带低压电容补偿矿热电炉电极电流的测量

郭朝晖，王夕旭，郭枝新

(昆明有色冶金设计研究院股份公司，云南昆明650051)

带低压电容补偿矿热电炉电极电流的测量

郭朝晖，王夕旭，郭枝新

(昆明有色冶金设计研究院股份公司，云南昆明650051)

矿热电炉生产过程中，电极电流是十分重要的监视参数，真实的电极电流测量对控制电炉电极的升降提供了重要的依据，对稳定电炉生产、提高生产率起到了很好作用。当设置了低压电容补偿后，通过测量变压器低压端的电流便不是真正的电极电流。提出了基于DCS系统的电极电流间接测量法，给出了计算电极电流的数学模型。

矿热电炉:低压电容补偿:电极电流

0 引言

矿热电炉是电炉法生产铁合金的主体设备，其功率因数极低，使本来高耗能的设备又增加了无功电流造成的电能损耗。为提高功率因数，减少电能损耗，矿热电炉电容器低压补偿方式应运而生。电容器低压补偿是一种就地补偿方式，补偿电容接在电炉短网靠近电极侧，补偿部分电极电流中的无功电流，这样也就减少了这部分无功电流在电炉短网及电炉变压器绕组上产生的损耗。与中压、高压侧补偿相比，节能效果更好，但在电容器低压补偿方式下产生了新问题——测量不到实际的电极电流，此问题若得不到解决，则对电容器低压补偿方式的推广带来了不利影响。

1 矿热电炉的电极电流检测

矿热电炉生产过程中，电极电流是十分重要的监视参数，控制电极的升降也是以电极电流作为重要依据。测量电极电流的方法与电炉容量大小、电炉变压器调压方式有关。矿热电炉变压器一般都是采用有载调压，且调压范围较大。因而不能由电炉变压器一次侧测量电炉电极电流，均通过测量电炉变压器二次侧电流检测电极电流。电炉变压器有载调压方式有一次侧抽头调压、自耦变压器调压等。对于大型电炉变压器常用的调压方式是用串联(辅助)调压变压器，且多为低压串联调压，串联调压变压器串接在电炉变压器低压回路中。

云南建水锰矿200 kt/a锰系合金工程电炉变压器便是采用低压串联调压方式。图1为该工程3#电炉单相电炉变压器绕组联结图。

图1 单相电炉变压器绕组联结图Fig.1 Interface Chart of Transformer Winding for Submerged Arc Furnace

在主变压器铁心上套有高压绕组W1，低压绕组W2及调压绕组W3，而在串联(辅助)变压器铁心上套有一次绕组W4和二次绕组W5。主变压器低压绕组W2和串联(辅助)变压器低压绕组W5串联连接的，并由此而得串联调压之名。串联变压器的一次绕组W4的电源则由主变压器的调压绕组W3供给。

当主变压器的调压绕组W3通过有载开关改变分接位置时，则串变一次绕组W4的电压发生变化，串变低压绕组W5的电压也随之发生变化。由于调压绕组W3利用极性开关与串变一次绕组W4可做正、反连接，使得串变二次绕组W5的电压与主变低压绕组W2的电压同相或者相差180°，二者同向相加或者异向相减。从而可以在任意给定的调压范围内大幅度的调整电炉变压器的输出电压，且级差电压相等。输出电压的细调则为17级的有载调压开关。输出电压总级数为35级，输出电压180.1～349.5 V。

根据磁势平衡的原理，可得下列磁势方程式:I4W4+I5W5=0，

由此I5=－I4W5/W4

又由于 I2=I5，I4=I3，

所以由电流互感器3 S测得的电流I3，乘以W5/W4，便可测得电炉变压器低压端输出电流I2。

变压器绕组W6为10 kV补偿绕组，接中压无功补偿装置，该工程中压无功补偿装置采用的是静止无功发生器SVG。

建水锰矿锰系合金3#电炉采用3台单相电炉变压器供电，电炉变压器型号HTDSPZ－22500/110，额定容量22 500 kVA，额定电压110 kV/394.5 V，额定电流238.3/75 000 A。

3台单相变压器三相联接组别D.d0。变压器低压侧与电极连接，见图2。

图2 变压器与电极连接图Fig.2 Connection Chart for Transformer and Electrode

2 普通检测方法存在的问题

电炉的自然功率因数较低，一般在0.6左右，为了提高功率因数并降低能耗，电炉供电系统一般都设置有无功补偿装置。从满足电网cosφ＞0.9的要求考虑，无功补偿装置设在高压侧、中压侧、低压侧都可以，但从节约电能考虑，补偿装置设在低压侧、靠近电极最好。这样可以减少无功电流在电炉短网及变压器绕组中产生的损耗。

设置了低压补偿后产生的一个问题就是，通过测量变压器低压端的电流不是真正的电极电流，而是电极电流与补偿电流的矢量和，见图3。

图3 测量电极电流矢量图Fig.3 Vector－Graph of Measuring Electrode Current

从图3看出，测量的电流要小于电极的实际电流，指导生产的是电极电流 I电极，怎样能检测到I电极便是生产的关键问题。

电炉变压器是通过短网与电极连接的，低压补偿电容器组也是通过水冷母线与短网相联的，电极在生产中还要上下移动，电炉短网与电极连接处还有软电缆，因而电极电流不能直接测量。低压补偿电容器组也通过短网直接连接到电极，且在正常运行时补偿电流很大，因此低压补偿电流也很难直接测量。

3 基于DCS系统的电极电流检测方法

云南建水锰矿200 kt/a锰系合金工程1#、2#电炉在投运后，测量到的电极电流与实际电流相差较大，导致电极操作错误而引起多次电极烧断的故障。因此在3#电炉工程实施过程中采用了该文提出的基于DCS系统的电极电流测量方法。

图4 电流检测连接方式Fig.4 Connection Way for Current Measurement

3#电炉变压器低压侧电流I(即I测)、电极电压U均通过数显变送器变为4～20 mA信号引入3#电炉DCS控制系统。电流检测连接方式见图4。

3#电炉低压补偿装置采用独立的PLC进行控制，通过功率因数变送器采集功率因数并依据其大小对对投入的电容组数进行控制。

经由现场总线通信方式，电炉DCS控制系统可以获得低压补充装置PLC采集到的电容器投入组数及功率因数等参数，按照数学模型，由DCS系统计算出比较真实的电极电流，因而是一种间接的电极电流测量法。

欲由DCS系统计算出电极电流，需首先计算出低压补偿相电流I补。

低压补偿电容器组角接在电极之间，每一组电容器容量为Q，电容器额定电压为Ue。

计算每一组电容器的容抗Xcd:

利用D－Y变换，计算星接的等值容抗，如果三相投入的容量相等，则

测量 cosφ，U，I测，利用三角函数可算出 I电极。实际电极电流的矢量计算图如图5。

图5 实际电极电流计算矢量图Fig.5 Vector－Graph of Actual Electrode Current Calculation

用实际测量值 cosφ =0.75，I测86.68 kA，带入上述公式，在K=80 时，计算出I补28.45 kA，I电极=107.73 kA

从上述计算出的1组数据可以看出，由电炉变压器低压侧测量的电流I测86.68 kA，而电极的实际电流I电极=107.73 kA，两者相差21 kA，显然用电炉变压器低压侧测量的电流指导生产是不行的，这也说明该文提出的基于DCS系统的电极电流间接测量法，对电炉生产确实是有利的。

4 实际应用效果

图6为3#电炉在生产中DCS系统上位机低压补偿投入后的监控画面:

图6 计算机监控画面截图Fig.6 Screenshot of Computer Monitoring

云南建水锰矿200 kt/a锰系合金工程3#电炉采用了该文提出的电极电流间接测量方法后，经过实际运行检测，证明这种方法可以有效的解决低压补偿投入后带来的电极电流值偏差，对电极控制及生产效率的提高提供了有效的帮助。

这种方法在实际实施时也非常简单，只需用在电炉控制DCS系统和低压补偿装置PLC之间连接1条通信电缆，并修改相应的软件就可以完成，因此随后对1#、2#电炉也进行了改造。使用该文的方法在电炉控制DCS系统上动态显示更真实的电极电流值，对生产带来电流极大的便利。

5 结语

在越来越重视降低能耗的今天，该文提出的基于DCS系统的电极电流间接测量法，对在大功率矿热电炉上采用电容器低压补偿方式的推广也是有利的。

Measurement of Electrode Current of Submerged Arc Furnace with Low－voltage Capacitance Compensation

GUO Zhao－ hui，WANG Xi－ xu，GUO Zhi－xin
(Kunming Engineering ＆ Research Institute of Nonferrous Metallurgy Co.Ltd，Kunming 650051，China)

During the production process of submerged arc furnace，the electrode current is one of very important control parameters and measuring the real electrode current can provide the basis for controlling the furnace's electrode rise－and－fall，which plays a good role in stabilizing production and improving productivity in the submerged arc furnace.After low voltage capacitance compensation was provided to the power system，the current which is measured from low voltage side of the transformer is not actual electrode current.An indirect method of measuring electrode current based on DCS control system was put forward，and mathematical model of calculating electrode current was provided.

Submerged arc furnace;low－voltage capacitance compensation;electrode current measurement

TM924.71

A

1004－2660(2011)04－0028－04

2011－08－25.

郭朝晖(1969－)，男，辽宁人，高级工程师.主要研究方向:自动化系统设计及调试.