Transformador de horno de arco sumergido

Un horno de arco sumergido (SAF), también conocido como horno eléctrico de fundición, se utiliza para producir ferroaleaciones, carburo de calcio, silicio industrial y productos similares. Su transformador se diferencia del de un horno de arco eléctrico (EAF) estándar en términos de características de carga: en un SAF, los electrodos están sumergidos en la carga del horno y el calor se genera principalmente a través de la resistencia de la propia carga, mientras que la descarga del arco juega un papel secundario. En consecuencia, la carga es relativamente estable, pero la corriente secundaria es extremadamente alta y el factor de potencia es bajo; esto requiere diseños específicos en cuanto a rangos de regulación de voltaje e impedancia.

Yulan Transformer fabrica transformadores de horno de arco sumergido con capacidades que van desde 1000 kVA hasta 80 000 kVA. Los voltajes primarios pueden acomodar 6 kV, 10 kV, 15 kV, 22 kV, 35 kV y 110 kV, mientras que los voltajes secundarios y el número de pasos de regulación de voltaje se determinan según el tipo de horno y el material específico que se funde.

Características de carga y diseño

Alta corriente, voltaje moderado

El voltaje secundario de un SAF suele oscilar entre 100 V y 300 V, mayor que el de un EAF pero menor que el de un horno de carburo de calcio. Las corrientes secundarias pueden alcanzar decenas de miles de amperios; Los devanados utilizan múltiples conductores paralelos o conductores transpuestos, y los cables de salida constan de barras colectoras de cobre multicapa.

Factor de potencia bajo

Las variaciones en la resistencia de la carga del horno dan como resultado una carga inductiva, con un factor de potencia que normalmente cae entre 0,7 y 0,8. El diseño del transformador debe tener en cuenta los requisitos de potencia reactiva y algunos proyectos incorporan dispositivos de compensación en el lado del sistema.

Carga relativamente estable

A diferencia de las violentas sobretensiones de cortocircuito que se observan en los EAF, los SAF experimentan fluctuaciones de corriente más pequeñas; sin embargo, funcionan a plena carga durante períodos prolongados, lo que provoca una importante acumulación de calor. Se debe verificar que los devanados y los núcleos no aumenten la temperatura en condiciones de operación continua de alta corriente.

Amplio rango de regulación de voltaje

Diferentes etapas de fundición requieren diferentes voltajes; El cambio de tomas bajo carga (OLTC) normalmente implica de 13 a 27 pasos, y algunos hornos grandes de carburo de calcio requieren incluso más. El cambiador de tomas debe ser capaz de funcionar con frecuencia y tener una capacidad de transporte de corriente sostenida.

Parámetros técnicos

Modelos representativos y datos de referencia

Nota: La tensión primaria se puede diseñar entre 6 kV y 110 kV según los requerimientos del usuario, con los correspondientes ajustes de impedancia y dimensiones externas.

Aspectos destacados del diseño

Devanados y conductores

El devanado secundario utiliza conductores transpuestos, con transposición de múltiples ramas paralelas en los extremos para garantizar una distribución uniforme de la corriente. Se utilizan barras colectoras de cobre multicapa para las salidas, con barras colectoras adyacentes que transportan corriente en direcciones opuestas para reducir el campo magnético externo. Se instalan tableros de terminales de gran área en las paredes laterales del tanque para minimizar la resistencia de contacto.

Selección de impedancia

Los transformadores de horno de arco sumergido suelen presentar una impedancia más alta que los transformadores de potencia de la misma capacidad para limitar las corrientes de cortocircuito y mejorar las condiciones de funcionamiento del horno. Los valores específicos los determinan el fabricante del horno y los diseñadores eléctricos en función de la capacidad de cortocircuito de la red y del proceso de fundición. La alta impedancia reduce la potencia de entrada efectiva, mientras que la baja impedancia aumenta las fluctuaciones de corriente; se debe seleccionar un valor equilibrado.

Cambiador de tomas en carga (OLTC)

Los transformadores de horno de arco sumergido de gran capacidad emplean casi exclusivamente regulación de voltaje en carga. Dada la alta frecuencia de operaciones del cambiador de tomas, se debe seleccionar un modelo adecuado para conmutaciones frecuentes y se debe instalar un sistema de filtración de aceite independiente. Algunos usuarios emplean una combinación de regulación gruesa y fina para reducir el desgaste de los contactos del cambiador de tomas.

Sistema de enfriamiento

Debido a la alta densidad de pérdida, se utiliza comúnmente la circulación forzada de aceite con refrigeración por agua o aire. En los sistemas de refrigeración por agua, la presión del aceite siempre debe exceder la presión del agua para evitar que el agua se filtre al aceite. La selección del enfriador debe tener en cuenta las pérdidas armónicas adicionales en lugar de depender únicamente de cálculos basados ​​en la corriente sinusoidal de frecuencia industrial.

Armónicos y pérdidas adicionales

Las cargas de los hornos de arco sumergido contienen armónicos; por lo tanto, se deben incluir márgenes de diseño para las secciones transversales de los conductores y el blindaje de los componentes estructurales. Se instala un blindaje magnético o eléctrico en las paredes internas del tanque para reducir las pérdidas perdidas y el riesgo de sobrecalentamiento local.

Fabricación y Verificación

Yulan Transformer fabrica transformadores para hornos eléctricos desde 1999 y suministra transformadores SAF a industrias como ferroaleaciones, carburo de calcio y silicio industrial. La empresa está equipada con una capacidad de elevación de 80 toneladas, un sistema de secado al vacío en fase de vapor de queroseno de 400 kW, un equipo de prueba de impulso de 1200 kV y un transformador de prueba de frecuencia industrial libre de descarga parcial de 400 kV. Estas instalaciones permiten el procesamiento de aislamiento y la verificación en fábrica de transformadores SAF con clasificación de 110 kV e inferiores. Antes de salir de fábrica, cada unidad se somete a una serie de pruebas, que incluyen resistencia de CC del devanado, relación de tensión, resistencia de aislamiento, tensión soportada de frecuencia industrial, tensión soportada inducida, pérdida sin carga, pérdida con carga, impedancia de cortocircuito y pruebas de ciclo operativo para el cambiador de tomas en carga. 

Preguntas y respuestas sobre la selección

P: ¿Se pueden intercambiar los transformadores de horno de arco sumergido y los transformadores de horno de arco eléctrico (EAF)?

Generalmente, no se pueden intercambiar directamente. Las cargas de los hornos de arco sumergido son relativamente estables y sus características de regulación de voltaje y impedancia difieren de las de los EAF. Los transformadores EAF están diseñados para soportar frecuentes cortocircuitos, mientras que los transformadores de horno de arco sumergido están diseñados para un funcionamiento continuo de alta corriente. La intercambiabilidad requiere una nueva verificación de la impedancia, el aumento de temperatura y la resistencia mecánica.

P: ¿Siempre es mejor un mayor número de pasos de regulación de voltaje?

No necesariamente. Un mayor número de pasos de voltaje permite una regulación de voltaje más fina y una mejor combinación con varias etapas de fundición; sin embargo, esto implica mayores costos para el cambiador de tomas y un aumento en el tamaño físico del tanque del transformador. Normalmente, 19 pasos son suficientes para los hornos de ferroaleaciones, mientras que los hornos de carburo de calcio pueden requerir 27 o más pasos. La configuración final está determinada por los requisitos específicos del proceso del horno.

P: ¿Por qué los transformadores de horno de arco sumergido (SAF) tienen una impedancia mayor que los transformadores de potencia estándar?

Las fluctuaciones en la resistencia de carga del horno pueden provocar picos de corriente; una impedancia más alta limita las corrientes máximas y estabiliza las condiciones de funcionamiento del horno. Además, la alta impedancia reduce las corrientes de cortocircuito, protegiendo así los devanados. Mientras que los transformadores de potencia estándar suelen tener valores de impedancia de cortocircuito entre el 4% y el 6%, los transformadores SAF suelen oscilar entre el 6% y el 15%.

P: ¿Cuáles son las ventajas de seleccionar un voltaje primario de 110 kV?

Para transformadores SAF de gran capacidad, la conexión a un voltaje primario más bajo daría como resultado corrientes primarias excesivamente altas, lo que impondría una carga indebida al tablero y al cableado. Una clasificación de 110 kV reduce la corriente primaria y las pérdidas de línea, lo que la hace adecuada para proyectos con capacidades superiores a 20 000 kVA. Sin embargo, esta elección implica mayores costos de aislamiento y una mayor huella, lo que requiere una evaluación integral.

P: ¿Cuáles son los puntos clave para el mantenimiento diario del sistema de refrigeración por agua?

Controlar periódicamente la diferencia de presión entre los circuitos de aceite y agua; la presión del aceite debe permanecer más alta que la presión del agua. La acumulación de sarro en el enfriador afecta la disipación de calor, por lo que los programas de limpieza deben determinarse en función de la calidad del agua. El sistema de enfriamiento debe activarse antes de que el transformador arranque y debe continuar funcionando durante un período después de que el transformador se apague.