电石炉短网电流平衡改造技术

陕西煤业化工集团神木能源发展有限公司 周 璇

电石炉电极短网铜管及所连接的接触元件普遍存在电流分布不均匀现象，由于各支铜管的分布不同，经测量有些电石炉铜管最大和最小电流相差大2倍以上，而且往往都是三角区的接触元件电流最大。而操作人员操作时只知道总电流、并不知道每个元件电流，造成电极由于接触元件过载而容易产生电极事故。

变压器二次电流通过多根铜管和对应的接触元件把电流导入电极，其电流分配比例是由各铜管的电抗值大小比例决定，而不是由铜管电阻决定。为此，可在铜管外围调节铜管有效电抗值的技术，利用短网铜管大电流在周边产生强磁场的原理，采用可在强磁场下工作的特种磁性材料，设计成对铜管产生附加电抗的高阻抗器件。在分配电流偏大的铜管上安装调节器后，使该铜管总体阻抗增加、分配电流减少，从而达到各短网铜管包括所串联的接触元件均流的目的，通过调平各铜管的电抗值，从而实现短网电流平衡的目的。

本技术采取与铜管非接触式增加电抗的方式，不需要改变用户原有短网结构，安装方便，对原设备没有任何不良影响和副作用。由于本技术采用的是无功电抗调节方法，调节器本身的有功损耗很低，只有几百瓦数量级，单台调节器损耗约2.5W,基本可以忽略不计；设备无功电抗按具体项目量身设计。

1 工作原理

要平衡短网电流，前期需实测短网各铜管电流分布情况，再根据实测电流分布，建立电工数学模型并计算出每一铜管的电抗值，根据各铜管电抗值的差异得到每根铜管需要调整的数值。任何电流都是从电源一端流出，再从另一端流回，也就是说，电流总有一个闭合回路，如图1所示。

图1 电流闭合回路

对交流电路，任何一个电流回路都会存在一个交流电抗，这个电抗值与电流回路包围的面积成正比，回路面积大、电抗值就大，如图2所示，图B 回路面积大于图A，所以图B 电抗值大于图A。

图2 交流电抗

对于电石炉电路，一根电极的电流总是通过另两根电极形成回路。三角区铜管的电流通过另两根电极内侧铜管形成回路时包围的面积最小，所以电抗值最小，反之外侧铜管电抗值最大。

电流回路形成的电抗比电阻大10倍以上，所以电流分配是由电抗大小决定而不是电阻决定。在铜管回路内侧安装一个由高导磁材料构成的磁性器件，可增加回路的有效面积，从而增加该回路的电抗值。

图3 阴影面积电极外侧电流

图4 阴影面积三角区电流

图6中，没有安装电流平衡调节器时，电流回路面积为400×20=8000平方厘米，由于高磁性材料的导磁率是空气导磁率的1000倍以上，所以安装磁性电流调节器后有效面积增加到8000+50×1000=13000平方厘米，进而电抗值得到增加。

图5 电极做功电流闭合回路图

图6 未安装电流平衡调节器的电流回路面积图

每根铜管需要增加的有效面积是在实测电流分布后，进而计算电抗值分布，再根据需调整的电抗值差异部分计算出来的。因此每个项目都需要量身设计。在安装短网电流平衡调节装置前，需安装了短网电流测量装置，实时测量出每一根铜管电流，根据短网铜管电流进行统计分析，发现变压器短网铜管之间电流偏差较大，一般都是角内区地电流远远大于角外区电流。

短网电流互感器安装于与接触元件单独连接的短网铜管上，它能测出流过每个接触元件的电流，以及流过每根电极的总电流。为了准确得到每个接触元件的电流，要求如果有汇流排的，互感器必须安装在汇流排后靠电极一侧（图7），如果没有汇流排，则可以安装在硬铜管的任何位置,例如安装在墙内变压器侧（图8）,如果墙内侧没位置,在安装在墙外。

图7 短网电流互感器与短网电流平衡调节器有汇流排的安装位置示意图

图8 短网电流互感器与短网电流平衡调节器无汇流排的安装位置示意图

每两相压器给一根电极供电，一相变压器出线x 端流出电流，流过短网铜管，经过电极再流过短网铜管流入另一相变压a 端。一般电极内角区接触元件容易烧坏，是由于连接内角区接触元件的短网铜管相对于其他铜管来说，铜管电流回路长度比较短、其短网阻抗比较小，所以流经的电流比较大。采用在大电流铜管上加电流平衡调节器的方式，增加此回路的阻抗，减小电流的占比，来达到平衡电流的目的。

根据现场能安装短网电流平衡调节器的短网长度，以及实测短网铜管电流数据统计,制定短网电流平衡调节装置初步安装方案，通过统计的数据可以直接计算出，每根短网铜管上需要安装的调节器数量。根据短网铜管安装短网电流平衡调节器的数量，可以大致画出短网电流平衡调节装置安装位置示意图（图9）。

图9 短网电流平衡调节装置安装示意图

2 测量数据对比分析

在负荷28000kW 时，统计安装短网电流平衡调节装置前后变压器短网铜管电流数据，具体数据如表1。

表1 测量数据对比分析

在未安装短网电流平衡调节器时，三相变压器短网铜管电流大小以及短网铜管电流比例，都显示8#铜管电流最高、1#铜管电流次之，其余铜管电流普遍偏小；在安装短网电流平衡调节器后，三相变压器短网铜管电流大小以及短网铜管电流比例都发生了明显变化，显示三相变压器短网8#铜管电流普遍都减小了，短网铜管电流最高比例由原来的1.6倍普遍降到了1.3倍以下，每相变压器短网每组铜管电流Imax/Imin值的平均值由2.15倍降到1.71倍，变压器短网铜管之间电流偏差较大的现象有很大改善。

现阶段除了A 相变压器短网1#铜管电流稍微有些偏高外,其余所有短网的铜管电流，都达到了预期的调节效果，后期再对变压器短网铜管上安装短网平衡调节器的数量做一定微调后，便可以达到预期效果。

3 结语

通过增加短网电流平衡调节器，可将最大电流元件电流分配比例从改造前的1.35降到1.20以内，同时也把最小电流元件电流分配比例从改造前的0.65提升0.8以上。短网电流分布均匀后，可大大降低打筋片和电极过烧情况的发生；也可以提高入炉有功，提高产量。

例如，铜管平均电流为8000A,实测最大铜管电流为11000A,经生产实践在10500A 以下电极是安全的，那么如果通过电流平衡调节器使最大电流与平均电流比值降到1.18以内，则在电极安全前提下平均工作电流可提升到10500/1.18=8898A,比原来的8000A 提高了10%，入炉有功也就提升了10%。

为了降低炉子角内区的电流，短网电流平衡调节器都安装在短网1# 铜管和8#铜管上，通过短网电流平衡调节装置安装前后数据的对比，发现该装置安装后能有效的降低炉子角内区的电流，同时还有效改善了变压器短网铜管间电流偏差大的情况，有利于炉子的满负荷生产，同时为后期炉子在满负荷生产的基础上再提升进线负荷提供了可能，也为电石炉安全生产摸索出了一条新的方法。