浅谈电阻式加热炉电气选型与安装

浅谈电阻式加热炉电气选型与安装

贾行

（天津市天重江天重工有限公司天津300408）

摘要：随着工业发展和环保要求的提高，电阻式加热炉已逐步取代了大部分煤油炉及部分燃气炉作为热处理工序中的重要设备。本文从电炉的电气选型以及安装中应注意的一些问题作了简要分析。

关键词：电炉变压器；移相触发；过零触发；涡流；电磁干扰

在电阻式加热炉的电气选型中涉及到诸多元器件，文中主要对变压器和加热控制装置进行了详细阐述，对其他电器元件选型作了简单分析。对于安装中应注意问题，文中对主电缆敷设，控制及反馈电缆布线等做了简要阐述。

1电气选型

1.1变压器的选型

1.1.1变压器类型的选择

其选择主要涉及到是选用传统电力变压器，还是选用电炉变压器。通过分析电阻式加热炉的特点能够发现：该类电炉发热体的电阻小，在升温过程中发热体电阻变化比较大。这就造成变压器在加热之初会有很大电流，随着温度变化电流的变化比较大。这些因素会给传统电力变压器的安全运行带来隐患，而电炉变压器中的电阻炉变压器就可以有效的避免该因素，所以建议使用电炉变压器。

1.1.2变压器联结组别的选择

我们知道，变压器的接线组别就是变压器一次绕组和二次绕组组合接线形式的一种表示方法，常见的变压器绕组有两种接法，即“三角形接线”和“星形接线”，在变压器的联接组别中“D”表示为三角形接线，“Yn”表示为星形带中性线的接线，Y表示星形，n表示带中性线，另外型号后面的数字为时钟表示法表示的高低压侧对应的线电压的相位角关系。我公司所使用的变压器联结组别有Yyn0（营口，1987年2月制造）、Yd11（营口，1994年6月制造）、Dyn11（天变，2010年11月制造）以及Dd0（天变，2013年7月制造），共四种规格。

提到变压器联结组别选择就要提到对电网危害最大的三次谐波，下文将分别从一次、二次侧联结方式选择与三次谐波的关系和星形链接与三角形链接各自的优缺点，通过分析比较从常见四种联结组别中选择最佳联结组别。

图1铁心的磁化曲线

图2磁路饱和时磁化电流成为尖顶波

（1）一次、二次侧联结方式选择与三次谐波的关系[1]

我们知道，当主磁通随时间正弦变化时，由于磁路饱和所引起的磁化曲线的非线性，如图1所示，将导致磁化电流成为尖顶波，如图2所示；磁路越饱和，磁化电流的波形就越尖，即畸变越严重。

但是无论激磁电流im怎样畸变（此处忽略铁耗电流iFe），用傅里叶级数把im分解成基波、三次谐波和其他高次谐波，可知其基波分量im1始终与主磁通Φ同相位，如图3所示。

有以上公式可以看出，各相激磁电流的三次谐波大小相等，相位相同。激磁电流中的三次谐波能否流通，将直接影响到主磁通和相电动势的波形。我们以Yy和Yd两种联结组别进行分析。

Yy联结组此时一次和二次绕组都是星形联结且无中性线，激磁电流中的三次谐波分量无法流通，故激磁电流将接近于正弦波；若工作点位于主磁路的膝点以上，通过铁心的磁化曲线依次确定不同瞬间的激磁电流所产生的主磁通值，如图4所示。

图4主磁路饱和时，正弦激磁电流产生的主磁通波形

图中示出了ωt=45°、90°、135°三个瞬间的主磁通。从图中可以看出，此时主磁通Φ将成为平顶波，即除基波分量Φ1外，还将出现三次谐波分量Φ3以及一些奇次高次谐波分量，后者因数量不大可忽略。

由于主磁路为三相星形磁路，故同大小、同相位的各相三次谐波磁通不能沿铁心磁路闭合，而只能通过油和油箱壁形成闭合磁路，这些磁路会造成油箱壁等钢结构件产生涡流带来杂散损耗。Yy联结组其容量不宜过大，一般控制在1800KVA以下。

Yd联结组Yd联结组的高压侧为星形联结，若高压侧接到电源，则一次侧三次谐波不能流通，因而主磁通和一次、二次侧的相电动势中可能出现三次谐波。但因二次侧为三角形联结，故三相的三次谐波电动势将在闭合的三角形内产生三次谐波环流，如图5所示。由于主磁通是由作用在铁心上的合成磁

动势所激励，所以一次侧正弦形激磁电流和二次侧三次谐波电流共同激励时，其效果与一次侧尖顶波激磁电流的效果相同，故此时主磁通和相电动势的波形将接近于正弦形。

图5Yd联结组中三角形内部的三次谐波环流

（2）星形链接与三角形链接各自的优缺点

星形接法：

①中性点，可以有效地抑制中性点偏移，可连接各种中性点设备；

②接线简单，相位清楚；

③主绝缘要求低（相电压只有线电压的）；

④不能滤除三次谐波；

⑤发生单相对地故障时故障电流较大。

三角形接法：

①没有中性点，可以抑制单相对地短路故障电流；

②存在三次回路，可滤除三次谐波；

③主绝缘要求高；

④变压器一个绕组发生内部故障将影响两条相线。

（3）四种常见变压器联结组的选择

通过以上两条分析我们不难看出，在变压器组别选择中既要考虑三次谐波的影响，又要考虑实际使用中的接线情况以及变压器的造价等问题。

对于常见的联结组别各自特点如表一所示：

结合以上分析可以看出，Yy组别存在诸多弊病，不宜采用。由于电炉自身特点，在使用中出现单向对地情况偶有发生，不建议选用Dy组别。考虑到电炉使用中对电源侧的影响，建议选用一次侧为三角形联结组别。所以我公司电炉选购的是Dd0联结组别的变压器。

1.2加热控制方式的选择

电阻炉加热控制主要是通过改变加热元件两端电压来实现温度控制。两种常见的调整电路的方法是：通过可控硅移相触发控制和通过可控硅过零触发控制。

1.2.1可控硅的移相触发[2]

移相触发是通过控制可控硅的触发角（或控制角）α大小来控制可控硅的导通量，从而改变负载上所加的功率。其控制特点是：波动小，使输出电流、电压平滑升降。

图6所示的是触发角α分别为30°、90°、150°的导通情况。

图6不同触发角下可控硅的导通情况

u为可控硅输入电压瞬时值，ug为可控硅门极电压瞬时值，ud为可控硅输出电压瞬时值。

从图中可以看出，负载两端的电压及平均功率是随触发角的变化而变化的。

1.2.2可控硅的过零触发

过零触发是指在电源电压零点位置触发晶闸管导通，通过改变设定周期内晶闸管导通的周波数实现负载电压及功率的调整。

图7所示的是一个触发周期的工作原理图

图9移相触发电路频谱分析图

通过分析这两张图可以看出，可控硅在移相触发的方式下其奇次谐波严重，三次谐波占基波分量的60%左右，其他奇次谐波也占有较大比例，在可控硅导通的瞬间使电网电压产生较大畸变，功率因数会下降，对电网的其他设备会产生不良影响。而过零触发电路奇次谐波很小，只是存在一定程度的低频干扰，并且随着η的增大，低频分量也大幅减少。所以采用过零触发对电网及电网上其他设备均有好处。

2安装中注意的问题

2.1主电缆敷设中应注意的问题

因电炉在使用过程中其主电缆（包括低压柜至电炉控制柜和控制柜至电炉）内电流较大，必须要考虑涡流及散热问题。

图10安培环路定律

那么在主电缆敷设中就必须要考虑ABC三相电的敷设顺序，在同一敷设空间内必须要保证其闭合回线尽量短，不在同一敷设空间（如多桥架敷设）首先要保证取自同一控制柜的三相必须在同一桥架内。

在我公司一台电炉使用中曾出现过桥架过热情况，经过分析发现，在600mm款桥架内敷设了电炉6个区电缆，电缆按照6根A相、6根B相、6根C相顺序一字排开，在使用中桥架发出很明显“嗡嗡”声，并且附近日光灯管架向桥架靠拢，在电炉全功率加热约10分钟桥架温度已经达到43℃左右，通过将六区电缆分区按相排开（即一区ABC二区ABC……）后，涡流情况得到了很大改善。

除了涡流情况外，主电缆在敷设中还应注意散热问题，由变压器低压侧至电炉控制柜主电缆分散敷设就能很好的保证散热。而电炉附近主电缆除了要考虑散热还必须考虑隔热问题，由于电炉存在一定热泄露，这就会造成其附近主电缆除了自身发热之外还会受到电炉外壳加热，此外在电炉中途开关炉门或结束工艺后开关炉门时近千度高温会对电炉附近电缆进行烘烤，所以电炉附近电缆，特别是炉壳外壁走线。在隔热处理中，不少厂家会采用隔热岩棉进行处理，将电缆敷设在隔热岩棉上，这样虽然能很好的隔断炉壳外壁热量，但会造成电缆自身热量不易散掉，我公司的一台1650KW高温电炉就曾出现过该情况，造成电缆焦化，出现短路情况。所以在使用隔热岩棉作为隔热材料时，必须在岩棉与电缆之间每隔适当距离做支撑，以避免电缆所产生热量不能及时散掉造成电缆焦化情况。

2.2控制及检测线路敷设中应注意的问题

电炉所涉及到的控制电缆主要是仪表或PLC主从站通讯电缆，检测线路主要为热电偶等偶线的反馈线路。以我公司一台1900KW高温电炉为例，可控硅的控制采用的是国龙TCW-32ZK3三相调功KP3型触发器，PLC为Siemens300系列PLC，包括AI、DI、AO、DO模块，其主站位于控制室内，从站安装在电炉按钮站，之间采用Profibus通讯线连接。

在实际使用中偶然出现过测温电偶反馈温度瞬间达到上限值（2613℃）后又恢复正常，经检查发现热电偶反馈线路由电炉至控制柜中间经过了一排端子后才进入PLC的AI模块，并且热电偶反馈线路未采用屏蔽电缆连接，电偶反馈线路与主电缆未分开敷设，由于电磁干扰造成了这一情况的出现。

在主从站通讯的Profibus使用中，经常出现所用DP连接插头损坏情况，经过检查发现Profibus中的屏蔽线过电流造成屏蔽线及周围电路板烧毁情况，经过检查和测量发现电炉接地良好，而控制柜接地电阻很大，这就造成当控制柜存在较大接地点流时（中性线与保护线为同一线路，且以大地为接地点方式时，220V电路存在中性线电流或此处称之为接地电流）。Profibus的屏蔽层就作为导线将电流导致电炉侧，这就造成了屏蔽层过电流的情况。

所以，在控制及检测线路敷设中应注意：a尽量采用屏蔽电缆接线，并且屏蔽线牢固接线；b保证屏蔽线两端接地电阻值相同或相近；c线路中间严禁加装端子；d主电缆与控制及检测电缆必须分层或加屏蔽外壳敷设。

结束语

本文通过结合我公司在建设安装电阻式加热炉的实例，对电气的选型及安装中的一些注意事项进行了分析和阐述，希望对广大同仁在电阻式加热炉的电气选型与安装中带来一些帮助，并在工作中对本文的观点进行验证或提出需要改进的建议。

参考文献：

[1]汤蕴璆.《电机学》[M].第3版.北京：机械工业出版社.2008

[2]王兆安.电力电子技术.机械工业出版社2004

[3]陈伯时.电力拖动自动控制系统.机械工业出版社2004

[4]刘兵.对《建筑电气工程质量验收规范》中防止电涡流危害条文的解读[J].工程质量.2008（7）