Трансформаторы руднотермических печей (РТП): электродинамика ошиновки и КЗ

Электромеханический расчёт трансформаторов РТП для ферросплавов: вторичные токи 40-100 кА, замыкание в треугольник на электродах и электродинамические усилия.

1. Экстремальные условия эксплуатации печей с погруженной дугой

Печи с погруженной дугой (SAF) производят основные промышленные металлы, включая ферросилиций, феррохром, ферромарганец и металлический кремний. В отличие от открытых электродуговых печей (ЭДП) со свободным горением атмосферных дуг, электроды SAF глубоко погружены в проводящую смесь руды, восстановителя (уголь/кокс) и флюса. Трансформаторы SAF должны обеспечивать чрезвычайно высокие вторичные токи (40 kA to 120 kA) при низких, легко регулируемых вторичных напряжениях (90 V to 280 V) в условиях непрерывных многолетних кампаний с суровыми термическими циклами и частыми колебаниями нагрузки.

2. Топология сильноточного вторичного замыкания треугольником

Проведение 80 kA через вторичные вводы при низком напряжении приведет к недопустимому падению реактивного напряжения (I · XL) и сильному магнитному нагреву стенок бака трансформатора, если треугольник вторичной обмотки замкнут внутри бака. Поэтому в трансформаторах SAF используется внешнее замыкание треугольником на зажимах электродов печи:

Особенность дизайнаВнутреннее закрытие дельтыВнешнее замыкание треугольника (ранцевый / электродный зажим)
Уровень тока втулкиПолный ток линии (от IL = √(3) · Iphase до 100 kA)Только фазный ток (от Iphase = IL / √(3) до 58 kA)
Количество вторичных втулокБольшие терминалы 3 или 6Пары чередующихся медных шин с водяным охлаждением от 6 до 12
Реактивное сопротивление вторичного контураВысокий (5 - 10 mΩ) приводит к низкому рабочему коэффициенту мощностиМинимизация (< 1.5 mΩ) за счет плотных бифилярных чередующихся шинных трубок
Блуждающие магнитные потери в резервуареСильный вихревой нагрев резервуара, требующий немагнитных вставокПотери в танке нейтрализуются противодействующими полями возвратно-проводникового направления

3. Физика электродинамических сил и зажим шин

Во время короткого замыкания в работе печи (например, проваливания электрода или закупорки шлака) вторичный ток возрастает до номинального тока 4× to 6×. Электродинамическая механическая сила между соседними параллельными проводниками шины на единицу длины определяется законом Био-Савара:

(F) / (L) = (μ0) / (2π) · (i1(t) · i2(t)) / (d) [N/m]

Где:

  • d — расстояние между осями проводников (m), μ0 = 4π × 10-7 H/m.
  • Для i1 = i2 = 150 kApeak по d = 0.08 m мгновенная пиковая сила отталкивания достигает:
(F) / (L) = (4π × 10-7) / (2π) · ((150 × 103)2) / (0.08) = 56,250 N/m (5.6 tonnes per meter)

Без непрерывных немагнитных опорных зажимов конструкции (аустенитная нержавеющая сталь или армированные эпоксидно-стеклянные композиты) шины постоянно деформируются, что приводит к межфазным пробоям и разрывам охлаждающих трубок.

4. Скин-эффект и разработка медных шин с водяным охлаждением

При 50 Hz электрическая глубина скин-слоя в меди с высокой проводимостью (OFHC) равна δ = √(ρ / (π f μ)) ≈ 9.3 mm. Сплошные медные шины толщиной, чем 15 - 20 mm, демонстрируют сильное скопление тока на внешней поверхности, что приводит к потере меди и созданию внутренних горячих точек. В современных трансформаторах SAF используются полые медные шины с водяным охлаждением или пакеты из ламинированной чередующейся фольги с деминерализованной охлаждающей водой, циркулирующей со скоростью >1.5 m/s для поддержания температуры меди <65°C.

5. Рекомендации по инженерным спецификациям

  • Укажите устройства РПН (РПН) с широким диапазоном регулирования напряжения (1:2 или 1:2.5, обычно ступени от 27 до 39), предназначенные для операций >300,000 между капитальными ремонтами.
  • Обязательно использование немагнитной нержавеющей стали (AISI 304 или 316) для всех секций крышки резервуара, окружающих турели вторичных втулок, чтобы исключить индукционный нагрев паразитным потоком.
  • Интегрируйте расширенный онлайн-анализ растворенных газов (DGA) с газохроматографическим мониторингом 9 для обнаружения низкоэнергетической тепловой дуги во вторичных соединениях.

*Источники: IEC 60076-1:2024; IEEE Std C57.17-2020; CIGRE Technical Brochure 883.*