引言

電弧爐短網(wǎng)是指從電弧爐變壓器二次側(cè)到電弧爐本體之間的大電流載流體,主要包括導(dǎo)電銅排或穿墻銅管、撓性水冷電纜、導(dǎo)電橫臂、石墨電極及以上各段之間的連接部分。當(dāng)電弧爐短網(wǎng)采用共面布置時(shí),產(chǎn)生嚴(yán)重的功率不平衡現(xiàn)象,嚴(yán)重影響到電弧爐的生產(chǎn)率、爐襯壽命、功率因數(shù)及功率損耗。

目前廣泛使用的電弧爐短網(wǎng)電抗計(jì)算方法是基于幾何均距的解析計(jì)算方法,該方法在應(yīng)用于小尺寸、規(guī)則導(dǎo)體的計(jì)算時(shí)有較高的準(zhǔn)確度,但當(dāng)導(dǎo)體形狀復(fù)雜時(shí),解析方法的準(zhǔn)確度降低。有限元法是目前解決實(shí)際工程問(wèn)題的一種主要的數(shù)值計(jì)算方法,借助三維有限元計(jì)算軟件可以在短網(wǎng)復(fù)雜結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上,充分考慮到鄰近效應(yīng)與集膚效應(yīng)對(duì)電抗計(jì)算的影響,提高短網(wǎng)計(jì)算的準(zhǔn)確度。

1基于場(chǎng)路耦合的短網(wǎng)電感計(jì)算

應(yīng)用有限元分析軟件ANsysMaxwell對(duì)短網(wǎng)各部分導(dǎo)體進(jìn)行仿真分析,建立電弧爐短網(wǎng)模型,利用瞬態(tài)場(chǎng)求解器對(duì)短網(wǎng)各個(gè)平行子系統(tǒng)進(jìn)行電磁特性分析?？紤]到電弧爐短網(wǎng)實(shí)際工作時(shí)從變壓器二次側(cè)引入三相對(duì)稱電壓,在外電路添加三相對(duì)稱電壓,模擬正常工作時(shí)短網(wǎng)內(nèi)部的電流分布,并使電磁能量集中在求解域內(nèi)部。

場(chǎng)路耦合仿真通過(guò)外電路對(duì)仿真模型施加激勵(lì)源,并在外電路添加電壓表和電流表,如圖1所示。

觀測(cè)短網(wǎng)導(dǎo)體兩端的電壓U及流過(guò)短網(wǎng)導(dǎo)體的電流I的波形,通過(guò)電壓電流波峰的時(shí)間差A(yù)l得到相位差A(yù)o,如公式(1）所示。最后根據(jù)電壓的幅值U、電流的幅值I及相位差A(yù)o得到短網(wǎng)導(dǎo)體的電感,如公式(2）所示。

1.1短網(wǎng)各個(gè)部分電流分析

將電弧爐短網(wǎng)的各個(gè)部分分開(kāi)來(lái)看,觀察其內(nèi)部電流密度分布情況,取l=0.oo5s進(jìn)行觀測(cè),此時(shí)中相電流達(dá)到最大,邊相電流大小相等,與中相電流方向相反。

由于石墨材料電阻率較大,且電極在空間上呈等邊三角形分布,石墨電極受鄰近效應(yīng)與集膚效應(yīng)的影響很小,可認(rèn)為電流在石墨電極內(nèi)部導(dǎo)通的部分均勻分布。導(dǎo)電橫臂由銅-鋼復(fù)合板焊接而成矩形梁結(jié)構(gòu),外層的銅傳導(dǎo)電流,內(nèi)部鋼主要起到支撐作用。由于導(dǎo)電橫臂導(dǎo)電層非常薄,且三相之間距離很近,即使在工頻下電流分布也受到了明顯影響。導(dǎo)電橫臂的電流最大處集中在三相橫臂內(nèi)側(cè)的棱上。水冷電纜內(nèi)部是絞線形式,不考慮鄰近效應(yīng)與集膚效應(yīng)對(duì)電流分布的影響,故水冷電纜內(nèi)部電流均勻分布。穿墻銅管也會(huì)受到鄰近效應(yīng)與集膚效應(yīng)的影響,電流向三相導(dǎo)體內(nèi)部集中。

根據(jù)以上短網(wǎng)導(dǎo)體內(nèi)部電流密度分布的分析,可以看出電弧爐短網(wǎng)在正常工作時(shí)其內(nèi)部電流分布并非如解析法設(shè)定的均勻分布,集膚效應(yīng)及鄰近效應(yīng)對(duì)于短網(wǎng)電流分布有明顯

影響,尤其是在導(dǎo)電橫臂與穿墻銅管上,導(dǎo)體內(nèi)部電流密度最大處與最小處相差較大。

1.2計(jì)算結(jié)果及分析

本文對(duì)短網(wǎng)分別建立了石墨電極、導(dǎo)電橫臂、水冷電纜、穿墻銅管相應(yīng)模型,根據(jù)瞬態(tài)場(chǎng)場(chǎng)路耦合計(jì)算,得到了各個(gè)部分阻抗相應(yīng)計(jì)算結(jié)果。

傳統(tǒng)的電感解析計(jì)算往往不考慮工頻下的集膚效應(yīng)與鄰近效應(yīng),這是因?yàn)樵谄胀ň€型導(dǎo)體內(nèi)部,工頻下電流密度分布較為均勻。然而對(duì)于結(jié)構(gòu)復(fù)雜、橫截面較大且導(dǎo)體間距離較近的電弧爐短網(wǎng),基于幾何均距原理的解析計(jì)算方法對(duì)于電流均勻分布的設(shè)定與實(shí)際情況不符,致使計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確度不高。

從計(jì)算結(jié)果可以看出,瞬態(tài)場(chǎng)場(chǎng)路耦合計(jì)算方法得出的電感參數(shù)比由解析算法得出的結(jié)果略偏小,可以認(rèn)為是由于鄰近效應(yīng)及集膚效應(yīng)所引起的電流向?qū)w內(nèi)側(cè)集中所致,從幾何均距原理來(lái)考慮,當(dāng)回路電流在導(dǎo)體內(nèi)側(cè)集中,相應(yīng)的幾何均距變小,計(jì)算所得到的回路電感就會(huì)變小,進(jìn)而得到每一項(xiàng)電感會(huì)比設(shè)定電流均勻分布的情況下小。此外,短網(wǎng)結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜,導(dǎo)電橫臂、水冷電纜、穿墻銅管中相和邊相結(jié)構(gòu)上存有差異,這種結(jié)構(gòu)上的差異在解析計(jì)算中是無(wú)法處理的,但是三維有限元計(jì)算可以體現(xiàn)具體的結(jié)構(gòu)差異。根據(jù)以上計(jì)算結(jié)果可知,短網(wǎng)中相電感為7.08uH,邊相電感為7.27uH、7.35uH。三相電感參數(shù)較為平衡。

2鄰近效應(yīng)、集膚效應(yīng)對(duì)短網(wǎng)電感計(jì)算的影響

為了研究電流分布不均勻?qū)τ陔姼杏?jì)算所造成的影響,以導(dǎo)電橫臂為例,在ANsYsMaxwell中建立模型,通以一去一回大小相等的電流讓兩個(gè)導(dǎo)體在空間形成回路,研究電流分布情況對(duì)于電感計(jì)算的影響。

分別在恒定磁場(chǎng)、正弦穩(wěn)態(tài)渦流場(chǎng)（電流激勵(lì)頻率分別為0.lHz、50Hz）下進(jìn)行仿真,電感計(jì)算結(jié)果如表l所示。在恒定磁場(chǎng)下,電流均勻分布,不存在渦流效應(yīng),在正弦穩(wěn)態(tài)渦流場(chǎng)下,頻率為0.lHz情況下可以忽略渦流的影響,認(rèn)為電流均勻分布,以上兩者計(jì)算結(jié)果十分相近,在50Hz條件下,計(jì)算考慮渦流,導(dǎo)體內(nèi)部電流呈現(xiàn)不均勻分布,電感計(jì)算結(jié)果與恒定磁場(chǎng)下計(jì)算結(jié)果相差29.5l%,可以認(rèn)為電流不均勻分布對(duì)于電感計(jì)算的準(zhǔn)確度影響重大。

截取模型上方矩形為例,導(dǎo)電橫臂橫截面橫邊上電流密度分布圖如圖2所示,以上邊為邊2、下邊為邊l,導(dǎo)電橫臂銅層在四條邊上呈不對(duì)稱馬鞍形分布,在與相鄰導(dǎo)體靠近的一側(cè),出現(xiàn)電流密度的最大值,這樣的電流分布是由鄰近效應(yīng)與集膚效應(yīng)引起的。由基于幾何均距的電感計(jì)算方法分析可知,當(dāng)導(dǎo)體形狀簡(jiǎn)單且形狀接近線型,認(rèn)為電流均勻分布對(duì)于導(dǎo)體電感計(jì)算影響不大,對(duì)于形狀復(fù)雜多變的短網(wǎng)導(dǎo)體,如導(dǎo)電橫臂,鄰近效應(yīng)與渦流效應(yīng)對(duì)電流分布的影響使得在計(jì)算電感時(shí),電流均勻分布的假設(shè)不再適用,計(jì)算短網(wǎng)電感時(shí)需要考慮到這方面的因素。

3結(jié)語(yǔ)

本文總結(jié)了電弧爐短網(wǎng)各部分電流密度分布的特點(diǎn),給出了短網(wǎng)各分系統(tǒng)與短網(wǎng)整體電感的計(jì)算結(jié)果,明確指出了解析方法中導(dǎo)體內(nèi)部電流均勻分布的假設(shè)與實(shí)際情況不符,是解析計(jì)算方法計(jì)算精度不高的重要原因。與解析法計(jì)算結(jié)果相比,基于有限元的場(chǎng)路耦合瞬態(tài)場(chǎng)電感計(jì)算方法可以準(zhǔn)確反映復(fù)雜多變的短網(wǎng)形狀,真實(shí)體現(xiàn)短網(wǎng)正常工作時(shí)內(nèi)部的電流分布情況及短網(wǎng)電磁特性。