Trasformatore di potenza per forno ad arco

Il funzionamento del forno ad arco è tra i compiti più impegnativi per un trasformatore di potenza. Il carico passa da un circuito aperto a una condizione prossima a un guasto imbullonato in una frazione di secondo e questo ciclo si ripete molte volte durante una singola manche. Un trasformatore costruito per questo servizio deve gestire picchi di corrente estremi, forti forze elettromagnetiche e frequenti cambi di presa senza perdere affidabilità. Yulan Transformer fornisce trasformatori di potenza per forni ad arco da 1.000 kVA a 80.000 kVA, con opzioni di tensione primaria di 6 kV, 10 kV, 15 kV, 22 kV, 35 kV e 110 kV. Il lavoro di progettazione segue la norma IEC 60076, GB/T 10229 e i requisiti specifici del produttore del forno.

Condizioni operative che modellano il progetto

A differenza di un trasformatore di distribuzione che funziona per la maggior parte del tempo vicino al carico nominale, un trasformatore per forno ad arco trascorre gran parte della sua vita in condizioni transitorie. La fase di fusione è particolarmente severa. Gli scarti si spostano in modo imprevedibile, gli elettrodi toccano la carica e la corrente secondaria può superare il doppio del valore nominale per brevi periodi. Questi eventi non sono guasti nel senso tradizionale, ma il trasformatore deve sopravvivere ripetutamente durante tutta la sua vita utile.

Il lato secondario funziona a bassa tensione, comunemente tra 100 V e 800 V a seconda delle dimensioni del forno e del processo, mentre la corrente secondaria può raggiungere decine di migliaia di ampere. Questa combinazione richiede sezioni trasversali di conduttori pesanti, rami di avvolgimento paralleli e robuste strutture di supporto dei conduttori. Anche l'impedenza di cortocircuito è impostata su un valore più elevato rispetto ai trasformatori standard, spesso nell'intervallo dal 6% al 12%, per limitare i picchi di corrente e mantenere stabile l'arco.

Approcci progettuali per impieghi gravosi

I trasformatori di potenza per forni ad arco sono costruiti attorno a diverse decisioni fondamentali che influiscono sulle prestazioni e sulla durata.

Disposizione degli avvolgimenti

L'avvolgimento secondario è solitamente suddiviso in più percorsi paralleli per mantenere gestibile la densità di corrente. I conduttori trasposti sono comuni nelle taglie più grandi e le estremità dell'avvolgimento sono disposte con cura in modo che la corrente si divida uniformemente tra trefoli paralleli. La condivisione irregolare della corrente crea punti caldi e riduce la durata dell'isolamento.

Controllo dell'impedenza

Il valore dell'impedenza non viene selezionato da una tabella fissa. Deriva dallo studio elettrico del forno, che bilancia la stabilità dell'arco con la necessità di limitare lo stress da cortocircuito. Un'impedenza maggiore riduce i picchi di corrente ma diminuisce anche la potenza erogata all'arco. Il produttore del trasformatore regola la geometria dell'avvolgimento e i percorsi del flusso di dispersione per soddisfare il valore specificato entro una tolleranza ristretta.

Opzione reattore in serie

Alcune installazioni includono un reattore in serie, all'interno del serbatoio del trasformatore o come unità separata. Ciò è più comune quando la griglia è debole o quando la fase iniziale di fusione provoca frequenti cedimenti dei rottami. Un reattore integrato consente di risparmiare spazio, ma un reattore separato è più facile da ispezionare e sostituire. La decisione dipende dalla disposizione del sito e dalla filosofia di manutenzione.

Tocca il servizio di cambio

La maggior parte dei trasformatori per forni ad arco utilizzano la commutazione della presa sotto carico. Il commutatore funziona molto più spesso che in un trasformatore di potenza perché la tensione del forno deve essere regolata tra fusione e raffinazione. Le posizioni tipiche sono da tredici a diciannove e il commutatore di presa deve essere idoneo per il funzionamento frequente sotto carico. Alcuni progetti specificano una disposizione separata del selettore e dell'interruttore deviatore per una maggiore durata dei contatti.

Selezione del sistema di raffreddamento

Le unità di piccole e medie dimensioni possono utilizzare il raffreddamento naturale con aria ad olio naturale o il raffreddamento ad aria forzata. I forni di grandi dimensioni con elevata densità di perdite spesso necessitano di un raffreddamento forzato dell'olio ad acqua. I sistemi raffreddati ad acqua richiedono un rigoroso controllo della pressione: la pressione dell'olio deve sempre superare la pressione dell'acqua in modo che eventuali perdite si spostino dall'olio all'acqua e non viceversa.

Panoramica delle specifiche

La tabella seguente fornisce una gamma generale di parametri per la serie di trasformatori per forni ad arco. I valori esatti vengono stabiliti durante la fase di progettazione di ciascun progetto.

Note tecniche per la selezione

Intervallo di tensione secondaria

L'intervallo di tensione secondaria è determinato dal processo del forno e dal profilo di fusione. Non è un valore fisso. Il progettista del trasformatore collabora con il costruttore del forno per garantire che la presa più bassa fornisca sufficiente potenza dell'arco durante la raffinazione e che la presa più alta non sottoponga a sollecitazioni eccessive gli elettrodi durante la fusione.

Rinforzo meccanico

Forze di cortocircuito ripetute provocano il movimento dell'avvolgimento e l'usura dell'isolamento. La struttura di serraggio deve trattenere saldamente gli avvolgimenti senza comprimere eccessivamente l'isolamento. Alcuni progetti utilizzano tiranti precompressi e piastre di pressione caricate a molla per mantenere la forza di serraggio per tutta la vita del trasformatore.

Considerazioni sulle armoniche e sul fattore di potenza

I carichi del forno ad arco non sono lineari e producono armoniche. Il trasformatore in sé non elimina queste armoniche, ma il design dell'avvolgimento può includere un margine termico aggiuntivo per gestire le perdite aggiuntive. La correzione del fattore di potenza viene solitamente gestita separatamente a livello del bus del forno o della sottostazione.

Schemi di protezione

I trasformatori dei forni ad arco richiedono una protezione in grado di distinguere tra normali transitori operativi e guasti effettivi. I relè di sovracorrente devono essere impostati con un ritardo sufficiente per evitare lo scatto durante i cortocircuiti degli elettrodi. La protezione differenziale è comune, ma deve essere coordinata con le frequenti oscillazioni di corrente del forno.

Produzione e verifica della qualità

Yulan Transformer costruisce trasformatori per forni ad arco in condizioni di produzione controllate. Le laminazioni del nucleo vengono tagliate e impilate con apparecchiature automatizzate. Gli avvolgimenti vengono avvolti con conduttori trasposti dove richiesto e asciugati in un sistema di vuoto in fase di vapore di cherosene dopo l'assemblaggio. Il serbatoio e le parti esterne in acciaio sono pallinate e rifinite con verniciatura a polvere per una maggiore durata in ambienti industriali.

Ogni unità viene sottoposta a test di routine tra cui resistenza dell'avvolgimento, rapporto di tensione, resistenza di isolamento, resistenza alla frequenza di alimentazione, sovratensione indotta, perdita a vuoto, perdita di carico e impedenza di cortocircuito. A causa del severo utilizzo operativo, molti clienti richiedono anche calcoli sulla resistenza al cortocircuito o prove di tipo. I commutatori di presa vengono azionati attraverso una sequenza completa prima della spedizione per confermare una commutazione affidabile.

L'azienda possiede le certificazioni ISO 9001:2015, ISO 14001 e ISO 45001. I record dei test vengono archiviati per numero di serie e collegati ai lotti di materiale e ai record di produzione per la tracciabilità.

Domande degli operatori dei forni

Come viene stabilito il range di tensione secondaria?

Il costruttore del forno fornisce la curva di tensione necessaria per la fusione e la raffinazione. Il progettista del trasformatore seleziona quindi le posizioni delle prese in modo che la potenza dell'arco corrisponda ai requisiti del processo in ciascuna fase. La modifica dell'intervallo di tensione dopo l'approvazione del progetto richiede solitamente una rielaborazione della disposizione degli avvolgimenti.

Qual è la durata utile prevista di un trasformatore per forno ad arco?

Con una corretta manutenzione e un funzionamento entro i limiti di progettazione, molte unità rimangono in servizio per 20-30 anni. La durata effettiva dipende dal numero di operazioni giornaliere del forno, dall'utilizzo del commutatore e dalla qualità della manutenzione del sistema di raffreddamento. L'invecchiamento dell'isolamento è accelerato da frequenti cicli termici e vibrazioni meccaniche.

È possibile utilizzare un trasformatore per forno ad arco per la raffinazione in siviera?

In molti casi sì, ma il compito è diverso. I forni di raffinazione della siviera funzionano a potenza inferiore e con cicli più brevi, quindi lo stress termico e meccanico è meno grave. Un trasformatore progettato per un forno fusorio può essere sovradimensionato per la raffinazione in siviera, ma può essere utilizzato se l'intervallo di tensione e l'impedenza sono adeguati. Non è sempre vero il contrario.

Cosa causa il forte rumore durante il funzionamento del forno?

Il forte ronzio durante la fusione deriva dalle correnti elevate e dalle conseguenti forze elettromagnetiche negli avvolgimenti e nei conduttori. Il livello di rumore è massimo quando la corrente secondaria raggiunge il suo picco. Un bloccaggio e un supporto adeguati del cavo riducono le vibrazioni, ma una certa rumorosità è intrinseca al funzionamento del forno ad arco.

Con quale frequenza è necessario testare l'olio?

I campioni di olio dovrebbero essere prelevati almeno una volta all'anno per l'analisi dei gas disciolti. In servizio gravoso, può essere giustificato un campionamento più frequente, soprattutto se il trasformatore ha subito ripetuti cortocircuiti o se il sistema di raffreddamento ha mostrato segni di perdite. Una tendenza all’aumento dei gas combustibili indica lo sviluppo di stress da isolamento e dovrebbe essere studiata.

Capacità di produzione

L'impianto di produzione supporta la produzione di trasformatori per forni ad arco fino alla classe 110 kV. Le risorse disponibili includono una capacità di sollevamento di 80 tonnellate, un sistema di essiccazione sotto vuoto in fase di vapore di cherosene da 400 kW, un sistema di prova a impulso da 1.200 kV e un trasformatore di prova a frequenza di alimentazione senza scarica parziale da 400 kV. Queste capacità consentono all'azienda di gestire gruppi di nuclei e bobine di grandi dimensioni e di eseguire i test dielettrici richiesti per il funzionamento dei forni ad alta tensione.

Per un progetto specifico, l'ufficio tecnico può fornire un progetto preliminare basato sullo schema unifilare del cliente e sui dati del forno. Ciò include dimensioni stimate, peso, calcoli delle perdite e un programma di tensione di presa. Contattare Yulan Transformer per ulteriori discussioni.