Unterpulverofen-Transformator

Ein Unterpulverofen (SAF) – auch Elektroofen zum Schmelzen genannt – wird zur Herstellung von Ferrolegierungen, Kalziumkarbid, Industriesilizium und ähnlichen Produkten verwendet. Sein Transformator unterscheidet sich von dem eines Standard-Lichtbogenofens (EAF) hinsichtlich der Lasteigenschaften: Bei einem SAF sind die Elektroden in die Ofenladung eingetaucht und die Wärme wird hauptsächlich durch den Widerstand der Ladung selbst erzeugt, wobei die Lichtbogenentladung eine untergeordnete Rolle spielt. Folglich ist die Last relativ stabil, der Sekundärstrom ist jedoch extrem hoch und der Leistungsfaktor niedrig; Dies erfordert spezielle Designs hinsichtlich Spannungsregelbereichen und Impedanz.

Yulan Transformer stellt Transformatoren für Unterpulveröfen mit Leistungen von 1.000 kVA bis 80.000 kVA her. Primärspannungen können 6 kV, 10 kV, 15 kV, 22 kV, 35 kV und 110 kV umfassen, während Sekundärspannungen und die Anzahl der Spannungsregelungsschritte auf der Grundlage des Ofentyps und des spezifischen zu schmelzenden Materials bestimmt werden.

Belastungs- und Designeigenschaften

Hoher Strom, mäßige Spannung

Die Sekundärspannung eines SAF liegt typischerweise zwischen 100 V und 300 V – höher als die eines EAF, aber niedriger als die eines Kalziumkarbidofens. Sekundärströme können Zehntausende Ampere erreichen; Wicklungen nutzen mehrere parallele Leiter oder vertauschte Leiter, und Ausgangsleitungen bestehen aus mehrschichtigen Kupferschienen.

Niedriger Leistungsfaktor

Schwankungen im Widerstand der Ofenladung führen zu einer induktiven Last, wobei der Leistungsfaktor typischerweise zwischen 0,7 und 0,8 liegt. Bei der Transformatorkonstruktion müssen die Anforderungen an die Blindleistung berücksichtigt werden, und einige Projekte enthalten Kompensationsgeräte auf der Systemseite.

Relativ stabile Last

Im Gegensatz zu den heftigen Kurzschlussstößen, die bei EAFs auftreten, treten bei SAFs geringere Stromschwankungen auf; Allerdings laufen sie über längere Zeiträume unter Volllast, was zu einem erheblichen Wärmestau führt. Wicklungen und Kerne müssen auf Temperaturanstieg unter kontinuierlichen Hochstrom-Betriebsbedingungen überprüft werden.

Großer Spannungsregelbereich

Unterschiedliche Schmelzstufen erfordern unterschiedliche Spannungen; Das Laststufenschalten (OLTC) umfasst typischerweise 13 bis 27 Schritte, wobei einige große Kalziumkarbidöfen sogar noch mehr erfordern. Der Stufenschalter muss für häufigen Betrieb und eine dauerhafte Strombelastbarkeit geeignet sein.

Technische Parameter

Repräsentative Modelle und Referenzdaten

Hinweis: Die Primärspannung kann je nach Anwenderwunsch zwischen 6 kV und 110 kV ausgelegt werden, mit entsprechenden Anpassungen der Impedanz und Außenabmessungen.

Design-Highlights

Wicklungen und Leitungen

Die Sekundärwicklung besteht aus vertauschten Leitern mit mehreren parallelen Zweigen an den Enden, um eine gleichmäßige Stromverteilung zu gewährleisten. Für die Ableitungen werden mehrschichtige Kupferschienen verwendet, wobei benachbarte Stromschienen den Strom in entgegengesetzte Richtungen führen, um das äußere Magnetfeld zu reduzieren. Zur Minimierung von Übergangswiderständen sind an den Tankseitenwänden großflächige Klemmleisten angebracht.

Impedanzauswahl

Unterpulverofentransformatoren weisen typischerweise eine höhere Impedanz auf als Leistungstransformatoren gleicher Kapazität, um Kurzschlussströme zu begrenzen und die Betriebsbedingungen des Ofens zu verbessern. Spezifische Werte werden vom Ofenhersteller und den Elektroplanern auf der Grundlage der Netzkurzschlusskapazität und des Schmelzprozesses festgelegt. Eine hohe Impedanz reduziert die effektive Eingangsleistung, während eine niedrige Impedanz die Stromschwankungen erhöht. Es muss ein ausgewogener Wert gewählt werden.

Laststufenschalter (OLTC)

Großleistungstransformatoren für Unterpulveröfen verwenden fast ausschließlich eine Lastspannungsregelung. Aufgrund der hohen Schalthäufigkeit des Stufenschalters muss ein für häufiges Schalten geeignetes Modell ausgewählt und ein unabhängiges Ölfiltersystem installiert werden. Einige Anwender verwenden eine Kombination aus Grob- und Feinregulierung, um den Verschleiß der Stufenschalterkontakte zu reduzieren.

Kühlsystem

Aufgrund der hohen Verlustdichte wird häufig eine erzwungene Ölzirkulation mit Wasserkühlung oder Luftkühlung eingesetzt. In Wasserkühlungssystemen muss der Öldruck immer den Wasserdruck übersteigen, um zu verhindern, dass Wasser in das Öl eindringt. Bei der Auswahl des Kühlers müssen zusätzliche Oberschwingungsverluste berücksichtigt werden, anstatt sich ausschließlich auf Berechnungen zu verlassen, die auf dem Sinusstrom der Netzfrequenz basieren.

Harmonische und zusätzliche Verluste

Ladungen von Elektroreduktionsöfen enthalten Oberschwingungen; Daher müssen Designspielräume für Leiterquerschnitte und die Abschirmung von Bauteilen berücksichtigt werden. Um Streuverluste und die Gefahr lokaler Überhitzung zu reduzieren, sind an den Tankinnenwänden magnetische oder elektrische Abschirmungen angebracht.

Herstellung und Verifizierung

Yulan Transformer stellt seit 1999 elektrische Ofentransformatoren her und beliefert Branchen wie Ferrolegierungen, Kalziumkarbid und Industriesilizium mit SAF-Transformatoren. Das Unternehmen ist mit einer Hebekapazität von 80 Tonnen, einem 400-kW-Kerosin-Dampfphasen-Vakuumtrocknungssystem, einer 1200-kV-Impulsprüfausrüstung und einem teilentladungsfreien 400-kV-Netzfrequenz-Prüftransformator ausgestattet. Diese Einrichtungen ermöglichen die Isolationsverarbeitung und Werksprüfung von SAF-Transformatoren mit Nennspannungen von 110 kV und darunter. Vor Verlassen des Werks wird jedes Gerät einer Reihe von Tests unterzogen, darunter Wicklungsgleichstromwiderstand, Spannungsverhältnis, Isolationswiderstand, Netzfrequenz-Stehspannung, induzierte Spannungsfestigkeit, Leerlaufverlust, Lastverlust, Kurzschlussimpedanz und Betriebszyklustests für den Laststufenschalter. 

Fragen und Antworten zur Auswahl

F: Können Unterpulverofentransformatoren und Elektrolichtbogenofentransformatoren (EAF) ausgetauscht werden?

Im Allgemeinen können sie nicht direkt ausgetauscht werden. Die Lasten von Unterpulveröfen sind relativ stabil und ihre Impedanz- und Spannungsregelungseigenschaften unterscheiden sich von denen von EAFs. EAF-Transformatoren sind dafür ausgelegt, häufigen Kurzschlussstößen standzuhalten, wohingegen Unterpulverofentransformatoren für den kontinuierlichen Hochstrombetrieb ausgelegt sind. Die Austauschbarkeit erfordert eine erneute Überprüfung der Impedanz, des Temperaturanstiegs und der mechanischen Festigkeit.

F: Ist eine höhere Anzahl an Spannungsregulierungsschritten immer besser?

Nicht unbedingt. Eine höhere Anzahl von Spannungsstufen ermöglicht eine feinere Spannungsregelung und eine bessere Anpassung an verschiedene Schmelzstufen; Dies führt jedoch zu höheren Kosten für den Stufenschalter und zu einer Vergrößerung der physischen Größe des Transformatorkessels. Normalerweise genügen 19 Stufen für Ferrolegierungsöfen, wohingegen Kalziumkarbidöfen 27 oder mehr Stufen erfordern können. Die endgültige Konfiguration wird durch die spezifischen Anforderungen des Ofenprozesses bestimmt.

F: Warum haben Unterpulverofentransformatoren (SAF) eine höhere Impedanz als Standard-Leistungstransformatoren?

Schwankungen im Ofenladungswiderstand können Stromstöße verursachen; Eine höhere Impedanz begrenzt Spitzenströme und stabilisiert die Betriebsbedingungen des Ofens. Darüber hinaus reduziert eine hohe Impedanz Kurzschlussströme und schützt so die Wicklungen. Während Standard-Leistungstransformatoren typischerweise Kurzschlussimpedanzwerte zwischen 4 % und 6 % aufweisen, liegen SAF-Transformatoren normalerweise zwischen 6 % und 15 %.

F: Welche Vorteile bietet die Auswahl einer Primärspannung von 110 kV?

Bei SAF-Transformatoren mit großer Kapazität würde der Anschluss an eine niedrigere Primärspannung zu übermäßig hohen Primärströmen führen, was eine übermäßige Belastung für Schaltanlagen und Verkabelung zur Folge hätte. Eine Nennspannung von 110 kV senkt den Primärstrom und reduziert Leitungsverluste, sodass es für Projekte mit Kapazitäten über 20.000 kVA geeignet ist. Allerdings ist diese Wahl mit höheren Kosten für die Isolierung und einem größeren Platzbedarf verbunden, sodass eine umfassende Bewertung erforderlich ist.

F: Was sind die wichtigsten Punkte für die tägliche Wartung des Wasserkühlsystems?

Überwachen Sie regelmäßig den Druckunterschied zwischen Öl- und Wasserkreislauf; Der Öldruck muss höher bleiben als der Wasserdruck. Kalkablagerungen im Kühler beeinträchtigen die Wärmeableitung, daher sollten Reinigungspläne auf der Grundlage der Wasserqualität festgelegt werden. Das Kühlsystem muss vor dem Start des Transformators aktiviert werden und sollte nach dem Abschalten des Transformators noch einige Zeit weiter betrieben werden.