Trasformatore per forno ad arco sommerso

Un forno ad arco sommerso (SAF), noto anche come forno elettrico per la fusione, viene utilizzato per produrre ferroleghe, carburo di calcio, silicio industriale e prodotti simili. Il suo trasformatore differisce da quello di un forno elettrico ad arco standard (EAF) in termini di caratteristiche di carico: in un SAF, gli elettrodi sono immersi nella carica del forno e il calore viene generato principalmente attraverso la resistenza della carica stessa, con la scarica dell'arco che gioca un ruolo secondario. Di conseguenza, il carico è relativamente stabile, ma la corrente secondaria è estremamente elevata e il fattore di potenza è basso; ciò richiede progettazioni specifiche per quanto riguarda gli intervalli di regolazione della tensione e l'impedenza.

Yulan Transformer produce trasformatori per forni ad arco sommerso con capacità che vanno da 1.000 kVA a 80.000 kVA. Le tensioni primarie possono ospitare 6 kV, 10 kV, 15 kV, 22 kV, 35 kV e 110 kV, mentre le tensioni secondarie e il numero di fasi di regolazione della tensione sono determinati in base al tipo di forno e al materiale specifico da fondere.

Caratteristiche di carico e progetto

Corrente elevata, tensione moderata

La tensione secondaria di un SAF varia tipicamente da 100 V a 300 V, superiore a quella di un EAF ma inferiore a quella di un forno a carburo di calcio. Le correnti secondarie possono raggiungere decine di migliaia di ampere; gli avvolgimenti utilizzano più conduttori paralleli o conduttori trasposti e i conduttori di uscita sono costituiti da sbarre di rame multistrato.

Basso fattore di potenza

Le variazioni nella resistenza della carica del forno danno luogo a un carico induttivo, con un fattore di potenza generalmente compreso tra 0,7 e 0,8. La progettazione del trasformatore deve tenere conto dei requisiti di potenza reattiva e alcuni progetti incorporano dispositivi di compensazione sul lato del sistema.

Carico relativamente stabile

A differenza dei violenti picchi di cortocircuito osservati negli EAF, i SAF subiscono fluttuazioni di corrente minori; tuttavia, funzionano a pieno carico per periodi prolungati, determinando un significativo accumulo di calore. È necessario verificare l'aumento della temperatura degli avvolgimenti e dei nuclei in condizioni operative continue ad alta corrente.

Ampio intervallo di regolazione della tensione

Diverse fasi di fusione richiedono tensioni diverse; la commutazione sotto carico (OLTC) richiede in genere da 13 a 27 passaggi, con alcuni forni di carburo di calcio di grandi dimensioni che ne richiedono anche di più. Il commutatore di presa deve essere in grado di funzionare frequentemente e di sostenere una capacità di trasporto di corrente.

Parametri tecnici

Modelli rappresentativi e dati di riferimento

Nota: la tensione primaria può essere progettata tra 6 kV e 110 kV in base alle esigenze dell'utente, con corrispondenti adeguamenti all'impedenza e alle dimensioni esterne.

Punti salienti del design

Avvolgimenti e conduttori

L'avvolgimento secondario utilizza conduttori trasposti, con trasposizione di più rami paralleli alle estremità per garantire una distribuzione uniforme della corrente. Per le uscite vengono utilizzate sbarre di rame multistrato, con sbarre adiacenti che trasportano corrente in direzioni opposte per ridurre il campo magnetico esterno. Sulle pareti laterali del serbatoio sono installate morsettiere di ampia superficie per ridurre al minimo la resistenza di contatto.

Selezione dell'impedenza

I trasformatori per forni ad arco sommerso presentano in genere un'impedenza maggiore rispetto ai trasformatori di potenza della stessa capacità per limitare le correnti di cortocircuito e migliorare le condizioni operative del forno. I valori specifici vengono determinati dal produttore del forno e dai progettisti elettrici in base alla capacità di cortocircuito della rete e al processo di fusione. L'alta impedenza riduce la potenza di ingresso effettiva, mentre la bassa impedenza aumenta le fluttuazioni di corrente; è necessario selezionare un valore equilibrato.

Commutatore sotto carico (OLTC)

I trasformatori per forni ad arco sommerso di grande capacità utilizzano quasi esclusivamente la regolazione della tensione sotto carico. Data l'elevata frequenza delle operazioni del commutatore, è necessario selezionare un modello adatto a commutazioni frequenti e installare un sistema di filtraggio dell'olio indipendente. Alcuni utenti utilizzano una combinazione di regolazione grossolana e fine per ridurre l'usura sui contatti del commutatore.

Sistema di raffreddamento

A causa dell'elevata densità di perdita, viene comunemente utilizzata la circolazione forzata dell'olio con raffreddamento ad acqua o raffreddamento ad aria. Nei sistemi di raffreddamento ad acqua, la pressione dell'olio deve sempre superare la pressione dell'acqua per evitare perdite d'acqua nell'olio. La scelta del dispositivo di raffreddamento deve tenere conto delle perdite armoniche aggiuntive anziché fare affidamento esclusivamente su calcoli basati sulla corrente sinusoidale a frequenza industriale.

Armoniche e perdite aggiuntive

I carichi dei forni ad arco sommerso contengono armoniche; pertanto, devono essere inclusi margini di progettazione per le sezioni trasversali dei conduttori e per la schermatura dei componenti strutturali. Sulle pareti interne del serbatoio è installata una schermatura magnetica o elettrica per ridurre le perdite vaganti e il rischio di surriscaldamento locale.

Produzione e verifica

Yulan Transformer produce trasformatori per forni elettrici dal 1999, fornendo trasformatori SAF a settori quali ferroleghe, carburo di calcio e silicio industriale. L'azienda è dotata di una capacità di sollevamento di 80 tonnellate, un sistema di essiccazione sotto vuoto in fase di vapore di cherosene da 400 kW, apparecchiature per test a impulsi da 1200 kV e un trasformatore di prova a frequenza industriale senza scarica parziale da 400 kV. Queste strutture consentono il trattamento dell'isolamento e la verifica in fabbrica dei trasformatori SAF con tensione nominale di 110 kV e inferiore. Prima di lasciare la fabbrica, ogni unità viene sottoposta a una serie di test, tra cui resistenza CC dell'avvolgimento, rapporto di tensione, resistenza di isolamento, tensione di tenuta alla frequenza industriale, tensione di tenuta indotta, perdita a vuoto, perdita di carico, impedenza di cortocircuito e test del ciclo operativo per il commutatore sotto carico. 

Domande e risposte sulla selezione

D: I trasformatori del forno ad arco sommerso e i trasformatori del forno ad arco elettrico (EAF) possono essere intercambiati?

Generalmente non possono essere scambiati direttamente. I carichi dei forni ad arco sommerso sono relativamente stabili e le loro caratteristiche di impedenza e regolazione della tensione differiscono da quelle degli EAF. I trasformatori EAF sono progettati per resistere a frequenti shock da cortocircuito, mentre i trasformatori per forni ad arco sommerso sono progettati per il funzionamento continuo ad alta corrente. L'intercambiabilità richiede una nuova verifica dell'impedenza, dell'aumento della temperatura e della resistenza meccanica.

D: È sempre meglio un numero maggiore di passaggi di regolazione della tensione?

Non necessariamente. Un numero maggiore di gradini di tensione consente una regolazione più precisa della tensione e un migliore adattamento ai vari stadi di fusione; ciò comporta però maggiori costi per il commutatore e un aumento delle dimensioni fisiche della vasca del trasformatore. In genere, 19 passaggi sono sufficienti per i forni per ferroleghe, mentre i forni per carburo di calcio possono richiedere 27 o più passaggi. La configurazione finale è determinata dai requisiti specifici del processo del forno.

D: Perché i trasformatori con forno ad arco sommerso (SAF) hanno un'impedenza maggiore rispetto ai trasformatori di potenza standard?

Le fluttuazioni nella resistenza di carica del forno possono causare picchi di corrente; un'impedenza più elevata limita le correnti di picco e stabilizza le condizioni operative del forno. Inoltre, l'elevata impedenza riduce le correnti di cortocircuito, proteggendo così gli avvolgimenti. Mentre i trasformatori di potenza standard hanno tipicamente valori di impedenza di cortocircuito compresi tra il 4% e il 6%, i trasformatori SAF variano solitamente dal 6% al 15%.

D: Quali sono i vantaggi di scegliere una tensione primaria di 110 kV?

Per i trasformatori SAF di grande capacità, il collegamento a una tensione primaria inferiore comporterebbe correnti primarie eccessivamente elevate, gravando indebitamente sui quadri e sui cavi. Una valutazione di 110 kV abbassa la corrente primaria e riduce le perdite di linea, rendendolo adatto a progetti con capacità superiori a 20.000 kVA. Tuttavia, questa scelta comporta costi di isolamento più elevati e un ingombro maggiore, richiedendo una valutazione complessiva.

D: Quali sono i punti chiave per la manutenzione quotidiana del sistema di raffreddamento ad acqua?

Monitorare regolarmente il differenziale di pressione tra i circuiti olio e acqua; la pressione dell'olio deve rimanere superiore alla pressione dell'acqua. L'accumulo di calcare nel refrigeratore compromette la dissipazione del calore, quindi i programmi di pulizia dovrebbero essere determinati in base alla qualità dell'acqua. Il sistema di raffreddamento deve essere attivato prima dell'avvio del trasformatore e deve continuare a funzionare per un periodo dopo lo spegnimento del trasformatore.