Batık Ark Fırını (SAF) Trafoları: Yüksek Akımlı Bara Elektrodinamiği ve Kısa Devre

Ferroalyaj ve silisyum ergitme batık ark fırını transformatörlerinde elektromekanik tasarım: 40-100 kA sekonder baralar, elektrot pensesinde harici üçgen kapatm

1. Batık Ark Fırınlarının Ağır İşletme Şartları

Batık Ark Fırınları (SAF); ferrosilis, ferrokrom, ferromangan ve metalik silisyum üretiminde temel ergitme ünitesidir. Serbest ark oluşturan çelik ark ocaklarının (EAF) aksine SAF'ta elektrotlar iletken cevher, indirgeyici (kömür/kok) ve curuf karışımının içine gömülüdür. SAF transformatörleri son derece yüksek sekonder akımları (40 kA ila 120 kA) düşük ve geniş ayarlı sekonder gerilimlerde (90 V ila 280 V) sürekli, aşırı termik dalgalanmalar altında fırına iletmek zorundadır.

2. Yüksek Akımlı Sekonder Üçgen Bağlantı Topolojisi

80 kA gibi muazzam akımları trafo tankı içinde üçgen bağlayıp çıkarmak kazan saclarında aşırı manyetik indüksiyon ısınmasına ve yüksek reaktif gerilim düşümüne sebep olur. Bu sebeple SAF trafolarında harici üçgen kapatma (fırın elektrot penselerinde üçgenleme) uygulanır:

Tasarım Özelliği	Dahili Üçgen Kapatma	Harici Üçgen Kapatma (Elektrot Pensesinde)
Buşing Akım Seviyesi	Tam hat akımı (I_L = √(3) · I_faz ≤ 100 kA)	Yalnızca faz akımı (I_faz = I_L / √(3) ≤ 58 kA)
Sekonder Buşing Sayısı	3 veya 6 büyük terminal	6 ila 12 çift su soğutmalı bakır boru kovanı
Sekonder Devre Reaktansı	Yüksek (5 - 10 mΩ), düşük güç faktörü	En aza indirilmiş (< 1.5 mΩ), bifilar paralel borular
Kazan Kaçak Manyetik Isınması	Ağır girdap ısınması, amanyetik ekler şart	Gidiş-dönüş akımlarının birbirini nötrlemesiyle minimum kaçak

3. Elektrodinamik Kuvvet Fiziği ve Bara Sabitlemesi

Fırın içi işletme kısa devrelerinde (örneğin elektrot göçmesi veya curuf köprülenmesi) sekonder akım anma akımının 4 ila 6 katına fırlar. Paralel iletkenler arasındaki birim boya düşen elektrodinamik mekanik kuvvet Biot-Savart yasası ile hesaplanır:

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

d = 0.08 m mesafede i₁ = i₂ = 150 kA_tepe değerinde anlık itme kuvveti:

(F) / (L) = (4π × 10^-7) / (2π) · ((150 × 10³)²) / (0.08) = 56.250 N/m (5.6 ton/metre)

Sürekli amanyetik paslanmaz çelik veya epoksi-cam elyaf destek kelepçeleri bulunmadığı takdirde baralar kalıcı olarak bükülür, fazlar arası atlama ve soğutma borusu patlaması meydana gelir.

4. Deri Etkisi (Skin Effect) ve Su Soğutmalı Bakır Borular

50 Hz'de elektrolitik bakırda akım nüfuz derinliği (skin depth) δ ≈ 9.3 mm'dir. 20 mm'den kalın masif lamalarda akım yalnızca dış yüzeyden akar, bakır verimsizleşir ve lokal aşırı ısınmalar oluşur. Modern SAF trafolarında içinden demineralize su dolaşan içi boş bakır borular veya folyo paketleri kullanılır; su hızı >1.5 m/s tutularak bakır sıcaklığı <65°C sınırlandırılır.

5. Şartname Kriterleri

Geniş kademe aralığına sahip (1:2 veya 1:2.5, 27-39 kademe) ve bakımlar arası >300.000 anahtarlamaya dayanıklı yük altında kademe değiştirici (OLTC) isteyin.
Sekonder buşing çıkışlarındaki kazan kapaklarında indüksiyon ısınmasını önlemek için manyetik olmayan paslanmaz çelik (AISI 304/316) sac plaka kullanılmalıdır.
Sekonder bağlantılardaki mikro arklaşmaları erkenden yakalamak için 9 gazlı online çözünmüş gaz analizörü (DGA) entegre edin.

*Kaynak: IEC 60076-1:2024; IEEE Std C57.17-2020; CIGRE TB 883.*