Transformador de potencia de horno de arco

La operación del horno de arco es una de las tareas más exigentes para un transformador de potencia. La carga cambia de circuito abierto a una condición cercana a una falla atornillada en una fracción de segundo, y este ciclo se repite muchas veces durante una sola serie. Un transformador construido para este servicio debe soportar picos de corriente extremos, fuertes fuerzas electromagnéticas y cambios frecuentes de tomas sin perder confiabilidad. Yulan Transformer suministra transformadores de potencia para hornos de arco de 1000 kVA a 80 000 kVA, con opciones de voltaje primario de 6 kV, 10 kV, 15 kV, 22 kV, 35 kV y 110 kV. El trabajo de diseño sigue IEC 60076, GB/T 10229 y los requisitos específicos del fabricante del horno.

Condiciones de funcionamiento que dan forma al diseño

A diferencia de un transformador de distribución que opera cerca de la carga nominal la mayor parte del tiempo, un transformador de horno de arco pasa gran parte de su vida en condiciones transitorias. La fase de fusión es particularmente grave. La chatarra se desplaza de manera impredecible, los electrodos tocan la carga y la corriente secundaria puede exceder el doble del valor nominal durante períodos cortos. Estos eventos no son fallas en el sentido tradicional, pero el transformador debe sobrevivirlos repetidamente durante toda su vida útil.

El lado secundario opera a bajo voltaje, comúnmente entre 100 V y 800 V, según el tamaño y el proceso del horno, mientras que la corriente secundaria puede alcanzar decenas de miles de amperios. Esta combinación requiere secciones transversales de conductores pesadas, ramas devanadas paralelas y estructuras de soporte de cables robustas. La impedancia de cortocircuito también se establece más alta que en los transformadores estándar, a menudo en el rango del 6% al 12%, para limitar los picos de corriente y mantener el arco estable.

Enfoques de diseño para trabajos severos

Los transformadores de potencia de horno de arco se construyen en torno a varias decisiones fundamentales que afectan el rendimiento y la vida útil.

Disposición de bobinado

El devanado secundario generalmente se divide en múltiples rutas paralelas para mantener manejable la densidad de corriente. Los conductores transpuestos son comunes en clasificaciones más grandes y los extremos del devanado están cuidadosamente dispuestos de modo que la corriente se divida uniformemente entre los hilos paralelos. El intercambio desigual de corriente crea puntos calientes y acorta la vida útil del aislamiento.

control de impedancia

El valor de impedancia no se selecciona de una tabla fija. Proviene del estudio eléctrico del horno, que equilibra la estabilidad del arco con la necesidad de limitar la tensión de cortocircuito. Una impedancia más alta reduce los picos de corriente pero también reduce la potencia entregada al arco. El fabricante del transformador ajusta la geometría del devanado y las rutas del flujo de fuga para cumplir con el valor especificado dentro de una tolerancia estrecha.

Opción de reactor en serie

Algunas instalaciones incluyen un reactor en serie, ya sea dentro del tanque del transformador o como una unidad separada. Esto es más común cuando la rejilla es débil o cuando la etapa temprana de fusión provoca frecuentes derrumbes de chatarra. Un reactor incorporado ahorra espacio, pero un reactor separado es más fácil de inspeccionar y reemplazar. La decisión depende del diseño del sitio y la filosofía de mantenimiento.

Servicio de cambiador de tomas

La mayoría de los transformadores de hornos de arco utilizan cambio de tomas bajo carga. El cambiador de tomas funciona con mucha más frecuencia que en un transformador de potencia porque el voltaje del horno debe ajustarse entre la fusión y el refinado. Son típicas de trece a diecinueve posiciones y el cambiador de tomas debe estar clasificado para operación frecuente bajo carga. Algunos proyectos especifican una disposición de interruptor selector y desviador separados para una vida útil más larga de los contactos.

Selección del sistema de refrigeración.

Las unidades pequeñas y medianas pueden utilizar refrigeración natural por aire con aceite natural o refrigeración por aire forzado. Los hornos grandes con alta densidad de pérdidas a menudo necesitan refrigeración forzada con agua y aceite. Los sistemas refrigerados por agua requieren un control estricto de la presión: la presión del aceite siempre debe exceder la presión del agua para que cualquier fuga pase del aceite al agua, y no al revés.

Descripción general de las especificaciones

La siguiente tabla proporciona una gama general de parámetros para la serie de transformadores de horno de arco. Los valores exactos se establecen durante la fase de diseño de cada proyecto.

Notas de ingeniería para la selección

Rango de voltaje secundario

El rango de voltaje secundario está determinado por el proceso del horno y el perfil de fusión. No es un valor fijo. El diseñador del transformador trabaja con el fabricante del horno para garantizar que la toma más baja proporcione suficiente potencia de arco durante el refinado y que la toma más alta no sobrecargue los electrodos durante la fusión.

arriostramiento mecánico

Las fuerzas de cortocircuito repetidas provocan el movimiento del devanado y el desgaste del aislamiento. La estructura de sujeción debe sujetar firmemente los devanados sin comprimir demasiado el aislamiento. Algunos diseños utilizan tirantes pretensados ​​y placas de presión con resorte para mantener la fuerza de sujeción durante la vida útil del transformador.

Consideraciones armónicas y de factor de potencia.

Las cargas del horno de arco no son lineales y producen armónicos. El transformador en sí no elimina estos armónicos, pero el diseño del devanado puede incluir un margen térmico adicional para manejar las pérdidas adicionales. La corrección del factor de potencia generalmente se maneja por separado en la barra del horno o en el nivel de la subestación.

Esquemas de protección

Los transformadores de horno de arco requieren una protección que pueda distinguir entre transitorios de funcionamiento normal y fallas reales. Los relés de sobrecorriente deben configurarse con suficiente retraso para evitar disparos durante cortocircuitos de electrodos. La protección diferencial es común, pero debe coordinarse con las frecuentes oscilaciones de corriente del horno.

Verificación de producción y calidad.

Yulan Transformer fabrica transformadores de horno de arco en condiciones de fabricación controladas. Las laminaciones centrales se cortan y apilan con equipos automatizados. Los devanados se enrollan con conductores transpuestos cuando sea necesario y se secan en un sistema de vacío en fase de vapor de queroseno después del montaje. El tanque y las piezas externas de acero están granalladas y acabadas con recubrimiento en polvo para mayor durabilidad en entornos industriales.

Cada unidad se somete a pruebas de rutina que incluyen resistencia del devanado, relación de voltaje, resistencia de aislamiento, resistencia a la frecuencia industrial, sobretensión inducida, pérdida sin carga, pérdida con carga e impedancia de cortocircuito. Debido al severo servicio operativo, muchos clientes también solicitan cálculos de resistencia a cortocircuitos o verificación de prueba de tipo. Los cambiadores de tomas se operan mediante una secuencia completa antes del envío para confirmar una conmutación confiable.

La empresa cuenta con las certificaciones ISO 9001:2015, ISO 14001 e ISO 45001. Los registros de prueba se archivan por número de serie y se vinculan a lotes de materiales y registros de producción para su trazabilidad.

Preguntas de operadores de hornos

¿Cómo se establece el rango de voltaje secundario?

El constructor del horno proporciona la curva de tensión necesaria para la fusión y el refinado. Luego, el diseñador del transformador selecciona las posiciones de las tomas para que la potencia del arco coincida con los requisitos del proceso en cada etapa. Cambiar el rango de voltaje después de la aprobación del diseño generalmente requiere reelaborar la disposición del devanado.

¿Cuál es la vida útil esperada de un transformador de horno de arco?

Con un mantenimiento y funcionamiento adecuados dentro de los límites de diseño, muchas unidades permanecen en servicio durante 20 a 30 años. La vida útil real depende del número de operaciones del horno por día, del funcionamiento del cambiador de tomas y de la calidad del mantenimiento del sistema de refrigeración. El envejecimiento del aislamiento se acelera por los frecuentes ciclos térmicos y las vibraciones mecánicas.

¿Se puede utilizar un transformador de horno de arco para el refinado en cuchara?

En muchos casos sí, pero el deber es otro. Los hornos de refinación de cuchara funcionan a menor potencia y ciclos más cortos, por lo que el estrés térmico y mecánico es menos severo. Un transformador diseñado para un horno de fusión puede ser sobredimensionado para el refinado en cuchara, pero puede usarse si el rango de voltaje y la impedancia son adecuados. Lo contrario no siempre es cierto.

¿Qué causa el fuerte ruido durante el funcionamiento del horno?

El fuerte zumbido durante la fusión proviene de las altas corrientes y las fuerzas electromagnéticas resultantes en los devanados y cables. El nivel de ruido es mayor cuando la corriente secundaria alcanza su pico. Una sujeción adecuada y un soporte de plomo reducen la vibración, pero algo de ruido es inherente al funcionamiento del horno de arco.

¿Con qué frecuencia se debe probar el aceite?

Se deben tomar muestras de aceite al menos una vez al año para realizar análisis de gases disueltos. En servicio pesado, puede justificarse un muestreo más frecuente, especialmente si el transformador ha experimentado cortocircuitos repetidos o si el sistema de enfriamiento ha mostrado signos de fugas. Una tendencia creciente en los gases combustibles indica que se está desarrollando una tensión de aislamiento y debe investigarse.

Capacidad de fabricación

La instalación de producción admite la fabricación de transformadores de horno de arco de hasta 110 kV. Los recursos disponibles incluyen una capacidad de elevación de 80 toneladas, un sistema de secado al vacío en fase de vapor de queroseno de 400 kW, un sistema de prueba de impulso de 1200 kV y un transformador de prueba de frecuencia eléctrica libre de descarga parcial de 400 kV. Estas capacidades permiten a la empresa manejar grandes conjuntos de núcleo y bobina y realizar las pruebas dieléctricas necesarias para el funcionamiento de hornos de alto voltaje.

Para un proyecto específico, el departamento técnico puede proporcionar un diseño preliminar basado en el diagrama unifilar y los datos del horno del cliente. Esto incluye dimensiones estimadas, peso, cálculos de pérdidas y un programa de voltaje del grifo. Póngase en contacto con Yulan Transformer para mayor discusión.