電石爐短網(wǎng)電流平衡改造技術(shù)

陜西煤業(yè)化工集團(tuán)神木能源發(fā)展有限公司 周 璇

電石爐電極短網(wǎng)銅管及所連接的接觸元件普遍存在電流分布不均勻現(xiàn)象，由于各支銅管的分布不同，經(jīng)測(cè)量有些電石爐銅管最大和最小電流相差大2倍以上，而且往往都是三角區(qū)的接觸元件電流最大。而操作人員操作時(shí)只知道總電流、并不知道每個(gè)元件電流，造成電極由于接觸元件過(guò)載而容易產(chǎn)生電極事故。

變壓器二次電流通過(guò)多根銅管和對(duì)應(yīng)的接觸元件把電流導(dǎo)入電極，其電流分配比例是由各銅管的電抗值大小比例決定，而不是由銅管電阻決定。為此，可在銅管外圍調(diào)節(jié)銅管有效電抗值的技術(shù)，利用短網(wǎng)銅管大電流在周邊產(chǎn)生強(qiáng)磁場(chǎng)的原理，采用可在強(qiáng)磁場(chǎng)下工作的特種磁性材料，設(shè)計(jì)成對(duì)銅管產(chǎn)生附加電抗的高阻抗器件。在分配電流偏大的銅管上安裝調(diào)節(jié)器后，使該銅管總體阻抗增加、分配電流減少，從而達(dá)到各短網(wǎng)銅管包括所串聯(lián)的接觸元件均流的目的，通過(guò)調(diào)平各銅管的電抗值，從而實(shí)現(xiàn)短網(wǎng)電流平衡的目的。

本技術(shù)采取與銅管非接觸式增加電抗的方式，不需要改變用戶(hù)原有短網(wǎng)結(jié)構(gòu)，安裝方便，對(duì)原設(shè)備沒(méi)有任何不良影響和副作用。由于本技術(shù)采用的是無(wú)功電抗調(diào)節(jié)方法，調(diào)節(jié)器本身的有功損耗很低，只有幾百瓦數(shù)量級(jí)，單臺(tái)調(diào)節(jié)器損耗約2.5W,基本可以忽略不計(jì)；設(shè)備無(wú)功電抗按具體項(xiàng)目量身設(shè)計(jì)。

1 工作原理

要平衡短網(wǎng)電流，前期需實(shí)測(cè)短網(wǎng)各銅管電流分布情況，再根據(jù)實(shí)測(cè)電流分布，建立電工數(shù)學(xué)模型并計(jì)算出每一銅管的電抗值，根據(jù)各銅管電抗值的差異得到每根銅管需要調(diào)整的數(shù)值。任何電流都是從電源一端流出，再?gòu)牧硪欢肆骰兀簿褪钦f(shuō)，電流總有一個(gè)閉合回路，如圖1所示。

圖1 電流閉合回路

對(duì)交流電路，任何一個(gè)電流回路都會(huì)存在一個(gè)交流電抗，這個(gè)電抗值與電流回路包圍的面積成正比，回路面積大、電抗值就大，如圖2所示，圖B 回路面積大于圖A，所以圖B 電抗值大于圖A。

圖2 交流電抗

對(duì)于電石爐電路，一根電極的電流總是通過(guò)另兩根電極形成回路。三角區(qū)銅管的電流通過(guò)另兩根電極內(nèi)側(cè)銅管形成回路時(shí)包圍的面積最小，所以電抗值最小，反之外側(cè)銅管電抗值最大。

電流回路形成的電抗比電阻大10倍以上，所以電流分配是由電抗大小決定而不是電阻決定。在銅管回路內(nèi)側(cè)安裝一個(gè)由高導(dǎo)磁材料構(gòu)成的磁性器件，可增加回路的有效面積，從而增加該回路的電抗值。

圖3 陰影面積電極外側(cè)電流

圖4 陰影面積三角區(qū)電流

圖6中，沒(méi)有安裝電流平衡調(diào)節(jié)器時(shí)，電流回路面積為400×20=8000平方厘米，由于高磁性材料的導(dǎo)磁率是空氣導(dǎo)磁率的1000倍以上，所以安裝磁性電流調(diào)節(jié)器后有效面積增加到8000+50×1000=13000平方厘米，進(jìn)而電抗值得到增加。

圖5 電極做功電流閉合回路圖

圖6 未安裝電流平衡調(diào)節(jié)器的電流回路面積圖

每根銅管需要增加的有效面積是在實(shí)測(cè)電流分布后，進(jìn)而計(jì)算電抗值分布，再根據(jù)需調(diào)整的電抗值差異部分計(jì)算出來(lái)的。因此每個(gè)項(xiàng)目都需要量身設(shè)計(jì)。在安裝短網(wǎng)電流平衡調(diào)節(jié)裝置前，需安裝了短網(wǎng)電流測(cè)量裝置，實(shí)時(shí)測(cè)量出每一根銅管電流，根據(jù)短網(wǎng)銅管電流進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，發(fā)現(xiàn)變壓器短網(wǎng)銅管之間電流偏差較大，一般都是角內(nèi)區(qū)地電流遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于角外區(qū)電流。

短網(wǎng)電流互感器安裝于與接觸元件單獨(dú)連接的短網(wǎng)銅管上，它能測(cè)出流過(guò)每個(gè)接觸元件的電流，以及流過(guò)每根電極的總電流。為了準(zhǔn)確得到每個(gè)接觸元件的電流，要求如果有匯流排的，互感器必須安裝在匯流排后靠電極一側(cè)（圖7），如果沒(méi)有匯流排，則可以安裝在硬銅管的任何位置,例如安裝在墻內(nèi)變壓器側(cè)（圖8）,如果墻內(nèi)側(cè)沒(méi)位置,在安裝在墻外。

圖7 短網(wǎng)電流互感器與短網(wǎng)電流平衡調(diào)節(jié)器有匯流排的安裝位置示意圖

圖8 短網(wǎng)電流互感器與短網(wǎng)電流平衡調(diào)節(jié)器無(wú)匯流排的安裝位置示意圖

每?jī)上鄩浩鹘o一根電極供電，一相變壓器出線(xiàn)x 端流出電流，流過(guò)短網(wǎng)銅管，經(jīng)過(guò)電極再流過(guò)短網(wǎng)銅管流入另一相變壓a 端。一般電極內(nèi)角區(qū)接觸元件容易燒壞，是由于連接內(nèi)角區(qū)接觸元件的短網(wǎng)銅管相對(duì)于其他銅管來(lái)說(shuō)，銅管電流回路長(zhǎng)度比較短、其短網(wǎng)阻抗比較小，所以流經(jīng)的電流比較大。采用在大電流銅管上加電流平衡調(diào)節(jié)器的方式，增加此回路的阻抗，減小電流的占比，來(lái)達(dá)到平衡電流的目的。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)能安裝短網(wǎng)電流平衡調(diào)節(jié)器的短網(wǎng)長(zhǎng)度，以及實(shí)測(cè)短網(wǎng)銅管電流數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì),制定短網(wǎng)電流平衡調(diào)節(jié)裝置初步安裝方案，通過(guò)統(tǒng)計(jì)的數(shù)據(jù)可以直接計(jì)算出，每根短網(wǎng)銅管上需要安裝的調(diào)節(jié)器數(shù)量。根據(jù)短網(wǎng)銅管安裝短網(wǎng)電流平衡調(diào)節(jié)器的數(shù)量，可以大致畫(huà)出短網(wǎng)電流平衡調(diào)節(jié)裝置安裝位置示意圖（圖9）。

圖9 短網(wǎng)電流平衡調(diào)節(jié)裝置安裝示意圖

2 測(cè)量數(shù)據(jù)對(duì)比分析

在負(fù)荷28000kW 時(shí)，統(tǒng)計(jì)安裝短網(wǎng)電流平衡調(diào)節(jié)裝置前后變壓器短網(wǎng)銅管電流數(shù)據(jù)，具體數(shù)據(jù)如表1。

表1 測(cè)量數(shù)據(jù)對(duì)比分析

在未安裝短網(wǎng)電流平衡調(diào)節(jié)器時(shí)，三相變壓器短網(wǎng)銅管電流大小以及短網(wǎng)銅管電流比例，都顯示8#銅管電流最高、1#銅管電流次之，其余銅管電流普遍偏小；在安裝短網(wǎng)電流平衡調(diào)節(jié)器后，三相變壓器短網(wǎng)銅管電流大小以及短網(wǎng)銅管電流比例都發(fā)生了明顯變化，顯示三相變壓器短網(wǎng)8#銅管電流普遍都減小了，短網(wǎng)銅管電流最高比例由原來(lái)的1.6倍普遍降到了1.3倍以下，每相變壓器短網(wǎng)每組銅管電流Imax/Imin值的平均值由2.15倍降到1.71倍，變壓器短網(wǎng)銅管之間電流偏差較大的現(xiàn)象有很大改善。

現(xiàn)階段除了A 相變壓器短網(wǎng)1#銅管電流稍微有些偏高外,其余所有短網(wǎng)的銅管電流，都達(dá)到了預(yù)期的調(diào)節(jié)效果，后期再對(duì)變壓器短網(wǎng)銅管上安裝短網(wǎng)平衡調(diào)節(jié)器的數(shù)量做一定微調(diào)后，便可以達(dá)到預(yù)期效果。

3 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)增加短網(wǎng)電流平衡調(diào)節(jié)器，可將最大電流元件電流分配比例從改造前的1.35降到1.20以?xún)?nèi)，同時(shí)也把最小電流元件電流分配比例從改造前的0.65提升0.8以上。短網(wǎng)電流分布均勻后，可大大降低打筋片和電極過(guò)燒情況的發(fā)生；也可以提高入爐有功，提高產(chǎn)量。

例如，銅管平均電流為8000A,實(shí)測(cè)最大銅管電流為11000A,經(jīng)生產(chǎn)實(shí)踐在10500A 以下電極是安全的，那么如果通過(guò)電流平衡調(diào)節(jié)器使最大電流與平均電流比值降到1.18以?xún)?nèi)，則在電極安全前提下平均工作電流可提升到10500/1.18=8898A,比原來(lái)的8000A 提高了10%，入爐有功也就提升了10%。

為了降低爐子角內(nèi)區(qū)的電流，短網(wǎng)電流平衡調(diào)節(jié)器都安裝在短網(wǎng)1# 銅管和8#銅管上，通過(guò)短網(wǎng)電流平衡調(diào)節(jié)裝置安裝前后數(shù)據(jù)的對(duì)比，發(fā)現(xiàn)該裝置安裝后能有效的降低爐子角內(nèi)區(qū)的電流，同時(shí)還有效改善了變壓器短網(wǎng)銅管間電流偏差大的情況，有利于爐子的滿(mǎn)負(fù)荷生產(chǎn)，同時(shí)為后期爐子在滿(mǎn)負(fù)荷生產(chǎn)的基礎(chǔ)上再提升進(jìn)線(xiàn)負(fù)荷提供了可能，也為電石爐安全生產(chǎn)摸索出了一條新的方法。