ABB變壓器在鋼鐵工業中的應用

吳永仁

（中山ABB變壓器有限公司，廣東 中山 528449）

眾所周知，鋼鐵行業是高能耗、高物耗、高污染的典型“三高”產業之一，據統計，我國鋼鐵行業能耗占全國工業總能耗的15.18%，所排放的廢水廢氣占工業總排量的14%，固體廢物排放量占工業廢棄物總量的16%。改革開放以來，中國鋼鐵行業快速發展，但隨之而來的資源消耗過大、環境污染嚴重、資源運輸供給不足等問題也日漸突出，慢慢成為鋼鐵行業發展的瓶頸，嚴重制約鋼鐵行業的發展。如何突破該瓶頸成為當代鋼鐵人員面臨的主要課題。增效節能是ABB的核心業務，針對鋼鐵行業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應用到鋼鐵生產工藝中，利用電弧熱效應來冶煉鋼鐵——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輸問題，同時減少CO2和其它廢氣廢水的排放，降低能耗。

圖1 鋼鐵冶煉現場

電爐變壓器是電爐冶煉工藝的關鍵部件之一，是整個工藝流程的能源節點，其作用是將電網提供的高壓電轉換成可控可調節的低壓電供給熔煉爐電極使用：變壓器的高壓套管與電網連接，低壓通過U型銅管或銅排經二次短網和熔煉爐的電極連接。通過控制變壓器的有載調壓開關來調節熔煉爐電極的電流，滿足煉鋼的需要，圖2是一個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壓開關，由于其切換頻繁，觸頭拉弧現象經常發生，開關內變壓器油污染嚴重，所以開關在線濾油機也是必備的。電爐變壓器較常規電力變壓器有以下幾個特點。

圖2 冶煉工藝布置圖

1）頻繁勵磁

常規電力變壓器是穩壓運行，一年半載不斷一次電；電爐變壓器根據熔煉工藝要求，每天少則調壓斷電幾十次多則幾百次，變壓器的每次合閘都會對其鐵心和線圈造成極大的沖擊，這就要求設計時須充分核算變壓器的涌流及抗短路力。

2）運行環境惡劣

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物質，這就要求設計時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，在其周圍會產生一個相當大的交變磁場，極易在其附近的金屬結構件中產生渦流損耗甚至產生熱點，ABB通常使用 fiberglass板和無磁鋼板來代替常規的鐵結構件以減少渦流損耗同時避免出現熱點。

ABB電爐變壓器和整流變壓器占全球工業市場份額超過四分之一，過去五年中，ABB向中國鋼鐵客戶提供了超過25臺工業變壓器，中山ABB還為國外鋼鐵公司提供5臺電爐變壓器。ABB變壓器在價格方面同競爭對手相比并不占優勢，但其在運行穩定性、可靠性、壽命、溫升控制、抗短路能力、節能效率等方面優勢相當突出。這源于ABB變壓器先進的設計工藝理念，強大的分析模擬平臺，合理的結構布置。下面以 HSSPZ-45000/35系列電爐變為例，簡述一下ABB變壓器的獨特結構。

1）抗短路能力方面

為了使變壓器擁有超強抗短路能力，首先，由于變壓器內線圈在短路時會受到相當大的幅向應力，因此ABB在內線圈設計時，采用線圈自支撐理念，盡量選用大應力大尺寸的自粘換位導線來增大其抗短路能力。其次，ABB在線圈結構布置中使其機械和電氣中心重合，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采用優質高密絕緣件，保證線圈預壓力大于短路臨界失穩力， 有效控制在動態短路條件下出現線圈沿軸向松散的情況。

2）溫升控制方面

ABB采用了——系列的措施來保證溫升限值及防止熱點出現：首先，為增大鐵心有效散熱面，降低溫升，ABB采用獨特的鐵心油道設計方案—萬向油道。其次，ABB的設計軟件能準確計算出鐵心不同區域的熱點溫升和損耗分布，并以此為依據優化鐵心油道放置。第三，在線圈結構方面，ABB采用“Z”型冷卻回路，避免出現冷卻死角。第四，用三維有限元分析軟件 INFOLYTICA對變壓器進行熱點分析，防止出現局部過熱。第五，在變壓器整體冷卻方面，ABB可準確模擬其溫度場分布，并按其來布置冷卻回路，合理選取進出油口和冷卻方式，電爐變壓器通常使用強油水冷OFWF。

圖4 抗短路能力不足產生的嚴重后果

圖5 電爐變壓器冷卻系統

圖6 溫度場模擬分析

3）噪聲控制方面

首先，ABB選用低噪聲硅鋼片，并合理選用鐵心搭接方式，減少內部電磁噪聲。其次，使用獨特的鐵心夾緊結構，避免器身松動。第三，使用專門的核算程序計算油箱尺寸，避免油箱發生共振。第四，采用獨特的磁屏蔽結構，減少噪聲傳遞及輻射。

圖7 共振核算程序

ABB變壓器除了上述結構特點外，它在能效和外部結構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，細節設計往往是性能保證的關鍵。

圖8 ABB工業變壓器組

ABB強大的技術優勢得益于其統一設計軟件，統一技術平臺，全球資源共享。ABB所有設計方案都出于有依據的分析而不是憑空想象或完全由經驗得來，這是ABB的工作模式，也是ABB的技術優勢，是ABB變壓器長期屹立世界前端的根基。當然對于中山ABB來說，變壓器沒有最好的，只有更好的，持續改進是我們永不停止的工作。