鋼鐵行業(yè)是高能耗、高物耗、高污染的典型“三高”產(chǎn)業(yè)之一，資源消耗過大、環(huán)境污染嚴(yán)重、資源運(yùn)輸供給不足等問題成為鋼鐵行業(yè)發(fā)展的瓶頸，嚴(yán)重制約鋼鐵行業(yè)的發(fā)展。如何突破該瓶頸成為當(dāng)代鋼鐵人員面臨的主要課題。

增效節(jié)能是ABB的核心業(yè)務(wù)，針對(duì)鋼鐵行業(yè)目前面臨的瓶頸問題，ABB給出了有效可行的解決方案：將其成熟的變壓器技術(shù)應(yīng)用到鋼鐵生產(chǎn)工藝中，利用電弧熱效應(yīng)來冶煉鋼鐵——常見的爐煉變壓器有EAF（電弧爐）和LF（精煉爐）兩種。這種冶煉方式比較耗電，但可徹底解決能源運(yùn)輸問題，同時(shí)減少CO2和其它廢氣廢水的排放，降低能耗。

圖 1 鋼鐵冶煉現(xiàn)場(chǎng)

電爐變壓器是電爐冶煉工藝的關(guān)鍵部件之一，是整個(gè)工藝流程的能源節(jié)點(diǎn)，其作用是將電網(wǎng)提供的高壓電轉(zhuǎn)換成可控可調(diào)節(jié)的低壓電供給熔煉爐電極使用：變壓器的高壓套管與電網(wǎng)連接，低壓通過U型銅管或銅排經(jīng)二次短網(wǎng)和熔煉爐的電極連接。

通過控制變壓器的有載調(diào)壓開關(guān)來調(diào)節(jié)熔煉爐電極的電流，滿足煉鋼的需要，圖2是一個(gè)常用的電爐冶煉工藝流程布置圖。電爐變壓器都配備有高性能的有載調(diào)壓開關(guān)，由于其切換頻繁，觸頭拉弧現(xiàn)象經(jīng)常發(fā)生，開關(guān)內(nèi)變壓器油污染嚴(yán)重，所以開關(guān)在線濾油機(jī)也是必備的。電爐變壓器較常規(guī)電力變壓器有以下幾個(gè)特點(diǎn)：

圖2 冶煉工藝布置圖

1、頻繁勵(lì)磁：常規(guī)電力變壓器是穩(wěn)壓運(yùn)行，一年半載不斷一次電；電爐變壓器根據(jù)熔煉工藝要求，每天少則調(diào)壓斷電幾十次多則幾百次，變壓器的每次合閘都會(huì)對(duì)其鐵芯和線圈造成極大的沖擊，這就要求設(shè)計(jì)時(shí)須充分核算變壓器的涌流及抗短路力。

2、運(yùn)行環(huán)境惡劣：電爐變壓器通常放置在鋼廠或鋁廠的冶煉爐附近，那里不僅溫度高粉塵大，而且空氣中還含有大量的腐蝕性化學(xué)物質(zhì)，這就要求設(shè)計(jì)時(shí)充分考慮變壓器及其附件的選材，避免變壓器被腐蝕而出現(xiàn)漏油甚至更大意想不到的問題

圖3 ABB 超高功率電爐變壓器

3、低壓電流大：對(duì)于電爐變壓器來說，幾萬安培的電流算是很普通的，這么大的電流，在其周圍會(huì)產(chǎn)生一個(gè)相當(dāng)大的交變磁場(chǎng)，極易在其附近的金屬結(jié)構(gòu)件中產(chǎn)生渦流損耗甚至產(chǎn)生熱點(diǎn)，ABB通常使用fiberglass板和無磁鋼板來代替常規(guī)的鐵結(jié)構(gòu)件以減少渦流損耗同時(shí)避免出現(xiàn)熱點(diǎn)。

ABB電爐變壓器和整流變壓器占全球工業(yè)市場(chǎng)份額超過四分之一，過去五年中，ABB向中國鋼鐵客戶提供了超過25臺(tái)工業(yè)變壓器，中山ABB還為國外鋼鐵公司提供5臺(tái)電爐變壓器。ABB變壓器在價(jià)格方面同競(jìng)爭對(duì)手相比并不占優(yōu)勢(shì)，但其在運(yùn)行穩(wěn)定性、可靠性、壽命、溫升控制、抗短路能力、節(jié)能效率等方面優(yōu)勢(shì)相當(dāng)突出。

這源于ABB變壓器先進(jìn)的設(shè)計(jì)工藝?yán)砟?，?qiáng)大的分析模擬平臺(tái)，合理的結(jié)構(gòu)布置。下面以HSSPZ-45000/35系列電爐變?yōu)槔喪鲆幌翧BB變壓器的獨(dú)特結(jié)構(gòu)：

抗短路能力方面

為了使變壓器擁有超強(qiáng)抗短路能力，首先，由于變壓器內(nèi)線圈在短路時(shí)會(huì)受到相當(dāng)大的幅向應(yīng)力，因此ABB在內(nèi)線圈設(shè)計(jì)時(shí)，采用線圈自支撐理念，盡量選用大應(yīng)力大尺寸的自粘換位導(dǎo)線來增大其抗短路能力。其次，ABB在線圈結(jié)構(gòu)布置中使其機(jī)械和電氣中心重合，安匝沿軸向均布來保證安匝平衡，減少幅向漏磁量，有效控制線圈的軸向短路力。第三，ABB采用優(yōu)質(zhì)高密絕緣件，保證線圈預(yù)壓力大于短路臨界失穩(wěn)力， 有效控制在動(dòng)態(tài)短路條件下出現(xiàn)線圈沿軸向松散的情況。

圖 4 抗短路能力不足產(chǎn)生的嚴(yán)重后果

溫升控制方面

ABB采用了一系列的措施來保證溫升限值及防止熱點(diǎn)出現(xiàn)：首先，為增大鐵心有效散熱面，降低溫升，ABB采用獨(dú)特的鐵心油道設(shè)計(jì)方案--萬向油道。其次，ABB的設(shè)計(jì)軟件能準(zhǔn)確計(jì)算出鐵心不同區(qū)域的熱點(diǎn)溫升和損耗分布，并以此為依據(jù)優(yōu)化鐵心油道放置。第三，在線圈結(jié)構(gòu)方面，ABB采用“Z”型冷卻回路，避免出現(xiàn)冷卻死角。第四，用三維有限元分析軟件INFOLYTICA對(duì)變壓器進(jìn)行熱點(diǎn)分析，防止出現(xiàn)局部過熱。第五， 在變壓器整體冷卻方面，ABB可準(zhǔn)確模擬其溫度場(chǎng)分布，并按其來布置冷卻回路，合理選取進(jìn)出油口和冷卻方式，電爐變壓器通常使用強(qiáng)油水冷OFWF。

圖 5 電爐變壓器冷卻系統(tǒng)

圖 6 溫度場(chǎng)模擬分析

噪音控制方面

首先ABB選用低噪音硅鋼片，并合理選用鐵芯搭接方式，減少內(nèi)部電磁噪音。其次，使用獨(dú)特的鐵芯夾緊結(jié)構(gòu)，避免器身松動(dòng)。第三，使用專門的核算程序計(jì)算油箱尺寸，避免油箱發(fā)生共振。第五，采用獨(dú)特的磁屏蔽結(jié)構(gòu)，減少噪音傳遞及輻射。

圖 7 共振核算程序

ABB變壓器除了上述結(jié)構(gòu)特點(diǎn)外，它在能效和外部結(jié)構(gòu)方面也采取了很多有效的措施來保證變壓器的整體性能。對(duì)變壓器而言，原則性的理論都一樣，材料決定性能的大方向，細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)往往是性能保證的關(guān)鍵。

圖 8 ABB工業(yè)變壓器組

結(jié)語

ABB強(qiáng)大的技術(shù)優(yōu)勢(shì)得益于其統(tǒng)一設(shè)計(jì)軟件，統(tǒng)一技術(shù)平臺(tái)，全球資源共享。ABB所有設(shè)計(jì)方案都出于有依據(jù)的分析而不是憑空想象或完全由經(jīng)驗(yàn)得來，這是ABB的工作模式，也是ABB的技術(shù)根基。

（本文選編自《電氣技術(shù)》，作者吳永仁。）