影响 为了了解电弧炉对电能质量和电能效率影响的产生原因，需要对电弧炉设备的特殊性做一下简单介绍。 1.1 电弧炉分类和工作原理 电弧炉是利用电弧能来冶炼金属的一种电炉。工业上应用的电弧炉可分为三类: 第一类是直接加热式，电弧发生在专用电极棒和被熔炼的炉料之间，炉料直接受到电弧热。主要用于炼钢，其次也用于熔炼铁、铜、耐火材料、精炼钢液等。 第二类是间接加热式，电弧发生在两根专用电极棒之间，炉料受到电弧的辐射热，用于熔炼铜、铜合金等。这种炉子噪声大，熔炼质量差，已逐渐被其它炉类所取代。 第三类称为矿热炉，是以高电阻率的矿石为原料，在工作过程中电极的下部一般是埋在炉料里面的。其加热原理是:既利用电流通过炉料时，炉料电阻产生的热量，同时也利用了电极和炉料间的电弧产生的热量。所以又称为电弧电阻炉。 1.2 电弧炉的组成设备 炉用变压器 电弧炼钢用变压器应能按冶炼要求单独进行电压电流的调节，并能承受工作短路电流的冲击。 电炉变压器额定电压的选择要考虑许多因素。若一次侧电压取高些，则系统电抗小，短路容量大，可减少闪变，但须增加配电装置费用。若二次电压高些，则功率因素较高，电效率较高，但电弧长，炉墙损耗快，综合效率变低。 一般电炉变压器二次侧均为低电压(几十至几百伏)，大电流(几千至几万安)。为保证各个熔炼阶段对电功率的不同需要，变压器二次电压要能在50%~70%的范围内调整，因此都设计成多级可调形式。调整方法有变换、有载调压分接开关等。变压器容量小于10MVA者，可进行无载切换;容量在10MVA以上者，一般应是有载调压方式。也有三相分别设置分接头装置，各相分别进行调整，可以保障炉内三相热能平衡。 与普通电力变压器相比，电炉专用变压器有以下特点:a.有较大的过负荷能力;b.有较高的机械强度;c.有较大的短路阻抗;d.有几个二次电压等级;e.有较大的变压比;f.二次电压低而电流大。 22 海量资料 超值下载 电炉变压器和电弧炉的容量比一般为0.4~1.2MVA/t。电弧炉的电流控制，是由电弧炉变压器高压侧绕组分接头的切换和电极的升降来达到的。 电抗器 为了稳定电弧和限制短路电流，需要约等于变压器容量35%的电抗容量，串入变压器主回路中。大型电弧炉变压器，本身具有满足需要的电抗值，不需外加电抗器;而小于10MVA的变压器，电抗不满足要求，需在一次侧外加电抗器。电抗器的结构特点是:既使通过短路电流，铁芯也不发生磁饱和。 电抗器可装在电炉变压器的内部，称为内附式;也可做成装在变压器外部的独立电抗器，称为外附式。[FS:Page] 电炉变压器一般要串联电抗器，使得变压器短路阻抗和电抗器电抗之和达到0.33~0.5标准值(以电炉变压器额定容量为基准)。 容量小于10MVA的电炉变压器，有时在其高压侧装有串联电抗器，以降低短路电流和稳定电弧。对于较大容量的电炉变压器，它本身的漏电抗已足够大，不需再串联电抗器。 高压断路器 炼钢电弧炉对高压断路器的要求是:断流容量大;允许频繁动作;便于维修和使用寿命长。电弧电阻炉负载平稳，连续运行，常用多油或少油式高压断路器，炼钢电弧炉断路器经常跳闸，多选用六氟化硫断路器、电磁式空气断路器、真空断路器等。 电流互感器 大型炼钢电弧炉的二次电流很大，无法配用电流互感器。因此，低压侧仪表，电极升降自动调节电流信号，都接到高压侧电流互感器上，或接在电炉变压器的第三绕组上(可变变比)。 电磁搅拌器 为了强化钢液与熔渣反应，使钢液温度和成分均匀，在炼钢电弧炉炉底部，加装电磁搅拌器。 搅拌器由绕有两组线圈的铁芯构成。它本身相当于电机的定子，溶池中的钢液相当转子。搅拌器线圈中通以可产生移相磁场的两相低频电流，磁场使钢液中产生感应电流，移动磁场与感应电流相互作用，使钢液在电动力的推动下，顺着移动磁场移动的方向流动，从而使钢液得到了搅拌。 采用电磁搅拌的电弧炉，其炉底要用非磁性钢板制成。为了改变电磁搅拌器的搅拌力，要求采用可调频率的低频电源，其频率在0.3~0.5HZ内调节。一般采用晶阐管变频电源。需加装电容器以提高功率因素，并加装电抗器防止产生谐振。 通过对电弧炉设备的电气特性的分析，可以得出以下结论: a) 为使电弧炉工作中不发生断弧现象，当电流瞬时为零时，电弧电压Uh必须大于引燃电压。 b) 为限制短路电流，变压器二次回路必须有一定的电抗值，功率因素不能过于接近1。对于普通电弧炉回路工作点的功率因素范围在0.8~0.85之间;对于高功率的电弧炉，在0.7~0.8之间。 c) 电压闪变问题:用电负荷剧烈波动，造成供电系统瞬时电压骤升骤降。 1.3 电弧炉对电能质量的影响 电弧炉的冶炼过程分两个阶段，即熔化期和精炼期。在熔化期，相当多的炉内填料尚未熔化而呈块状固体，电弧阻抗不稳定。有时因电极都插入熔化金属中而在电极间形成金属性短路，并且依靠电炉变压器和所串电抗器的的总电抗来限制短路电流，使之不超过电炉变压器额定电流的2~3倍。不稳定的短路状态使得熔化期电流的波形变化极快，实际上每半个工频周期的波形都不相同。 在熔化初期以及熔化的不稳定阶段，电流波形不规律，故谐波含量大，主要是第2、3、4、5、6、7次谐波电流。据西北电研院实测，第2、3、5次谐波电流含有率常达5%~6%及 23 海量资料 超值下载 以上，严重时可达20%以上。但当某一次谐波电流达到很大值时，其他次谐波电流一般会是较小值。[FS:Page] 电弧炉电极间电压的典型值在100~600V范围，其中电极压降约为40伏，电弧压降约为12V/cm、电弧越长压降越大。在熔化期电弧炉的电压变化大，最高和最低电压可相差2~5倍。由于电弧炉负荷的随机性变化和非线性特征，尤其在熔化期产生随机变化的谐波电流，除了离散频谱外、还含有连续频谱分量。含偶次谐波，表明电弧电流的正、负半周期不对称;含连续频谱和间谐波，表明电弧电流的变化带有非周期的随机性。 在熔化期三相不平衡电流含有较大的负序分量。当一相熄弧另两相短路时，电流的基波负序分量与谐波的等值负序电流可达正序的50%~70%。这将引起公共供电点的电压不平衡，对电机的安全运行影响较大，尤其对大电机的影响更为严重。 实际上电弧炉最重要的影响还不是谐波问题，而是电压波动和闪变。大型电弧炉会引起对电网的剧烈扰动，有的大型炉的有功负荷波动，能够激起邻近的大型汽轮发电机的扭转振荡和电力系统间联络线上的低频振荡。此类冲击性负荷会引起电网电压波动。频率在6~12HZ范围内的电压波动，即使只有1%，其引起的白炽灯照明的闪光，已足以使人感到不舒服，甚至有的人会感到难以忍受。尤其是电弧炉在接入短路容量相对较小的电网时，它所引起的电压波动(有时还包括频率波动)和三相电压不平衡，会危害连接在其公共供电点的其他用户的正常用电。 电弧炉的基波负序电流也较大，熔化期平均负序电流为基波正序电流的20%左右。最大负序电流都发生在两极短路时，但这时谐波电流含量不大。必须指出，电弧炉的电压波形变化是随机性的，所以当数台电弧炉同时运转时，它们引起的各种扰动不会和电弧炉的台数成正比，而是要小一定数值，一台30t的电弧炉的电能扰动影响比6台5t电弧炉的影响要大得多。从闪变影响来讲，6台5t的电弧炉尚不及一台10t炉的影响大。电弧炉的谐波影响也是主要取决于最大一台炉的容量，而较少信赖多台炉的总容量。国内外经验表明，"超高功率"电弧炉有时成为当地最重要谐波源和多种扰动源。但对于短路容量很小的电网，小电弧炉也能成为重要的谐波源。 以下是我们测定的某电弧炉在熔化期的闪变和谐波的数据。 被测设备:三相交流电弧炉，额定工作电压:260V，额定电流:12000A，功率:5500Kw 1 电弧炼钢过程闪变测试 24 海量资料 超值下载 上图表示电弧开始熔化炼钢时的电压中含有大量的瞬态电压浪涌，最大尖峰值达到448V，平均每小时的发生频率达到633600次。 上图显示即使在熔清状态，电压中仍然含有大量的闪变，达到168400次，尖峰值达到352V。 [FS:Page] 2 电弧炼钢过程谐波总畸变率测试 通过对熔化期电压谐波总畸变率进行连续测试，得到如下数据: 25 海量资料 超值下载 加料后熔化期初始的电压谐波总畸变率27.4% 加料后熔化期末期的电压谐波总畸变率7.0% 连续测试的电压谐波总畸变率数据及变化如下图表: 炉号:1-4069 Date:2003-12-14 Time THDr 9:54:40 27.40% 9:54:44 23.00% 9:54:48 22.60% 9:54:53 19.00% 9:54:56 18.30% 10:09:35 7.30% 10:09:40 7.80% 10:09:44 8.70% 10:09:48 11.30% 10:09:53 8.40% 10:09:57 7.00% 26 海量资料 超值下载 以上数据显示，由于严重的闪变的影响，电弧炉工作系统中的谐波总畸变率超过了国家标准规定的5%，严重时可以达到27%，对于电网系统会产生大量的谐波污染。 可以看出，电弧炉做为非线性及无规律负荷接入电网，将会对电网和其他负载产生一系列的不良影响，其中主要是: 导致电网严重三相不平衡，产生负序电流 产生高次谐波、其中普遍存在如2、4次偶次谐波与3、5、7次等奇次谐波共存的状况，使电压畸变更趋复杂化 功率因素降低 在一个电网中，电压的改变会影响所以接于这个电网的负载，因此电弧炉对电网的影响可以称为电网的环境污染。必须采取技术措施进行抑制。当电弧炉功率大于电网短路功率的1/80时，通常需要考虑对电网的影响问题。 1.4 电弧炉对电能效率的影响 1.41 电弧炉的用电环境和状况 用于冶炼的电弧炉一般有三个特征工作阶段: 开始熔化阶段，固体炉料熔化，能量需求最大 初精炼及加热阶段 精炼期，此阶段输入能量只需平衡热损坏 普通交流电弧炉的冶炼周期约为3~8h，取决于供电电路参数、电炉容量和冶炼的工艺等。熔化期约0.5~2h，为三相不对称的冲击负荷，电流极不稳定，消耗电能大、约占总耗电量的60%~70%。氧化和还原的精炼期电压波动和耗电量都显著降低。 在废钢冶炼时电弧炉的工作特性为: 在开始熔化时电弧频繁出现截断和重新燃弧 全熔化期出现电弧波动，并导致电流急剧变化 发生塌料导致短路 普通电弧炉回路工作点的功率因素范围在0.8~0.85之间;对于高功率的电弧炉，在0.7~0.8之间。较低的功率因素必然造成电能效率的低下。 1.42 电能效率的影响 电弧炉对于电能的浪费主要表现在二个方面，一是功率因素较低，二是在熔化期间产生大量的闪变和谐波。 闪变是引起诸如谐波失真、电压电流失相等等多种副作用的最主要原因。"闪变"(Transients)是交流正弦波电路上电流与电压的一种瞬态畸变。其主要的表现形式为浪涌、尖峰、谐波等。美国著名能源理论家赫斯菲尔德博士认为，这种畸变的主要特点是超高压、 27 海量资料 超值下载 超高速、超高频次。[FS:Page] 超高压:指闪变尖峰高出正常电压幅值的2-50倍，最高可达500-10000伏。 超高速:指闪变尖峰发生在极短的时间内，它可以在数万亿(百万的二次幂)分之一秒内完成从迸发到消失的过程。 超高频次:指闪变尖峰的活动十分频繁，可以说闪变无时不在、无处不在，一盏灯的开关、一个家用电器的启动、甚至电脑键盘或鼠标的点击，就有数十个闪变产生，电压高达500-1200伏。 即使到目前，这些高压高频次的闪变作为敏感电力设备被破坏原因之一的事实仍然被忽视。而且另一方面，我们知道，电功等于电流和电压的乘积，电压或电流的瞬时增长会导致更大的瞬时消耗功率，由于电弧炉加热端是阻性负荷，这些瞬时电压或电流不能参与电弧炉的起弧和加热，只能以无效功率的形式通过反馈到感性负荷中以铁损和线损的形式散发，而电弧炉系统中的感性负荷是变压器，这些瞬时无效功率在变压器中的消耗对于冶炼过程没有任何贡献，这是在电弧炉工作时长期未予考虑的。 暂且不考虑电弧炉由于功率因素较低产生的电能浪费现象，仅考虑在冶炼熔化期产生的大量闪变，我们就可以知道，电弧炉的电能效率相对于平稳运行(产生闪变数量很少)的同等额定功率的设备来说也是较低的。 抑制或还原电弧炉在冶炼熔化期产生的闪变的数量和闪变尖峰值，将这部分无效功率转变为有效功率，既可以提高电弧炉的电能效率，节省电能，也可以消除其对电网的冲击和污染，同时对敏感电力设备起到保护作用。 (请参考附件1) 2 超高速净化节电保护器介绍 2.1 技术背景 超高速净化节电保护器(瞬态电压浪涌抑制器Transient Voltage Surge Suppressor (TVSS))是上世纪90年代美国最新科技产品。它是随着超高速计算机的民用化和电力行业污染治理的市场需求应运而生的。不仅能有效治理电力系统各种"闪变"污染、保护设备免受"闪变"和雷击的冲击，同时可以节约电能。 1998年2月16日，美国UL(Underwriters Laboratory)认证机构专门为TVSS产品制定了检测标准(第二版1449条)。超高速净化节电保护器无论理论上和实践上都被证明是优秀的专利技术，领先时代。 斯瑞斯曼(北京)科技有限公司做为一家长期从事钢铁冶金行业技术服务的高新科技公司，在与行业用户的交流中深切感到电弧炉的耗电成本一直是影响企业效益的重要环节。公司全面考察了电弧炉的工作原理和电能浪费的方式，在国内率先提出了通过抑制和还原电弧炉冶炼过程中产生的大量"闪变"以达到降低其耗电成本的目的的最新和有效方法。为此，斯瑞斯曼公司引进美国在研制瞬态电压浪涌抑制器方面的独到、领先和成熟的技术，于2003年5月设计研制出针对国内电弧炉特点的专用超高速净化节电保护器，该产品低成本免维护，并且在国内进行了试用，取得了满意的节电效果，得到了企业的认可和欢迎。 2.2 产品功能 节电功能 超高速净化节电保护器通过几乎不耗能而过滤掉"闪变"的精确工作，消除因"闪变"造成的设备多耗电现象，达到其它节电方式不可替代的节电效果。其节电途径主要有: 1) 缓冲节电:超高速净化节电保护器切断了内外部电路"闪变"冲击所造成的电表加快旋转，使电表能够正确计量; 2) 降温节电:"闪变"造成的感性负荷增加铁损和线损、开关起弧、输电线路阻抗增加 28 海量资料 超值下载 等导致升温耗电，超高速净化节电保护器通过消除"闪变"阻止了这部分损耗; 3) 清洁节电:"闪变"使接触器及线路生成氧化膜增加阻抗，超高速净化节电保护器通过不断抑制这些氧化膜的生成而节电。此外，清洁后的电源使电动机、变压器的转换效率得以提高。 保护功能 据世界最权威的UL机构(Underwriters Laboratories Inc.)统计:安装超高速净化节电保护器能使:电子设备延长寿命40%;机电设备延长寿命30%;照明设备延长寿命35-45%。 众所周知，建筑物均安装有避雷针等设施以避免雷击;电气设备中安装有过压、过流、漏电等保护装置。但这些装置对供电系统中的"闪变"不起作用。因为供电系统中来自自然界和内部设备运行产生的"闪变"具有超高压(正常电压的2~50倍)、超高速(可在10-12秒内完成)、超高频次(每小时数十万次)的特点，常规设备是无法处理的。 正是这些"闪变"造成了许多电气仪表和设备故障、提前老化和损坏。特别是对计算机控制、测量、通信等精密电子装置的污染，严重的将造成设备误动作和数据丢失。为彻底解决这一问题，就必须进行实时、高速、细微的处理。美国最新科技成果-第五代超高速净化节电保护器正是最好的选择。 斯瑞斯曼超高速净化节电保护器同时还具备防雷击保护功能，对于超过6500V，6000A的雷击"闪变"，超高速净化节电保护器将启动保护线路短路，促使前端限流保护开关(保险装置)"跳闸"，以确保后续设备的安全。 清洁电源 抑制谐波和闪变对供电环境的污染，减少由此产生的供电事故。并可减少由于电源污染而造成的大量的设备维修费用。2.3 工作原理 超高速净化节电保护器内置有以高速CPU为核心的智能检测调控系统模块和优化的监控软件，以纳秒级的速度动态检测供电系统的电压、电流冲击和浪涌等参数，动态响应和调整抑制模块参数，配合超高响应频率的闪变抑制元件，因而对电压、电流冲击和浪涌的滤除和抑制效果可达到最佳;它在对畸变的交流电压波形进行校正时，运用了独有的四段实时动态补偿技术(在一个电压波形周期内对畸变波形进行四次不同限制值的调整)，从而优化电源质量。[FS:Page] 为了确保电力污染治理和节能的有效性，超高速净化节电保护器通过三大途径:自动跟踪、实时分析、有效调整来达到对高耗能设备的电力污染治理，同时缓冲节电、降温节电和清洁节电三大技术方式可以确保电弧炉节能在2%以上。 控制原理见示意图。 29 海量资料 超值下载 2.4 安装方法 安装简单，只要把超高速净化节电保护器的三个相线并联在电弧炉变压器的二次侧或电弧炉控制回路，并把地线接地即可。安装必须在停电状态下进行，由具有电工操作资格的熟练电工人员安装。安装时间短，一般利用电弧炉点检的时间安装，不会影响生产。 在安装之前，用户需向斯瑞斯曼公司提交所安装电路的电路图，斯瑞斯曼公司的工程师通过分析电路结构和负载情况为用户提供最佳的安装位置和数量，以实现最佳的保护和节电效果。 3 超高速净化节电保护器的应用示例 作为应用示例，我们仍用2.3中列举的电弧炉在安装超高速净化节电保护器后的测定数据进行比较说明。 3.1 电弧炼钢过程闪变测试 熔化期开始时电压中的闪变数据: 从上图可以看出，开始熔化时的闪变的最大尖峰值为384V，平均每小时的发生频率为95000次。 熔化期末时电压中的闪变: 30 海量资料 超值下载 从上图可以看出，熔化期末的电压中含有的闪变的最大尖峰值为344V，平均每小时的发生 频率为25500次。3.2 弧炼钢过程谐波总畸变率测试 以下是熔化期的电压谐波总畸变率数据。 加料后熔化期初始的电压谐波总畸变率3.8% 31 海量资料 超值下载 加料后熔化期末期的电压谐波总畸变率3.0% 连续测试的电压谐波总畸变率数据及变化如下图表。 炉号:4056 Date:2003/12/13 Time THDr 12:46:08 3.80% 12:46:57 3.90% 12:47:28 3.80% 12:47:42 4.50% 12:48:19 4.50% 12:48:44 3.00% 12:49:07 3.00% 以上数据显示，安装超高速净化节电保护器后电弧炉工作系统中的谐波总畸变率均在国家标准规定的5%以内，消除了对电网系统产生的谐波污染。 由以上数据可以得出，在熔化期内，安装超高速净化节电保护器前后的电弧炉工作系统中的闪变和谐波总畸变率有了很大的改善，闪变的发生频率降低了85%，尖峰值也控制在基波电压(260V)的150%以内，大于400V的闪变已经得到抑制和消除，谐波总畸变率也达到了国家标准5%以内。 同时由于改善了闪变，电弧炉的耗电也有了明显的降低，根据对该电弧炉安装节电保护器前后生产数据的分析，得到3.1%的节电率。 美国通用电气公司的《TECHNICAL DATA》(《技术通讯》)杂志上发表的多篇研究报告证实，在额定电压(相对零)220伏的线路中,标准感性负荷(变压器、电机等)回路中，当"闪变"发生频率达到40万次/小时,峰值达到700伏(相对零)左右，且90%的闪变超过500伏(相对零)时，安装TVSS可以对500伏以上的闪变进行还原工作。安装TVSS后,如果有90%的闪变被消除，实验测得节电率在22%;在30万次/小时的发生频率时若消除90%，节电率在10%。 [FS:Page] 电弧炉不是标准感性负荷回路，其钢包端是阻性负荷，变压器端是感性负荷，而且在工作过程中闪变的发生频率特别大，这些闪变势必让变压器发热作功，发热的变压器的转换效率会大大降低，同时闪变对于产生电弧没有贡献，完全是对电能的额外浪费，由此可以肯定消除闪变一定会节电。但是，由于电弧炉工作过程中闪变状况的动态变化，同时回路中只有一半是感性负荷，认为电弧炉安装超高速净化节电保护器有2%--5%的节电率。 32 海量资料 超值下载 4 技术经济分析 4.1 技术分析 某钢厂利用2台20吨的电弧炉，冶炼回收的废钢，年产钢6.3万多吨，电弧炉吨钢电耗平均在600度电左右，耗电成本占产品成本的绝大多数。 2台电弧炉的技术经济指标如下: 设备名称:三相交流电弧炉 额定电压:260V 额定电流:12000A 额定功率:5500Kw 电炉容量:20吨 冶炼原料:废钢 冶炼周期:150-180分钟 添加次数:4-6次 吨钢电耗:620度/吨 电价:0.7元/度 根据该电弧炉的技术条件和超高速净化节电保护器的性能指标及应用安装要求，我们认为在不改变现有电弧炉的任何电气和操作条件的情况下可以安装超高速净化节电保护器。 根据超高速净化节电保护器的使用要求，每5000A左右的电流安装一套，每台电弧炉安装2套TE/5C超高速净化节电保护器。 4.2 经济分析 在考察每炉钢的冶炼过程时我们可以得出，电弧炉在冶炼过程中的电能的集中消耗是在熔化期，而闪变和谐波主要是在熔化期产生，熔化期越长，节电效果越好，该电弧炉的多次加料的熔化期为60-80分钟，所以可以保守地用节电率3.5%来进行经济分析。 按照每套超高速净化节电保护器价格22万人民币计算: 每年每台电弧炉消耗的总电量为:6.3X620/2=1953万度电 相当于总电费:1953X0.7=1367.1万元 2套节电保护器价格:22X2=44万元 投资回收期:44/(1367.1X3.5%)=0.919年=11个月 另一方面，大量的闪变会加快电极及其它电气设备的损耗，闪变的减少也会延长电极的使用寿命，一般在20%-30%，这些收益还没有计算在内。 相对于SVC和FC系统，超高速净化节电保护器的投入少收效快，并且在安装完成后不需要任何维护。(参阅附件2) 电能质量术语(电压方面)页首 CBEMA 曲线 计算机商业设备制造商协会(Computer and Business Equipment Manufacturers Association --Cbema，现为信息技术工业委员会) 针对计算机和其他商业设备所能承受的交流电压波动所制定的电压敏感轮廓曲线。见图1。 33 海量资料 超值下载 图1: Cbema 曲线[FS:Page] 图2 标出了电能质量的术语的概念区域 图2: 电能质量术语图解 术语和概念 在电压波形上有一快 速和瞬时的上升或下 降。 闪变 这种上升和下降幅值Transients 是在正常值的130% 以上，时间在半个周 波之内。 34 海量资料 超值下载 是暂时的电压上升。 这种电压上升的持续 时间在半个周波到1 电压骤升 分钟之间。对于半波 Swells 的时间电压是在正常 值的130%以上，1分 钟的时间电压是正常 值106%以上 是暂时的电压下降。 这种电压下降的持续 时间在半个周波到1 电压骤降 分钟之间。对于半波 Sags 的时间电压是正常值 的0%，1 分钟的时间 电压是正常值90%以 上。 长时间的电压上升1过电压 分钟以上的电压上Over 升，电压幅值在正常Voltage 值的106%以上。 长时间的电压下降1低电压 分钟以上的电压下Under 降，电压幅值在正常Voltage 值的90%以下。 长时间的低电压时间 电压中断 在1秒以上，电压在 Outage 正常值的60%以下的 电压事件。 N = 正常值 35