Elektrik Ark Ocağı Transformatörü: Bir Çelik Ergitme Atölyesi İçin EAF Nasıl Boyutlandırılır, Tasarımı Neden MVA Değil kA Cinsinden Sekonder Akım Belirler ve Ocak Görevi Dağıtım Transformatöründen Nasıl Farklıdır

Önce cevap: bir elektrik ark ocağı transformatörü, izabehanenin enerji ve güç profiline göre boyutlandırılır ve büyütülmüş bir dağıtım transformatörü değildir. kVA, ergitme sırasında ihtiyaç duyduğunuz ergitme gücünü takip eder, ancak tasarımı başka üç sayı belirler: kA cinsinden sekonder akımı (düşük gerilim sargısını, buşingleri, bara hatlarını ve soğutmayı belirler), kademe aralığı (soğuk hurda'dan düz bir ergimiş banyoya kadar arkı kararlı tutacak kadar geniş olmalıdır) ve empedans ile seri reaktans (arkın ne kadar sert kısa devre yapabileceğini ve şebekeye ne kadar flicker aktardığınızı belirler). Ton çelik başına kWh ve tap-to-tap süresinden boyutlandırın, kademe adım tablosunu ve sekonder akımını açıkça belirtin ve görev çevrimi sıcaklık artışını, harmonik deratingini ve tekrarlanan kısa devre dayanımını gerçek kabul kriterleri olarak ele alın.

Bir elektrik ark ocağı (EAF) transformatörü, tesisinizin aldığı gerilimi — tipik olarak 33 kV, 66 kV, 110 kV veya 132 kV ve çok büyük entegre tesislerde 220 kV — arkı fiilen ateşleyen birkaç yüz volta dönüştürür: genellikle yaklaşık 400 V ile 1.000 V arasında ve en büyük modern tasarımlarda 1.700 V'a kadar. Bu taraftaki akımlar, makinenin neden bir dağıtım transformatörüne hiç benzemediğinin nedenidir: orta boy bir ocakta 40 kA ila 60 kA ve en büyük ünitelerde 100 kA'dan fazla, yayımlanmış ocak transformatörü tasarımlarında elektrot akımları yaklaşık 120 kA'a kadar. EAF görevini diğer tüm transformatör uygulamalarından ayıran şey, yükün kasıtlı olarak kararsız, hareketli bir kısa devre olması, üç fazın asla dengeli olmaması ve transformatörün yılda binlerce kez kısa devre olmasının beklenmesi ve yine de 20 yıl dayanmasıdır.

Aşağıdaki her şey, bu transformatörü satın alması veya spesifiye etmesi gereken kişi için yazılmıştır: bir tesis elektrik mühendisi, bir EPC yüklenicisi veya ergitme kapasitesi ekleyen hurda bazlı bir çelik üreticisi. Bunun yerine sıradan bir dağıtım yükünü boyutlandırıyorsanız, boyutlandırma ve bütçe formülü kılavuzumuzdaki ve dağıtım sistemi boyutlandırma kılavuzumuzdaki genel yöntem doğru başlangıç noktasıdır; bu makale, yük bir ark olduğunda nelerin değiştiğini kapsar.

Önemli çıkarımlar

• Önce enerji, sonra kVA. Ergitme enerjisi (tipik olarak sıvı çelik tonu başına 350–500 kWh) güç açık süresine bölündüğünde ortalama ark gücünü verir; ortalama artı ergitme tepe değeri ocak transformatörü anma gücünü verir. Modern ultra yüksek güçlü (UHP) ocaklar, yaklaşık olarak tap ağırlığı tonu başına 0,7–1,0 MVA transformatör etrafında inşa edilir.
• kA cinsinden sekonder akımı bağlayıcı kısıttır, MVA değil. Düşük gerilim sargısı, bakır çubuk buşingler, su soğutmalı bara hatları ve elektrot kolları, 100 kA'ı aşabilen bir akım etrafında tasarlanır.
• Ocak kademeleri ±2 × %2,5 değildir. Bir EAF transformatörü genellikle geniş bir kademe aralığı taşır (yaygın bir düzenleme, yaklaşık 2:1'lik bir sekonder gerilim bandıdır, örneğin 840 V'dan 480 V'a) 15–33 pozisyonla, genellikle nötr ucunda primer kademelerle ve çok geniş aralıklar için bir ototransformatör veya seri-paralel düzenlemeyle.
• Harmonikler ve flicker şebeke bağlantısı kapısıdır. Ocak, ortak bağlantı noktasında şebeke işletmecisinin emisyon limitlerine uymalıdır — IEC 61000-3-6 tarzı harmonik limitleri ve IEC 61000-3-7 flicker planlama seviyeleri (yaygın olarak belirtilen gösterge değerleri Pst 1,0 / Plt 0,8'dir) — bu genellikle SVC veya STATCOM kompanzasyonu artı bir filtre ve sinüzoidal olmayan görev için spesifiye edilmiş bir transformatör anlamına gelir.
• Görevi belirtin, sadece anma plakasını değil. Bir ocak transformatörü siparişi kademe tablosunu, elektrot kısa devre akımını, görev çevrimi sıcaklık artışı testini, harmonik derating temelini, beklenen kısa devre dayanım sayısını ve izabehane ortam sıcaklığını belirtmelidir. Belirsiz RFQ'lar, tesislerin birinci yılda hatalı diferansiyel koruma açmasına neden olan transformatörlerle sonuçlanma şeklidir.

Elektrik ark ocağı transformatörü nedir — ve bir dağıtım transformatöründen nasıl farklıdır?

Bir EAF transformatörü, sekonderi kısa, çok ağır düşük gerilim bağlantıları üzerinden ocak elektrotlarını besleyen özel görevli bir güç transformatörüdür. Bir alternatif akım (AC) ocağında hurdanın içine inen üç grafit elektrot vardır; ark her elektrottan yüke atlar ve arkın delta veya yıldız noktası ergimiş banyonun kendisi olduğundan, elektrik devresi hurda eridikçe, elektrotlar yandıkça ve operatör kademe değiştirdikçe saniye saniye değişir. Yayımlanmış ocak transformatörü aralıkları yaklaşık 10 MVA'dan 300 MVA'a kadar uzanır, sekonder gerilimleri 1.700 V'a ve elektrot akımları yaklaşık 120 kA'a kadar çıkar.

Bir dağıtım transformatöründen farkları kozmetik değildir. Yapısaldır:

Bu tablodan doğrudan iki sonuç çıkar. Birincisi, bir EAF transformatörünü dağıtım transformatörü kataloğundan satın alamazsınız: proje bazında mühendislik yapılır ve mühendisliği spesifiye etmek size aittir. İkincisi, önemli olan kabul testleri özel olanlardır — rutin oran ve empedans kontrolleri değil, görev çevrimi sıcaklık artışı testi, kısa devre dayanımının gösterilmesi, her kademede yük kaybının ölçümü ve izabehanenin yanında duracak bir ünitede ses seviyesi ölçümü.

Bir çelik izabehanesi transformatöründen gerçekte ne talep eder?

Hurda bazlı bir izabehane dökümler halinde çalışır. Her döküm tekrarlayan bir çevrimdir: hurda şarjı (genellikle iki veya üç kepçe), delme, ergitme, cüruf altında rafinasyon ve alaşımlama, ardından bir potaya döküm; birçok tesiste ayrı bir pota ocağı daha sonra çeliği döküm öncesi yeniden ısıtır ve rafine eder. Tipik bir 100 tonluk AC ocak için çevrim yaklaşık 40–60 dakikadır, bunun belki 30–40 dakikası güç açık süresidir ve günde yaklaşık 30–35 döküm üretilir.

Bir döküm içindeki elektriksel profil bir şekle sahiptir ve transformatör bunu takip etmelidir:

• Delme (ilk dakikalar). Elektrotlar soğuk, düzensiz hurdanın üzerine iner; ark kararsızdır ve sürekli kısa devre yapar. Akımlar şiddetle salınır ve gerilim flicker'ı en kötü burada olur.
• Ergitme. Ocak, güç açık süresinin çoğunda maksimum mevcut ark gücünde veya buna yakın çalışır. Bu faz transformatör anma gücünü belirler.
• Rafinasyon. Banyo düzdür ve ark kararlıdır; banyo sıcaklığını ve cürufu kontrol etmek için güç maksimumun yaklaşık %50–65'ine düşürülür.
• Boşta. Şarj, döküm ve gecikmeler — ocak transformatöründe yük yoktur, ancak transformatör genellikle ergitmeler arasında enerjisiz bırakılır ve yeniden enerjilendirilir.

Bu görevden üç tasarım gerçeği çıkar:

1. Transformatör termal olarak çevrimlidir, termal olarak sabit değildir. Yüklenme, gün boyunca saatte birkaç kez sıfır ile tam ergitme gücü arasında salınır. Transformatörün yağ ve sargı sıcaklıklarının takip ettiği şey sürekli anma plakası yüklenmesi değil, bu çevrimsel görevdir ve bu nedenle görev çevrimi sıcaklık artışı değerlendirmesi önemlidir (çevrimsel yüklenmenin nasıl değerlendirildiği için yük faktörü ve aşırı yük kapasitesi bölümüne bakın).
2. Transformatör sık sık yeniden enerjilendirilmelidir. Her döküm bir anahtarlama işlemiyle başlar, bu da her dökümün bir ani mıknatıslanma akımı olayı ile başladığı anlamına gelir. Diferansiyel koruma ani mıknatıslanma akımına karşı kısıtlanmış olmalıdır, aksi halde hatalı çalışır.
3. Ortam sıcaklığı bir trafo binasından daha yüksektir. Bir ocak transformatörü normalde ocağın kendisiyle bir binayı veya bitişik bir bölmeyi paylaşır, burada hava sıcaklığı 40 °C'nin oldukça üzerinde olabilir. Ortam sıcaklığı için derating (derating uygulaması bölümüne bakın) bir dipnotta değil, hesaplamada yer almalıdır.

Adım 1 — Bir ton çelik ne kadar elektrik enerjisi gerektirir?

Ton başına kVA tahmininden değil, enerjiden başlayın. Bir ton çelik hurdasını eritmek için gereken elektrik enerjisi esas olarak hurda kalitesine, şarj karışımına (yalnızca hurda veya hurda artı doğrudan indirgenmiş demir ve pik demir), oksijen ve karbon enjeksiyon uygulamasına ve atık gazın hurdayı ön ısıtmak için kullanılıp kullanılmadığına bağlıdır.

Bu tek sayı — ton başına kWh — diğer her şeyin çıpasıdır. Aynı zamanda bir finansman modelinin önemsediği sayıdır, çünkü örneğin 0,07 USD/kWh'lik bir endüstriyel elektrik fiyatında, her 50 kWh/t ekstra tüketim ton çelik başına yaklaşık 3,5 USD'dir ve bu da yılda 500.000 tonluk bir tesiste yılda 1,7 milyon USD'den fazladır. Bu nedenle transformatörü ve ark kontrol felsefesini doğru yapmak, bir donanım kararı olduğu kadar bir enerji maliyeti kararıdır.

Adım 2 — Ergitme enerjisi nasıl bir transformatör MVA'sına dönüşür?

Aritmetiği dört hamlede yapın. Aşağıdaki örnek kasıtlı olarak yuvarlak sayı kullanır ve 100 tonluk bir ocak kullanır; kendi tesis verilerinizi yerine koyun.

1. Döküm başına enerji. 100 t × 400 kWh/t = döküm başına 40.000 kWh (40 MWh) elektrik enerjisi.
2. Güç açık süresi. 45 dakikalık tap-to-tap çevrimi ve %60–70 güç açık süresi ile ark yaklaşık 0,5–0,53 saat açıktır.
3. Ortalama ark gücü. 40.000 kWh ÷ 0,53 sa ≈ güç açık süresi boyunca ortalama 75 MW. Uygulamanız daha verimliyse (ön ısıtma ile 350 kWh/t) veya dökümünüz daha uzunsa, ortalama düşer; aynı enerjiyle 8 dakika daha uzun güç açık süresi yaklaşık 60 MW verir.
4. Ergitme tepe değeri ve transformatör anma gücü. Transformatör, çevrim ortalamasından daha yüksek olan ergitme (maksimum) ark gücünü sağlamalıdır. Ark devresi güç faktörü tipik olarak yaklaşık 0,75–0,85 aralığındadır, bu nedenle ocak transformatörünün görünür gücü, tepe aktif gücün bu güç faktörüne bölünmesiyle bulunur. Yaklaşık 0,8 güç faktöründe yaklaşık 70 MW ark gücünü sürdürmesi gereken bir ocak, ocak transformatörü terminallerinde yaklaşık 85–90 MVA'ya ihtiyaç duyar.

Son sütun, sektör uygulamasına karşı akıl kontrolü yapılacak sütundur: modern ultra yüksek güçlü ocaklar, yaklaşık olarak tap ağırlığı tonu başına 0,7–1,0 MVA ocak transformatörü anma gücü ile spesifiye edilir, bu da 100 tonluk bir ocağı yaklaşık 70 ile 100 MVA arasına yerleştirir. Aritmetiğiniz sizi bu bandın önemli ölçüde dışına çıkarıyorsa, girdilerinizden biri — ton başına enerji, güç açık süresi veya güç faktörü — hatalıdır ve proje bir RFQ'ya ulaşmadan önce yeniden kontrol edilmeye değerdir.

Adım 3 — Sekonder gerilimi neden diğer her şeyi belirler?

Görünür gücü bildiğinizde, sekonder gerilim akımı sabitler ve akım donanımı sabitler. İlişki olağan üç fazlı ilişkidir:

I₂ = S ÷ (√3 × U₂)

840 V sekonderden 90 MVA geçirin ve faz başına yaklaşık 62 kA elde edersiniz. Gerilimi 480 V'a düşürün ve aynı akım yalnızca yaklaşık 50 MVA sağlar — bu tam olarak bir ocak operatörünün istediği davranıştır, çünkü kısıt elektrot akımıdır ve tasarım gerilim değişirken onu kabaca sabit tutar. Aynı akımla düşük gerilimde bir ark ocağı, daha düşük ark gücüyle kısa, sıcak bir ark çalıştırır; yüksek gerilimde daha yüksek ark gücüyle uzun bir ark çalıştırır ancak daha fazla radyasyon ve daha fazla refrakter aşınması olur. Çalışma noktasını seçmek metalurjidir; onu sağlamak transformatörün kademe tasarımıdır.

kA sayısının tasarımda sürüklediği şeyler

• Düşük gerilim sargısı. 50–120 kA'da sekonder bir tel sargı değildir. Genellikle, girdap kayıplarını ve kaçak kayıpları yönetilebilir tutmak için düzenlenmiş, ağır bakır çubuk veya sacdan az sayıda sarımdır ve kısa devre sırasındaki elektromanyetik kuvvetler akımın karesiyle arttığı için dikkatle hesaplanmış sıkıştırma ile yapılır.
• Buşingler. Düşük gerilim bağlantıları bakır çubuk buşinglerle yapılır — genellikle paralel birkaç tane — ve yayımlanmış ocak tasarımları, düşük gerilimi tank kapağından dışarı çıkarmaktan (yaklaşık 80 kA'ın altında) en yüksek akımlarda tank duvarından dışarı çıkarmaya geçer, böylece çubuklar elektrot kollarına mümkün olan en kısa yoldan ulaşır. Genel ilkeler için buşing spesifikasyon kılavuzumuza bakın.
• Sekonder bara hatları ve elektrot kolları. Bunlar, kimsenin endişelendiği bir gerilim düşümü için değil, akım yoğunluğu ve mekanik sertlik için boyutlandırılmış su soğutmalı borular veya kaynaklı çubuk düzenekleridir — 60 kA'da bir miliohm bağlantı direnci devrede 3,6 kW kayıp ve gerçek bir termal sorundur.
• Kademe tablosu. Gerilim düşerken akım yüksek kaldığından, kademe değiştirici arkın sönmesine izin vermeden tam sekonder akımında kesme ve yapma yapmalıdır. Bu nedenle ocak kademe değiştiricileri yüklü çalışır ve adım sayıları ile mekanik dayanımları bir şebeke transformatörününkinden ayrı olarak spesifiye edilir (OLTC ile yüksüz kademe değiştiriciler bölümüne bakın).

Adım 4 — Kademe aralığı neden bir dağıtım transformatörününkinden çok daha geniştir?

Bir dağıtım transformatörünün yüksüz kademe değiştiricisi yalnızca sistem gerilimi için düzeltme yapmak üzere vardır: beş pozisyon, tipik olarak ±2 × %2,5. Bir ocak transformatörünün kademe değiştiricisi bir güç kontrol cihazıdır. Ark gerilimini ve dolayısıyla ark uzunluğunu ve banyoya verilen gücü, soğuk hurdadan düz bir ergimiş banyoya kadar, dökümden döküme ayarlar.

Bu geniş aralığı üç mekanizma mümkün kılar ve tesisiniz için doğru seçim aralığın ne kadar geniş olması gerektiğine bağlıdır:

1. Primer sargının nötr ucundaki kademeler (“değişken akı” regülasyonu). Bu, olağan regülasyon aralıkları için en kompakt ve ekonomik düzenlemedir. Devredeki primer sarım sayısı değiştiğinden çekirdek akısı kademeyle değişir, böylece sekonder gerilim — ve transformatörün sağlayabileceği kVA — kademe aralığında aşağı indikçe birlikte düşer, sekonder akımı ise sabite yakın kalır.
2. Bir ototransformatör ile regülasyon. Gerekli gerilim aralığı, basit bir kademe sargısının ekonomik olarak kapsayabileceğinden daha geniş olduğunda, ocak transformatörünün primerine seri olarak bir regülasyon ototransformatörü eklenir. Bu, ocak transformatörünün kendisini daha basit tutarken çok geniş bir aralığa ulaşmanın klasik yoludur.
3. Seri-paralel, delta-yıldız veya ters çeviren kademe düzenlemeleri. Özel kademe değiştirici bağlantıları, yalnızca devredeki sarımları değil sargı konfigürasyonunu değiştirir, bu da oran aralığını daha da genişletir; bedeli daha az pozisyonlu, daha karmaşık ve daha pahalı bir değiştiricidir.

Spesifikasyon için pratik sonuçlar:

• Kademe yüzdesi değil, kademe tablosu isteyin. Teslim edilecek şey, kademe pozisyonu başına sekonder gerilimler, karşılık gelen elektrot akımı ve garanti edilen empedanslardan oluşan bir tablodur. Ocak transformatörleri yayg