第四节---LF炉的电气设备

太钢二钢厂不锈钢培训教材-LF分册第四节 LF炉的电气设备一、 概述LF炉又称钢包电炉，所以它的电气设备与电炉基本相同。 LF炉精炼是靠电能转变为热能进行冶炼的，LF炉的电气设备就是完成这个能量转变的主要设备。LF炉的电气设备主要分为两大部分，即主电路和电极升降启动调节系统。主电路的任务是将高压电转变为低压大电流输给LF炉，并以电弧的形式将电能转变为热能。电极升降自动调节系统的任务是根据冶炼要求，通过调整电极和钢水之间的电弧长度，调节电弧电流和电压的大小。LF炉使用的电源是三相交流电。通常电流沿架空高压线输入变电所，再沿高压电缆经配电装置输入LF炉变压器，LF炉变压器将高压电转化成低压大电流通向电极，在电极与钢水之间产生电弧。由高压电缆至电极的电路称LF炉的主电路。LF炉冶炼所需的电能就是通过主电路输入炉内的。LF炉的主电路如图4-30所示，主电路主要由隔离开关、高压断路器、电抗器、LF炉变压器及低压短网等几部分组成。LF炉通过高压电缆供电，电压为3000伏以上。LF炉变压器的一侧（高压侧）有隔离开关和高压断路器。断路器供保护电源之用。当电弧电流太大时，断路器会自动跳闸把电源线路切断。在线路上串联电抗器，用来缓和电弧电流的剧烈波动和限制短路电流。LF炉变压器是一种降压变电器，具有很大的过载容量（2030）。在变压器的高压侧 配有电压调节装置，调节LF炉输入电压。电压调节装置有无载调压和有载调压两种。有载调压装置在结构上比较复杂，但能在不断电的情况下进行LF炉电压的调节，有利于缩短精炼时间和提高生产能力。短网是指LF炉变压器二次侧的引出线至LF炉电极之间的一段三相线路，它包括三个部分：铜排（或铜管）、软电缆和炉顶上的导电铜管。1-高压电源 2-隔离开关 3-高压断路器 4-电抗器 5-电抗器短路开关6-电压转换开关 7-LF炉变压器 8-电极 9-电弧 10-钢水图4-30 LF炉主电路图为了监视LF炉变压器的运行情况和掌握电力情况，供电线路上装有各种测量仪表，由于LF炉一次侧电压高，二次侧电流大，必须配置电流互感器和电压互感器，以保证各种测量仪表正常工作及操作人员的安全。LF炉在运行中，要考虑各种故障及非正常工作现象发生的可能性。例如，在运行中最普遍的，同时也是最危险的故障就是各种原因引起的短路。为此设有信号和保护装置。信号装置的作用如下：有时电气设备情况不正常，但并不会损坏设备元件，所以不必切断电路，而只需发出信号以引起操作人员的注意，或通过自动调节装置来改正。保护装置的作用如下：当电气设备发生故障时，可通过保护装置一一高压断路器使LF炉变压器与供电线路自动分开，切除故障，防止设备损坏。在精炼过程中，由于吹氩量大小、钢水沸腾等原因，电极与钢水之间的电弧长度就不断变化，引起电弧电流和电弧电压很大的波动，因此要求快速调节电极的位置，使电压和电流值保持在一定的范围内。电极调节装置一般都是自动的，主要由电流电压的测量比较部分和其后的执行部分两者构成。过去都用电机放大机-直流电动机系统，某些工厂改用可控硅-直流电动机系统，目前大多采用灵敏度更高、更快速的可控硅-转差离合器系统和电气液压调节系统。LF炉除电极升降自动调节装置外，还有一些电气控制装置用来控制LF炉的其它机械设备，如包盖提升的液力推杆、钢包车行走、合金加料电动机控制按钮及限位开关等。二、 隔离开关和高压断路器（一）、 隔离开关隔离开关主要用于LF炉设备检修时断开高压电源，有时也用来进行切换操作。隔离开关的基本结构是框架、绝缘子、闸刀和固定触头四部分，如图4-31。隔离开关的每一相由两个固定在绝缘子上的固定触头及可动闸刀所组成，可动闸刀用传动机构控制。图4-31 隔离开关示意图隔离开关没有灭弧装置，它只能在无负载时才可接通或断开电路，因此隔离开关必须在高压断路器断开后才能操作，否则闸刀和触头之间会产生电弧使闸刀熔化，并极易造成相间短路及对地短路，为了防止误操作常在隔离开关与断路器之间设有连锁装置，使断路器闭合时隔离开关无法操作。在隔离开关附近还装有信号灯，以指示高压断路器接触情况。隔离开关的操作机构有手动、电动和气动三种。当进行手动操作时，应带好绝缘手套，并站在橡皮垫上，以保证安全。（二）、 高压断路器高压断路器的作用是使高压电路在负载下接通或断开，井作为保护开关在电气设备发生故障时自动切断高压电路。LF炉使用的断路器有油开关、空气断路器和真空断路器。1.油开关油开关的构造如图4-32，油箱内装有变压器油，油开关的触头浸在油中以防止氧化，并使触头得到散热，以及保证高压触头间和对地绝缘可靠。当油开关断路时，动触头与固定触头分离，产生电弧，在电弧的高温下使油分解，产生大量的氢气，迫使电弧熄灭。图4-32 油开关构造原理图油开关的油必须经常更换，因为电弧的高温会使油分解，生成游离 碳，油色混浊和变黑。导致油的绝缘性能降低，油也不宜过装，因为在电 弧高温下油会迅速气化，促使油面急剧上升，容易引起油液飞溅和爆炸。2空气断路器：空气断路器也是用来切断或接通电流的高压电气设备，与油开关相比，它具有灵敏度高，无需换油，结构简单，维修方便等优点。避免了用油作为灭弧介质时所造成的火灾和爆炸事故。它特别适用于需要频繁操作的场合。所以，大多数LF炉上用它代替油断路器。LF炉常用的是电磁式空气断路器，结构如图4-33所示。它设计成手车式，三相安装在同一基座上。基座内有电磁操纵机构。灭弧原理是利用电弧在强磁场作用下，快速进入灭弧室中，以大气作为介质，使弧柱强烈冷却和快速拉长，而达到顺利熄弧的目的。图4-33 空气断路器示意图3.真空断路器真空断路器是利用真空进行灭弧和绝缘的一种新型断路器。它适用于比较频繁的操作，在LF炉上已被推广使用。真空断路器的外形如图4-34所示。断路器采用落地式结构。真空灭弧室装在上部，机构设在下面，基座底板上前后对称地直立两排绝缘杆，共计八根，用它们来固定和支撑绝缘撑板，在这块板上直立三组绝缘杆，成三角形分布，共计9根，每组绝缘杆上分别装压板，真空灭弧室就被垂直压在压板和绝缘撑板之间。电磁操作机构通过三个绝缘子，使三个真空灭弧室同时接通和断开。为了防止相间发生意外的弧光短路现象，在相间加绝缘隔板。断路器下部有铁板制的外罩，罩上有铭牌、合分闸指示器及供调整用的手动合闸分闸机构。图4-34 真空断路器示意图真空断路器应经常保持清洁，特别要注意清理绝缘撑板、绝缘杆、绝缘子上的尘埃，井经常观察或测试真空灭弧室的真空度，尤其要注意断路器分闸时的弧光颜色。正常情况下，弧光呈蓝色，真空度降低后变为红色。如发现真空度降低时，应及时更换真空灭弧室。LF炉停、送电时，开关操作顺序是：送电时，先合上隔离开关，后合上断路器；停电时，先断开断路器，后断开隔离开关。三、 LF炉变压器和电抗器LF炉变压器是LF炉的主要设备。其作用是降低输入电压（100400伏），产生大电流（几千到几万安培）供给LF炉。（一）、 LF炉变压器的特点LF炉变压器负载电流的波动不很大。但是在提温期，LF炉变压器经常处于冲击电流较大的尖峰负载。为此LF炉变压器与一般电力变压器相比较，具有以下特点：1.过载能力大；2.有较高的机械强度，经得住冲击电流和短路电流所引起的机械应力；3.二次侧电压可以调节；4.变压比大；5.二次侧电流大。（二）、LF炉变压器冷却变压器运行时，由于铁芯的电磁感应作用会产生涡流损失和磁滞损失，也就是“铁损” ，同时电流流过线圈，因克服电阻而产生“铜损”。铁损和铜损会使变压器的输出功率降低，同时造成变压器发热。变压器发热会使绝缘材料变质老化，降低变压器的使用寿命。温度过高还会使绝缘失效，造成线圈短路，使变压器烧坏。变压器工作时，要求线圈的最高温度小于95，新型变压器的温度计就埋在线圈之中，直接监测线圈温度。但通常的变压器是用油面温度计来表示线圈温度的，由于油面温度与线圈实际温度之间还有一个差值，所以允许的最大油面温度还要降低。对于油浸自冷式变压器，最大油面温度应更低些，变压器往往还规定了最大温升（变压器的工作温度减去它周围的大气温度的差值就叫变压器的温升）。周围大气温度一般以夏季最高温度35计算。在自然通风条件下，油浸自冷式变压器线圈的最大温升为60。油面的最大温升为50。LF炉变压器的冷却主要有两种，即油浸自冷式和强迫油循环水冷式（图4-35）。图4-35电炉变压器的冷却方式示意图油浸自冷式的铁芯和线圈浸在油箱中，油受热上浮进入油管，被空气冷却，然后再从下部进入油箱。强迫油循环水冷式变压器的铁芯和线圈也浸在油箱中，用油泵将变压器油抽至水冷器的蛇形管内，强制冷却，然后再将油打入变压器油箱内。为了保证冷却水不致因油管破裂而渗人管内，油压必须大于水压。（三）、 LF炉变压器的调压LF炉变压器的调压是通过改变线圈的抽头和接线方法来实现的，变压器的一次侧可以按成星形（丫），也可以接成三角形，（）。当将一次侧的三角形接法改为星形时，二次侧的电压是原来的 1/ 3 （也即丫/= 1/ 3 ）。为了获得更多的电压级数，变压器的一次侧带有若干个抽头，利用这些抽头可以改变一次侧线圈的匝数，从而获得更多的电压比。从理论上讲，改变二次线圈也可达到调压目的。但是二次线圈的截面很大，在低压侧装置分接开关极为不利。LF炉变压器的低压侧通常接成三角形。带切换开关的变压器接线原理见图4-36。图4-36 带转换开关的变压器接线原理图（四）、 LF炉变压器的维护LF炉变压器运行中必须加强监视和维护，以避免损坏。一般应注意以下几点：1.LF炉变压器不得长期超负荷运行，以免线圈和油面温升超过允许值。过载运行时，虽然有时油面温升未超过允许值，但线圈内局部的温度可能已超过允许值，或绝缘油过热而加速老化。2.运行中应经常注意油面温升，油面最高温度和温升不得超过允许值。3.经常检查油枕油面指示的高度，油枕上有三个温度标志，即+35、+15和-35，各表示在相应的冷却空气温度下，油面应有的高度。油面高度与该温度下的标准高度不允许偏离大多。如果发现油面突然升高，可能是油箱内的线圈短烙或引线断裂故障，将造成瓦斯断电器动作；若油面降低很多，则应检查油箱是否漏油。4.注意变压器的声音是否正常，若有反常声音则说明变压器内部或外部的电路上发生故障。（五）、 电抗器电抗器串联在变压器的高压侧，其作用是使电路中感抗增加，以达到稳定电弧和限制短路电流值的目的。在LF炉精炼中氩气量突然加大，引进电流波动，甚至发生短路，接入电抗器后，使短路电流不大于2.53.5倍的额定电流，在这个电流范围内，电极的自动调节装置能够保证提升电极降低负载，而不至跳闸停电，同时使电弧保持连续而稳定。电抗器的构造从外观上看，与变压器很相似，也由铁芯和线圈两部分组成。为使铁芯在大电流下不至于饱和，电抗器的铁芯是不闭合的，但电抗器只有一次绕组，它类似于变压器的高压绕组，并与变压器高压绕组的线径相同。为保证所需的电抗值，电抗器线圈留有抽头。电抗器具有很小的电阻和很大的感抗。当有交流电通过时，线圈便产生感应电动势，能在有功功率损失很小的情况下限制短路电流和稳定电弧。但是，因为它的电感量大，使无功功率消耗增加，降低了功率因数，从而影响了变压器的输出功率。因此，要很好地掌握电抗器的接人时机，并控制使用时间，以减少无功功率消耗。大炉子用单独的电抗器。更大的LF炉则因主电路本身的电抗相当大，一般就不需要再另外加电抗器。四、 短网电路的短网是指变压器低压侧的引出线至电极这一段线路。这一段线路不长，约1020米，但是导体的截面积大，电流大。它的电参数（电阻和电抗）对LF炉装置的工作有很大的影响，在很大程度上决定了LF炉的电效率、功率因数以及三相电功率的平衡。短网的结构（如图4-37所示）主要由以下几部分组成：硬铜母线（铜排）、软电缆和炉顶水冷铜管，电极有时也算做短网的一部分。由于短网导体中电流大，特别是经常性的冲击性短路电流使导体之间存在很大的电动力，所以目前绝大多数LF炉的短网都采用铜来制造，而很少采用机械强度较差的铝。图4-37 短网示意图从变压器低压侧出线端到变压器室外面的软电缆接头处是硬铜母线。这段硬铜母线通常采用矩形铜排，考虑到交流电的集肤效应和邻近效应，矩形铜排的高宽比为10-20。有的LF炉为了简化结构，减少维修，采用空心铜管，中心通水冷却，以提高平均电流密度。目前我国多数LF炉的硬铜母线是采用三相平面布置，有个别LF炉采用了等边三角形布置（如图4-38）。也有采用改进平面型布置的。图4-38 硬铜母线的布置方式软电缆的长度应能满足电极升降及炉盖旋转的需要。根据变压器额定电流的大小采用多根软电缆并联连接，软电缆一般为裸铜电缆，如在裸铜电缆外套水冷胶管，可使允许电流密度提高两倍左右，这样既减少电缆根数，节约铜材，又可提高使用寿命。水冷导电铜管装在电极夹持器的上方，一头与软电缆相连，一头与电极夹头相连。水冷铜管管壁厚度一般为10毫米。为了减少短网的电阻和感抗，要尽量缩短短网的长度；导体的接头处要紧密连接；导体要有足够大的截面，并且截面形状应采用较大高宽比的矩形截面或空心铜管，还必须注意合理的布线，导体与粗大的钢结构应离得远一些。当LF炉工作时，即使在变压器二次侧三个相的电压和电弧电流相等的情况下，三个相的电弧功率却是不相等的。这种三相功率的不平衡，是由三相的阻抗不平衡引起的。一般短网三相导体是平面布置的，并且相间的距离是相等的。中间相的短网长度较其他两相短，且电感也比其它两相小，所以阻抗小。这样中间相的电弧功率通常总是超过其它两相的。其它两相也由于感抗不同而电弧功率不相同，两相中电弧功率大的一相称“增强相”，电弧功率小的一相称“减弱相”。增强相与减弱相电弧功率增强与减弱的数值是相等的，也就是有一部分功率从减弱相转移到增强相去了，这种现象称之为“相间功率转移”。电流愈大，三相电弧功率的不平衡现象愈严重。三相电弧功率不平衡对LF炉精炼是很不利的，会造成熔池受热不均，及局部炉墙损坏严重，降低包衬寿命，直接影响LF炉生产率。为了减轻三相功率不平衡的不良后果，可以采取如下措施： 1）尽可能使短网导体对称布置，把短网由原来的平面布置改为等边三角形布置，或改进平面形布置。 2）将中间相电极向钢包中心移动1020厘米。3）尽量实行住返电流交叉排列的双线布法。五、 测量、保护及信号装置（一）、 测量装置为了监视变压器的运行，在LF炉变压器的一次侧设有电流表和电压表，二次侧每相各设一只电流表和电压表。在一次侧还装有功率表、有功电度表和无功电度表等指示和记数仪表。为了与高压和大电流的主电路相隔离，测量仪表都经电压、电流互感器与主电路相连，电压、电流互感器又称仪表用互感器，专供测量仪表控制及保护设备用，其目的是扩大测量仪表的量程，使测量仪表相应集中，并与高压电路绝缘，保证安全使用。（二）、 保护装置在LF炉的运行中，必须考虑到产生各种故障及出现非正常工作现象的可能性。最普遍的，同时也是最危险的故障就是各种原因引起的短路，譬如，母线接头、线圈及高压侧、低压侧各载流体的短路等。在遇到故障时，防止事故发生与扩大的方法是迅速地使设备断电。但是，在这样短的时间内，操作人员是无能力发现和消除故障的，因此，电源设备均配备有专用的继电保护装置。 继电保护装置能完成以下两方面的任务：1.当发生故障时，它能自动地、迅速地、有选择性地将故障部分与电力系统的其他部分断开，以保证其它非故障部分的正常运行和防止故障设备的损坏。2.当发生不正常运行时，它能向操作人员发出信号，使其采取必要措施或通过自动调节来改正，得不到调整时，切除故障设备。在LF炉线路上常用的保护装置有：过电流保护、瓦斯保护、油温保护等，一般还有连锁保护装置。（1）过电流保护用于过载时和短路时进行保护，当线路中电流超过允许值时，通过过电流继电器使高压断路器自动断开电路。（2）瓦斯保护变压器和电抗器的内部发生故障时，有气体发生。在轻故障的情况下，产生的气泡上升，接通轻瓦斯浮筒水银接点而发出预告信号，在重大放障情况下，气体强烈产生，重瓦斯浮筒水银接点接通而切断电源。（3）油温保护当变压器油温达到规定值时，油温继电器发出信号，当油温再升高达到极限时，油温继电器使高压断路器自动跳闸。为防止人工误操作而发生的事故，LF炉上一般还安装下述连锁保护装置：1）隔离开关联锁装置：防止隔离开关带负荷操作；2）钢包移出及炉盖提升相互的联锁装置：防止炉盖上升下降时钢包移动，或炉盖未上升到顶点转动。防止钢包移动时炉盖上升下降，同时必须在高压断路器断开时，才允许炉盖提升。（三）、 信号装置信号装置的作用是指示电源设备的工作状态，操作人员根据指示信号进行操作，避免误操作，另外，当设备发生不正常运行状态时，发出警告，通知操作人员采取措施及时处理。1. 指示信号装置1）高压断路器停送电指示，以灯光信号表示，停电为绿色，送电为红色；2）工作电压指示，以灯光信号表示电压波动情况；3）调压指示，以灯光信号表示调压装置的电压级位置，或者用数字显示器直接显示；4）油泵指示，以灯光（绿灯）表示冷却油泵是否在工作。2预告信号装置1）当轻瓦斯动作时发出灯光信号指示和音响警报，并有信号继电器告知信号类别；2当温度继电器动作时，有与以上同样的信号发出；3）当冷却油泵停止或油压继电器动作时也发出上述信号。六、 电极升降自动调节装置LF炉输入的功率是随着电弧长度的变化而改变的。冶炼过程中，由于钢水沸腾等原因，电极与钢水之间的电弧长度不断地变化。为了保证按规定的电力制度供电，就必须保持稳定的电弧长度。电极升降调节装置的作用就是保持电弧长度恒定不变，从而稳定电弧电流和电压，使输入的功率保持一定值。当电弧长度变化时：能迅速提升或下降电极，准确地控制电极的位置。所以，要求电极调节装置反应灵敏，升降电极速度快、稳定，可以避免电流电压过大的波动，但手动控制电极升降不能满足上述要求，因此一般都采用自动控制。现将几种自动调节装置分述如下。 （一）、 可控硅一直流电动机自动调节器可控硅一直流电动机系统表示LF炉每相电极的控制系统。控制系统由电流和电压的测量回路、触发回路、可控硅整流回路，辅助控制回路及电动机和传动机构组成。电弧电流和电压信号经电流和电压的测量回路，分别变换成直流电压后进行比较，它们差值的信号送入触发回路，然后按信号的正负极性和大小进行选择，输出一个脉冲信号给可控硅整流回路，可控硅回路按脉冲信号的极性和大小输出电压给直流电动机，直流电动机带动机械传动机构，使电极上，下移动，改变电弧的长度，维持电弧电流在某一规定值。电压信号大于电流信号时，电动机旋转方向使电极下降，电弧阻抗降低，电弧电流增加。当电流信号与电压信号相等时，电动机电压为零，电动机停止转动。电流信号大子电压信号时，则电动机反转，使电极升高直到新的平衡。电流信号和电压信号差值愈大，电动机转速愈快，使电极提升或下降的速度也就愈快。可控硅一直流电动机调节系统具有灵敏度高、电极升降速度快、线路结构简单、无噪声、便于维护等优点。其缺点是可控硅过载能力小、受温度影响大、抗干扰能力小。（二）、 可控硅一电磁转差离合器式调节器这种调节系统的工作原理与可控硅一直流电动机式系统基本相同。所不同的是，在电机升降机构中，用一个鼠笼型交流电动机和一个转差离合器来代替原来的直流电动机。这种调节系统与可控硅一直流电动机系统相比，由于电动机与电极分开，不参加过渡过程，没有电动机起动和制动问题，离合器电枢转动惯量很小，故调节系统反应灵敏，电极提升速度快，因此可减少高压开关跳闸次数。（三）、 电液随动阀一液压传动式调节器电液随动控制系统的工作原理见。电弧电流偏差时，电气控制系统将测量比较环节传来的偏差信号放大后，输给驱动磁铁，驱动磁铁根据偏差信号使随动阀的阀芯向上或向下移动。由于阀芯的移 动，控制着阀体的进液量和回液量，从而使液压缸内高压液体增加或减少，增加时，立柱向上提升电极，减少时，减少时，依靠电极和立柱的自重使电极下降。当电弧正常工作时,测量环节无信号输出，随动阀的阀芯处于中间位置，电极不动。这种调节系统同时具有电气系统和液压系统的优点，比其他的电极自动调节系统具有更高的灵敏度，其升降速度更快，输出功率也大。 电极自动调节系统的技术指标有以下几项：l.电机最大提升速度：衡量电极自动调节系统快速性的一个指标，以米分表示。2.不灵敏区：衡量调节系统对电弧电流变化大小的灵敏度性的一个指标，以电流额定值的百分数表示。3.系统滞后时间：衡量调节系统对电流变化反应快慢的一个指标，以秒表示。系统对电流变化反应愈快，其滞后时间愈短。对于大型LF炉来说，采用电液调节系统比其他任何调节系统都要好，因而获得越来越广泛的应用。七、 配电操作LF炉精炼的输入功率根据工艺要求是不同的，因此在整个冶炼阶段要不断地调节输入功率，这种电功率的调节工作称之为配电。LF炉的配电操作，主要有送电、停电、调换电压、调节电流及电气设备的监视与维护工作。（一）、 LF炉操作台LF炉操作台是LF炉的电气控制设备，主要由下列电器组成：1. 测量仪表包括每项电弧的电流表和电压表、每相电极升降电动机的电流表和电压表、三相电度表等。(如果有的话)2指示灯包括每相电压指示灯、断路器合闸与分闸指示灯、可控硅系统电源指示灯、冷却油泵指示灯、电压转换指示灯及各种故障指示灯等。3控制开关或按钮包括断路器合闸与分闸接钮。可控硅系统电源开关、冷却油泵开关、电杭器接入与切除按钮、每相电极上升及下降按钮或开关、三相电极同升按钮、每相电弧电流调节器、电极升降系统灵敏度调节器、电压转换开关及“手动”与自动转换开关等。（二）、 通电前的准备通电前要做以下准备工作：1)值班电工对主要电气设备检查就绪并确认系统完好；2)高压开关装置（隔离开关和高压断络器）均在断开位置；3）LF炉变压器调压开关和电抗器开关应在所需位置；4）可控硅系统转换开关应处于“手动“位置；5）通电前LF炉上和变