Undervattensbågsugnstransformator

En undervattensbågsugn (SAF) - även känd som en elektrisk ugn för smältning - används för att producera ferrolegeringar, kalciumkarbid, industriellt kisel och liknande produkter. Dess transformator skiljer sig från den för en vanlig elektrisk ljusbågsugn (EAF) när det gäller belastningsegenskaper: i en SAF är elektroderna nedsänkta i ugnsladdningen och värme alstras främst genom motståndet från själva laddningen, med ljusbågsurladdning som en sekundär roll. Följaktligen är belastningen relativt stabil, ändå är sekundärströmmen extremt hög och effektfaktorn låg; detta kräver specifika konstruktioner avseende spänningsregleringsområden och impedans.

Yulan Transformer tillverkar submerged Arc Furnace Transformers med kapaciteter från 1 000 kVA till 80 000 kVA. Primära spänningar kan rymma 6 kV, 10 kV, 15 kV, 22 kV, 35 kV och 110 kV, medan sekundärspänningar och antalet spänningsregleringssteg bestäms baserat på ugnstyp och det specifika materialet som smälts.

Belastning och designegenskaper

Hög ström, måttlig spänning

Den sekundära spänningen för en SAF varierar vanligtvis från 100 V till 300 V - högre än den för en EAF men lägre än den för en kalciumkarbidugn. Sekundära strömmar kan nå tiotusentals ampere; lindningar använder flera parallella ledare eller transponerade ledare, och utgångsledningar består av flerskikts kopparskenor.

Låg effektfaktor

Variationer i ugnsladdningens resistans resulterar i en induktiv belastning, där effektfaktorn typiskt faller mellan 0,7 och 0,8. Transformatordesign måste ta hänsyn till kraven på reaktiv effekt, och vissa projekt har kompensationsanordningar på systemsidan.

Relativt stabil belastning

Till skillnad från de våldsamma kortslutningsvängningar som ses i EAF, upplever SAF mindre strömfluktuationer; de arbetar dock med full belastning under längre perioder, vilket leder till betydande värmeackumulering. Lindningar och kärnor måste verifieras för temperaturstegring under kontinuerliga driftförhållanden med stark ström.

Brett spänningsregleringsområde

Olika smältsteg kräver olika spänningar; On-load tap-changing (OLTC) involverar vanligtvis 13 till 27 steg, med några stora kalciumkarbidugnar som kräver ännu mer. Lindningskopplaren måste kunna fungera frekvent och upprätthålla strömförande kapacitet.

Tekniska parametrar

Representativa modeller och referensdata

Obs: Primärspänningen kan utformas mellan 6 kV och 110 kV enligt användarkrav, med motsvarande justeringar av impedans och yttre dimensioner.

Designhöjdpunkter

Lindningar och ledningar

Sekundärlindningen använder transponerade ledare, med transponering av flera parallella grenar i ändarna för att säkerställa enhetlig strömfördelning. Kopparskenor i flera lager används för utgångarna, med intilliggande samlingsskenor som leder ström i motsatta riktningar för att minska det externa magnetfältet. Anslutningsplåtar med stora ytor är installerade på tankens sidoväggar för att minimera kontaktmotståndet.

Impedansval

Ugnstransformatorer med undervattensbåge har vanligtvis högre impedans än krafttransformatorer med samma kapacitet för att begränsa kortslutningsströmmar och förbättra ugnens driftsförhållanden. Specifika värden bestäms av ugnstillverkaren och elektriska konstruktörer baserat på nätets kortslutningskapacitet och smältprocessen. Hög impedans minskar effektiv ineffekt, medan låg impedans ökar strömfluktuationer; ett balanserat värde måste väljas.

On-Load Tap Changer (OLTC)

Ugnstransformatorer med stor kapacitet använder nästan uteslutande on-load spänningsreglering. Med tanke på den höga frekvensen av lindningskopplare måste en modell som är lämplig för frekvent byte väljas och ett oberoende oljefiltreringssystem bör installeras. Vissa användare använder en kombination av grov- och finreglering för att minska slitaget på lindningskopplarkontakter.

Kylsystem

På grund av hög förlustdensitet används ofta forcerad oljecirkulation med vattenkylning eller luftkylning. I vattenkylsystem måste oljetrycket alltid överstiga vattentrycket för att förhindra att vatten läcker in i oljan. Val av kylare måste ta hänsyn till ytterligare övertonsförluster snarare än att enbart förlita sig på beräkningar baserade på sinusformade effektfrekvensström.

Övertoner och ytterligare förluster

Nedsänkta ugnslaster innehåller övertoner; därför måste konstruktionsmarginaler inkluderas för ledartvärsnitt och strukturell komponentskärmning. Magnetisk eller elektrisk skärmning installeras på de inre tankväggarna för att minska ströförluster och risken för lokal överhettning.

Tillverkning och verifiering

Yulan Transformer har tillverkat elektriska ugnstransformatorer sedan 1999, och levererat SAF-transformatorer till industrier som ferrolegeringar, kalciumkarbid och industriellt kisel. Företaget är utrustat med en 80-tons lyftkapacitet, ett 400kW fotogenångfas vakuumtorkningssystem, 1200kV impulstestutrustning och en 400kV partiell urladdningsfri effekt-frekvenstesttransformator. Dessa faciliteter möjliggör isoleringsbearbetning och fabriksverifiering av SAF-transformatorer märkta på 110kV och lägre. Innan den lämnar fabriken genomgår varje enhet en serie tester, inklusive lindningslikströmsresistans, spänningsförhållande, isolationsresistans, effekt-frekvensmotståndsspänning, inducerad motståndsspänning, tomgångsförlust, lastförlust, kortslutningsimpedans och funktionscykeltester för lindningskopplaren. 

Urval Q&A

F: Kan transformatorer med nedsänkt ljusbågsugn och transformatorer med elektrisk ljusbågsugn (EAF) bytas?

I allmänhet kan de inte bytas direkt. Nedsänkta ugnsbelastningar är relativt stabila och deras impedans- och spänningsregleringsegenskaper skiljer sig från EAF:s. EAF-transformatorer är utformade för att motstå frekventa kortslutningsstötar, medan ugnstransformatorer med nedsänkt ljus är konstruerade för kontinuerlig drift med hög ström. Utbytbarhet kräver omverifiering av impedans, temperaturökning och mekanisk styrka.

F: Är ett högre antal spänningsregleringssteg alltid bättre?

Inte nödvändigtvis. Ett högre antal spänningssteg möjliggör finare spänningsreglering och bättre matchning med olika smältsteg; detta medför dock högre kostnader för lindningskopplaren och en ökning av transformatortankens fysiska storlek. Typiskt räcker 19 steg för ferrolegeringsugnar, medan kalciumkarbidugnar kan kräva 27 eller fler steg. Den slutliga konfigurationen bestäms av de specifika ugnsprocesskraven.

F: Varför har submerged arc furnace (SAF) transformatorer högre impedans än standard krafttransformatorer?

Fluktuationer i ugnens laddningsmotstånd kan orsaka strömstötar; högre impedans begränsar toppströmmar och stabiliserar ugnens driftsförhållanden. Dessutom reducerar hög impedans kortslutningsströmmar och skyddar därigenom lindningarna. Medan standardkrafttransformatorer vanligtvis har kortslutningsimpedansvärden mellan 4 % och 6 %, sträcker sig SAF-transformatorer vanligtvis från 6 % till 15 %.

F: Vilka är fördelarna med att välja en 110kV primärspänning?

För SAF-transformatorer med stor kapacitet skulle anslutning till en lägre primärspänning resultera i alltför höga primärströmmar, vilket skulle lägga en onödig belastning på ställverk och kablar. En 110 kV-klassning sänker primärströmmen och minskar ledningsförlusterna, vilket gör den lämplig för projekt med kapaciteter över 20 000 kVA. Detta val medför dock högre isoleringskostnader och ett större fotavtryck, vilket kräver en omfattande utvärdering.

F: Vilka är nyckelpunkterna för det dagliga underhållet av vattenkylningssystemet?

Övervaka regelbundet tryckskillnaden mellan olje- och vattenkretsarna; oljetrycket måste förbli högre än vattentrycket. Avlagringar i kylaren försämrar värmeavledning, så rengöringsscheman bör bestämmas baserat på vattenkvaliteten. Kylsystemet måste aktiveras innan transformatorn startar och bör fortsätta att fungera under en period efter att transformatorn stängts av.