引言

電弧爐短網(wǎng)是指從電弧爐變壓器二次側(cè)到電弧爐本體之間的大電流載流體,主要包括導電銅排或穿墻銅管、撓性水冷電纜、導電橫臂、石墨電極及以上各段之間的連接部分。當電弧爐短網(wǎng)采用共面布置時,產(chǎn)生嚴重的功率不平衡現(xiàn)象,嚴重影響到電弧爐的生產(chǎn)率、爐襯壽命、功率因數(shù)及功率損耗。

目前廣泛使用的電弧爐短網(wǎng)電抗計算方法是基于幾何均距的解析計算方法,該方法在應用于小尺寸、規(guī)則導體的計算時有較高的準確度,但當導體形狀復雜時,解析方法的準確度降低。有限元法是目前解決實際工程問題的一種主要的數(shù)值計算方法,借助三維有限元計算軟件可以在短網(wǎng)復雜結(jié)構(gòu)基礎上,充分考慮到鄰近效應與集膚效應對電抗計算的影響,提高短網(wǎng)計算的準確度。

1基于場路耦合的短網(wǎng)電感計算

應用有限元分析軟件ANsysMaxwell對短網(wǎng)各部分導體進行仿真分析,建立電弧爐短網(wǎng)模型,利用瞬態(tài)場求解器對短網(wǎng)各個平行子系統(tǒng)進行電磁特性分析。考慮到電弧爐短網(wǎng)實際工作時從變壓器二次側(cè)引入三相對稱電壓,在外電路添加三相對稱電壓,模擬正常工作時短網(wǎng)內(nèi)部的電流分布,并使電磁能量集中在求解域內(nèi)部。

場路耦合仿真通過外電路對仿真模型施加激勵源,并在外電路添加電壓表和電流表,如圖1所示。

觀測短網(wǎng)導體兩端的電壓U及流過短網(wǎng)導體的電流I的波形,通過電壓電流波峰的時間差Al得到相位差Ao,如公式(1）所示。最后根據(jù)電壓的幅值U、電流的幅值I及相位差Ao得到短網(wǎng)導體的電感,如公式(2）所示。

1.1短網(wǎng)各個部分電流分析

將電弧爐短網(wǎng)的各個部分分開來看,觀察其內(nèi)部電流密度分布情況,取l=0.oo5s進行觀測,此時中相電流達到最大,邊相電流大小相等,與中相電流方向相反。

由于石墨材料電阻率較大,且電極在空間上呈等邊三角形分布,石墨電極受鄰近效應與集膚效應的影響很小,可認為電流在石墨電極內(nèi)部導通的部分均勻分布。導電橫臂由銅-鋼復合板焊接而成矩形梁結(jié)構(gòu),外層的銅傳導電流,內(nèi)部鋼主要起到支撐作用。由于導電橫臂導電層非常薄,且三相之間距離很近,即使在工頻下電流分布也受到了明顯影響。導電橫臂的電流最大處集中在三相橫臂內(nèi)側(cè)的棱上。水冷電纜內(nèi)部是絞線形式,不考慮鄰近效應與集膚效應對電流分布的影響,故水冷電纜內(nèi)部電流均勻分布。穿墻銅管也會受到鄰近效應與集膚效應的影響,電流向三相導體內(nèi)部集中。

根據(jù)以上短網(wǎng)導體內(nèi)部電流密度分布的分析,可以看出電弧爐短網(wǎng)在正常工作時其內(nèi)部電流分布并非如解析法設定的均勻分布,集膚效應及鄰近效應對于短網(wǎng)電流分布有明顯

影響,尤其是在導電橫臂與穿墻銅管上,導體內(nèi)部電流密度最大處與最小處相差較大。

1.2計算結(jié)果及分析

本文對短網(wǎng)分別建立了石墨電極、導電橫臂、水冷電纜、穿墻銅管相應模型,根據(jù)瞬態(tài)場場路耦合計算,得到了各個部分阻抗相應計算結(jié)果。

傳統(tǒng)的電感解析計算往往不考慮工頻下的集膚效應與鄰近效應,這是因為在普通線型導體內(nèi)部,工頻下電流密度分布較為均勻。然而對于結(jié)構(gòu)復雜、橫截面較大且導體間距離較近的電弧爐短網(wǎng),基于幾何均距原理的解析計算方法對于電流均勻分布的設定與實際情況不符,致使計算結(jié)果準確度不高。

從計算結(jié)果可以看出,瞬態(tài)場場路耦合計算方法得出的電感參數(shù)比由解析算法得出的結(jié)果略偏小,可以認為是由于鄰近效應及集膚效應所引起的電流向?qū)w內(nèi)側(cè)集中所致,從幾何均距原理來考慮,當回路電流在導體內(nèi)側(cè)集中,相應的幾何均距變小,計算所得到的回路電感就會變小,進而得到每一項電感會比設定電流均勻分布的情況下小。此外,短網(wǎng)結(jié)構(gòu)較為復雜,導電橫臂、水冷電纜、穿墻銅管中相和邊相結(jié)構(gòu)上存有差異,這種結(jié)構(gòu)上的差異在解析計算中是無法處理的,但是三維有限元計算可以體現(xiàn)具體的結(jié)構(gòu)差異。根據(jù)以上計算結(jié)果可知,短網(wǎng)中相電感為7.08uH,邊相電感為7.27uH、7.35uH。三相電感參數(shù)較為平衡。

2鄰近效應、集膚效應對短網(wǎng)電感計算的影響

為了研究電流分布不均勻?qū)τ陔姼杏嬎闼斐傻挠绊?以導電橫臂為例,在ANsYsMaxwell中建立模型,通以一去一回大小相等的電流讓兩個導體在空間形成回路,研究電流分布情況對于電感計算的影響。

分別在恒定磁場、正弦穩(wěn)態(tài)渦流場（電流激勵頻率分別為0.lHz、50Hz）下進行仿真,電感計算結(jié)果如表l所示。在恒定磁場下,電流均勻分布,不存在渦流效應,在正弦穩(wěn)態(tài)渦流場下,頻率為0.lHz情況下可以忽略渦流的影響,認為電流均勻分布,以上兩者計算結(jié)果十分相近,在50Hz條件下,計算考慮渦流,導體內(nèi)部電流呈現(xiàn)不均勻分布,電感計算結(jié)果與恒定磁場下計算結(jié)果相差29.5l%,可以認為電流不均勻分布對于電感計算的準確度影響重大。

截取模型上方矩形為例,導電橫臂橫截面橫邊上電流密度分布圖如圖2所示,以上邊為邊2、下邊為邊l,導電橫臂銅層在四條邊上呈不對稱馬鞍形分布,在與相鄰導體靠近的一側(cè),出現(xiàn)電流密度的最大值,這樣的電流分布是由鄰近效應與集膚效應引起的。由基于幾何均距的電感計算方法分析可知,當導體形狀簡單且形狀接近線型,認為電流均勻分布對于導體電感計算影響不大,對于形狀復雜多變的短網(wǎng)導體,如導電橫臂,鄰近效應與渦流效應對電流分布的影響使得在計算電感時,電流均勻分布的假設不再適用,計算短網(wǎng)電感時需要考慮到這方面的因素。

3結(jié)語

本文總結(jié)了電弧爐短網(wǎng)各部分電流密度分布的特點,給出了短網(wǎng)各分系統(tǒng)與短網(wǎng)整體電感的計算結(jié)果,明確指出了解析方法中導體內(nèi)部電流均勻分布的假設與實際情況不符,是解析計算方法計算精度不高的重要原因。與解析法計算結(jié)果相比,基于有限元的場路耦合瞬態(tài)場電感計算方法可以準確反映復雜多變的短網(wǎng)形狀,真實體現(xiàn)短網(wǎng)正常工作時內(nèi)部的電流分布情況及短網(wǎng)電磁特性。