heavy current line
简介
电弧炉主电路中二次电路串联部分的总称，又称大电流线路。短网指从电炉变压器的低压侧出线端到电极末端之间的大电流载流体，主要包括与变压器低压侧出线端相连接的补偿器、矩形铜排或导电铜管、挠性软电缆、导电横臂或普通电极臂上的导电铜管、石墨电极以及以上各段之间的连接部分，如固定连接座、可动连接座、电极夹持器等部件。
短网是电弧炉的重要组成部分，而且随着电弧炉容量的增大和超高功率化，短网的重要性愈来愈突出。短网的最大特点是长度短、电流大。一般炼钢电弧炉短网的展开长度大约20～30 m，然而流过其中的电流却非常大，一般电流为数万安培，对于大型矿热炉、电石炉等埋弧炉，其电流值会更大。由于在短网导体中流过如此巨大的电流，短网导体的电阻势必消耗数量可观的有功电能。同时，该电流在导体周围建立起强大的交变磁场，交变磁通必然在短网导体中产生自感电动势及互感电动势。感应电动势一方面抵消一部分电源电压，使电弧功率降低;另一方面，由于短网导体不可避免的不对称性，使得电流沿各个导体分布不均，各导体之间以及相与相之间产生功率转移等现象，使三相电弧功率不等，造成炉内炉料熔化不均和炉衬烧损不匀，炉子生产率降低等，严重影响整个电弧炉的运行指标。由于电流大，使短网导体间存在的与电流平方成正比的电动力很大，特别是在熔化期电流波动大，短网导体间相互吸引、排斥的冲击力很大，致使短网导体抖动，接触处容易松动，接触电阻发热使接触处氧化以至损坏，电缆摆动和相互磨擦使电缆绝缘损坏。由于短网工作环境温度高，尘埃多，使得短网导体与炉体之间的绝缘容易损坏。一旦短网发生故障，必然造成电弧炉热停工，使热损失增加，生产率下降。所以，无论是设计者或使用者，都应对短网给予足够的重视，充分注意短网的电参数及合理的短网结构两个方面，既要注意设计和选择短网的合理电参数，以提高设备的技术经济指标，保证技术先进性，又要充分注意短网导体的机械结构，研制和选用新型可靠的短网组件，采用合理的短网结构，以保证设备的可靠运行。
短网的电参数 从电路的角度分析：电炉变压器可以折算成等效对称星形电路;三相电弧对电炉变压器来说，是一个接成星形的三相负载，其中性点是钢液;短网是接在电炉变压器与负载之间的导体，短网导体本身具有电阻和自感，短网导体之间具有互感，短网回路是一个具有互感的三相不对称电路。代表短网电气性能的参数是其等效电阻、等效电抗和三相阻抗不平衡系数。短网的这些电参数可通过计算求出，也可用工业短路试验的方法及模拟试验的方法求出。电弧炉的工业短路试验就是在已经运行的电弧炉上，当炉料化清以后，选用适当的电压等级，将电极插入钢液，人为地形成短路，测量有关的电压、电流及功率，根据测量值计算求出各相短网等效电阻、等效电抗。因为变压器二次侧有很强的磁场和感应电动势，因此测量是在变压器一次侧进行，然后折算到二次侧。根据三相短路试验数据可以求得三相短网阻抗的平均值;根据单相短路试验数据，可以求得各相短网阻抗值及三相阻抗不平衡系数。电弧炉短网的模拟试验就是以相似理论为基础，用提高电源频率的方法，在缩小尺寸的模型上进行试验研究。它可以测定短网各部分的阻抗，可以改变短网的接线及相互位置，易于进行方案比较，确定最合理的短网方案。
短网等效电阻 由于短网中流过很大的电流，导体截面积很大，又处在强大的交变电磁场中，因此，在计算短网等效电阻时除了要考虑导体本身的电阻外，还必须考虑电流的集肤效应和临近效应、短网导体的接触电阻以及由于短网附近存在的钢结构所引起的有功功率损耗等。短网的电阻损耗约占电弧炉有功功率的7%～12%。短网等效电阻要消耗很大的有功电能，它的大小决定了电炉装置的电效率，因此应该尽量减小短网的等效电阻值。为了减小等效电阻，应尽量缩短短网的长度;选取电阻率小的无氧铜或工业纯铜作导电体;按照经济电流密度而不是按照热平衡的允许电流密度选取导线截面;尽量减小接触电阻及附加电阻;采用合理的导体排列及导体截面形状，以减小集肤效应。在短网等效电阻中，电极电阻占很大的比例，其在炉内部分的损耗对加热是有用的，外露于炉体部分的损耗则是无用的。接触电阻主要产生在电极夹持器导电块与电极的接触处，以及不符合规范的母线连接处。在短网设计和制作时应尽可能缩短电极外露部分的长度，导体的连接处要有足够大的接触面积和压紧力。
短网等效电抗 导体的自感及互感取决于导体本身的长度、断面尺寸以及相互位置。由于短网导体截面形状复杂，导体根数多，计算其自感及互感非常复杂。因此，在工程上通常按短网导体的不同形状分为几段，对于每一段导体用几何均距的方法，把每一相中流过相同方向电流的导体用一个等效导体来代替，用等效导体的自几何均距及相与相导体之间的互几何均距来计算各相导体的等效电抗。等效电抗的大小不仅取决于导体本身的几何尺寸、导体之间的相对位置，还取决于导体的接线方式，流过导体的电流频率、电流相位，此外，还和选用的等效方法有关。短网等效电抗是继电弧电阻之后对于主电路具有决定意义的参数。当电炉变压器容量一定时，减小回路电抗可以提高功率因数，增大电弧功率，加快熔化速度;但是电抗又可以使电弧连续和稳定，并减小电弧炉对电网的冲击和影响。对于小型电弧炉应保持适当的电抗，对于中、大型电弧炉应尽量减小短网的电抗。减小短网等效电抗的措施是：尽量缩短短网长度;选择合理的短网接线和布置方案;在相同截面的情况下，适当增加导体根数，增大本相导体之间的距离以减小自感电抗;把流过反相电流的导体尽量靠近，使互感电抗与自感电抗相抵消，以减小总的等效电抗。
三相阻抗不平衡系数 是衡量短网三相阻抗不平衡程度的指标，它等于三相阻抗中最大值与最小值的差值与三相阻抗算术平均值之比，以百分值表示。由于短网阻抗中感抗占主要成分，所以阻抗不平衡系数与电抗不平衡系数十分接近。对于超高功率电弧炉及钢包精炼炉，阻抗不平衡系数应小于5%。
短网导体及接线方式 为了减小短网的电阻值和承受较大的电动力，电弧炉的短网导体均采用铜材而不采用铝材。电极横臂上的导电体均采用铜管，或采用导电横臂。为了保证电极升降、出钢和出渣时炉体倾动和加料时炉盖旋转，短网中必须有一段可挠软电缆，根据炉型和容量的不同，其长度为5～10m，新产品均采用大截面水内冷电缆。电炉变压器室的出墙导电体，小型电弧炉多采用由铜排组成的组合母线束，大型电弧炉采用T2型导电铜管。为防止母线束或铜管把膨胀力和振动力传给变压器二次出线，影响出线处密封，两者之间的连接均采用补偿器。补偿器由多片0.5mm厚铜皮搪锡压接而成，也可用软电缆及接头压制而成。短网中的固定连接座及可动连接座由T2型厚铜板焊接而成，或采用铸铜。
为了减小短网电阻，且考虑到电弧炉短网导体工作环境温度高，经常过负荷运行，其电流密度不宜选的过大，一般铜排及裸电缆电流密度选用1.5 A/mm2;水冷导电铜管及水冷电缆的电流密度取3.5～4.5 A/mm2左右。为了减小接触电阻，除了保证接触导体间有足够的压力外，还应注意必须有足够的接触面积，对于铜排及裸导体连接，其接触面的允许电流密度应不大于0.15 A/mm2;对于水冷导体之间的连接，其接触面的电流密度应不大于0.5 A/mm2。
短网导体的接线方式主要指电炉变压器低压绕组的头和尾在短网的哪一段上封口接成三角形。为了适应三相电弧炉负荷激烈波动，要发生二相及三相工作短路的运行特点，减小电炉变压器二次绕组中的电流和使绕组电流平衡，电炉变压器的低压绕组都采用三角形接法。但是，三角形的封口点可以在电炉变压器内部，也可以在电炉变压器的外部即短网的某一段上封口。在三角形封口点之前，流过导体的电流为相电流，相邻导体间的电流相位差可以是180°，也可能是120°或60°。为了减小电抗，要让相位差180°或120°的导体尽量靠近，要让同相位或相位差60°的导体拉开距离。对于埋弧炉大多采用相位差180°，电流相反的导体相互靠近的双线制布置短网。对于三相炼钢电弧炉在结构上实现双线制很困难。如果在电极上封口，由于软电缆和电极横臂上的导电铜管接在同一相上的两根导体相位差为60°，与在铜排末端封口相比，其电抗值及电阻值均不能减小，因此是不可取的。所以，一般取在铜排末端封口接成三角形，或在电炉变压器内部封口接成三角形。更趋向于采用后者，尤其是对于大型电弧炉，电炉变压器采用内封口、侧面铜管出线，这样各相短网直接与电炉变压器输出端相连，不再需要跨接铜排或跨接弯曲铜管，大大简化了短网结构。
短网的空间布置 短网电抗的大小和平衡程度与短网导体的空间布置方式，即本相导体的几何尺寸、相互位置以及相与相导体之间的相互位置有着很大的关系。短网的空间布置型式主要有普通平面布置、空间正三角形布置、修正平面平置、修正三角形布置四种，如图所示。后三种方案各有优缺点，总的来说都是可取的，在新设计的电弧炉中得到了广泛的应用。由于受厂房高度及电弧炉与电炉变压器中心距的限制，对于旧炉短网改造，多采用修正平面布置或修正三角形布置。
普通平面布置 这种布置见图(a)。中国以前的中小容量电弧炉多为这种形式，三相导体的数量、几何布置相同，两个边相对于中相为几何轴向对称。这种短网结构简单，但三相电抗严重不平衡。经实测，三相电抗不平衡系数在30%～40%之间。
正三角形布置 三相导体的数量及间距、几何布置相同，但三相导体的断面几何中心位于空间正三角形的三个顶点上，见图(c)。这时三相电抗完全相等，但要注意端部的不对称，如处理得当，可使三相电抗不平衡系数小于5%。这种布置对于图(b)、图(d)所示布置而言，结构简单，容易实现， 电抗容易平衡;缺点是增加了炉子与电炉变压器的中心距; 当三相电极消耗不同，空间正三角形被破坏后会引起三相电抗不平衡。
流过线电流的短网导体空间布置图 (a)普通平面布置;(b)修正平面布置;(c)正三角形布置;(d)修正三角形布置
修正平面布置 边相导体相对于中相导体几何轴向对称，各相导体断面的几何中心位于同一平面，但各相导体的自几何均距不同，中相导体的数量及间距减小，边相导体的数量及间距增大，见图(b)。这种布置形式也可以实现三相电抗平衡，使三相电抗不平衡系数小于5%，但结构比空间三角形布置要复杂一些。
修正三角形布置 这种布置是将空间正三角形布置与修正平面布置相结合，三相导体的断面几何中心位于一个锐角三角形的三个顶点上，各相导体的数量相同， 中间导体的间距缩小，边相导体的间距增大，见图(d)。这种布置同样可以使三相电抗平衡，并使电弧炉与电炉变压器中心距及电弧炉高度增加较小。采用这种方案必须进行仔细的阻抗计算。予以比较和调整后选取最佳布置。
短网的新结构 对短网的要求应该是合理的电参数和安全可靠的机械结构，两者并重，但安全可靠又是必须首先保证的。随着电弧炉的发展，更为先进、可靠的短网组件和短网结构不断出现。事实证明，每当有新的安全可靠的短网组件出现，就使短网的面貌有较大的改变，并很快地得到推广应用。20世纪末出现的一些短网组件有大截面水冷电缆，大截面水冷铜管及水冷接头，新型的补偿器，导电横臂。
大截面水冷电缆 大截面水冷电缆是将多股300～500 mm2的铜绞线电缆通过接头压接成一根，每根电缆截面积为1200～6000mm2，每相一般只用2根电缆，每台电炉6根电缆，使短网的布置和结构大大简化。由于每根电缆中的铜绞线经过几何换位，使铜绞线的电流均匀;铜绞线之间有绝缘隔开，相互位置被固定，整根电缆之间位置拉开，并且受重力的影响，不再相互摩擦;铜绞线与铜接头压接成一体，铜接头面积大，而且是加工面，因此，接触面接触好;电缆及接头均通水冷却，冷却效果好。大截面水冷电缆大大提高了运行可靠性。另外，由于电缆束之间位置固定，使电抗值变化小，对电弧稳定也有好处。
大截面水冷铜管及其连接座 从补偿器到软电缆之间的连接导体，以前多采用铜排，当电炉容量在30 t以上时，这部分连接相当繁琐。对于大型电弧炉，电炉变压器的低压出线端通过补偿器与大截面水冷铜管相连，后者的另一端通过固定连接座和大截面水冷铜管相连接，可以大大简化这一部分短网的结构，并使支撑部分的结构也大为简化。铜管外径可达100～220 mm，厚度为10～15 mm，其出墙端与水冷连接座连接，水冷连接座中间通以冷却水，其各连接处均为加工面，保证了导体间的良好接触。另外，这种结构每相制成一个组件，在出厂前就可以把铜管与连接座焊成一体，大部件运往现场，使现场安装非常方便。
新型补偿器 补偿器是连接变压器与导电铜管的重要组件，新型补偿器有以下几种型式：①水内冷补偿器。它与大截面水冷电缆类似，把多股铜绞线组成圆篓状，两端与铜接头压成一体，铜接头的内孔为圆爪形，通过特制的接头使之与变压器出线铜管及出墙铜管压紧连接，外部用橡胶管作外套。这种补偿器既通水又导电，直接将两边的电路和水路相连，无须再外接水管，从外部看最为简洁。②干式铜皮补偿器。这种补偿器与老式的补偿器类似之处是将薄铜皮叠成一组，形成挠性;不同的是其两端为铜接头加工件，薄铜皮组与两端的铜接头焊成一体。根据两端需要连接对象的形状，铜接头有开口圆形、半圆形和平板形三种，用螺栓压紧连接。这种补偿器只导电，水路由另外的橡胶管连接，因此，使用不如水内冷补偿器简单。另外，由于不是水冷，因此导体数量多，截面大，但拆卸比较方便。③干式软缆补偿器。这种补偿器不用铜皮，而是用多股铜绞线，其两端分别与两个铜接头压成一体。铜接头可以是平板形，也可以是圆形。与老式补偿器相比，这种补偿器的优点是在任意方向都有挠性，对两端被连接物的位置尺寸要求不高，安装方便;其次，长度可以任意长，可以减少中间连接点长度;第三，由于补偿器的两个端头采用加工件，使接触良好，减小了接触电阻。
导电横臂 电弧炉从水冷电缆到石墨电极之间的传统结构是钢制横臂和支撑在它上面的导电铜管，分别承担带动电极升降和导电任务。中国从90年代初开始研制导电式水冷电极横臂，现已在新制造的中、大型电弧炉和LF型钢包精炼炉(见钢包精炼炉)上普遍采用。导电横臂系统取消了传统的导电铜管及其支撑结构，全部装置均安装于整体的箱形横臂中。箱形横臂的四周边材料采用铜钢复合板。铜钢复合板是把3～10mm厚的铜板和6～20 mm厚的钢板(其厚度根据电弧炉容量、负荷大小而定)轧制在一起或采用爆破焊接制成。横臂四周边用四块铜钢复合板焊接而形成一个横臂体，其断面为矩形。横臂体的钢板与钢板焊接，铜板与铜板焊接。由钢板组成的矩形空心体起支撑作用，与内部的筋板和桁架联为一体，保证了导电横臂的良好刚性。由铜板组成的外表面矩形空心体起导电作用。横臂体的内部靠钢板处由钢板焊接成夹层通水冷却，冷却水下进上出或左进右出，在导电横臂前部受热严重的部位，减小水道截面，以提高其流速，其他部位流速缓慢，这样使导电横臂的发热及受热后温度均匀，不致局部过热。电极夹头是导电横臂中很重要但又比较容易损坏的部件，它的优劣在很大程度上决定了导电横臂的整体性能。导电横臂的电极夹紧均采用抱紧式结构，后部为导电座，前部为不锈钢抱圈。导电座的材料采用导电率高、机械强度大和抗氧化性能强的材料，例如铬青铜材料。导电座与横臂体采用可拆卸连接，以便于维修和更换，在导电座内部有冷却水通道。不锈钢抱圈为空腔结构，以便通水冷却，保证良好的冷却效果。电极夹紧机构安装在横臂体的内部，采用碟形弹簧，依靠其张力拉回抱圈抱紧电极，其夹紧力为电极重量的10倍以上;放松电极依靠液压缸中的活塞移动以压紧碟簧推动抱圈，使电极松开。碟簧及夹紧机构能够拆卸、更换和维修。导电横臂与立柱之间必须连接牢固而且绝缘良好，两者之间的绝缘为主绝缘，采用环氧绝缘层压板制成，其螺栓连接处用绝缘套管及垫圈保证绝缘。电极抱圈伸入横臂体内部的部分与拉杆及其他带电体均设置有绝缘层，以使电极抱圈不形成电流分路。与绝缘件相连接的工件均有冷却水冷却，以保证绝缘部位的冷却效果。
与传统的电极横臂系统相比，导电横臂具有以下突出优点：①可靠性大为提高。由于导电横臂本身导电，取消了导电铜管及其支撑，也就减少了前部暴露在空间的多处绝缘;新型导电横臂与立柱之间的主绝缘远离热区;电极抱圈与其他工件连接的绝缘位于横臂内部，两者都有水冷构件保护。②导电横臂的电阻值及电抗值均比传统的导电铜管降低。电阻值的降低减少了有功损耗，电抗值的降低提高了输入到炉内的电弧功率，缩短了冶炼时间，提高了产量，节电效果显著。③导电横臂内部有骨架和加强筋板，整体形成矩形桁架结构，因而刚性好，能够承受电极升降机构上升及下降的加速度而不会引起振动，有利于电弧稳定。④可最大限度地缩小电极分布圆直径，从而提高了炉衬寿命，并减小电极段的电抗，增大输入炉内的功率。