Transformateur de puissance pour four à arc

Le fonctionnement d’un four à arc fait partie des tâches les plus exigeantes pour un transformateur de puissance. La charge passe d'un circuit ouvert à un état proche d'un défaut boulonné en une fraction de seconde, et ce cycle se répète plusieurs fois au cours d'une seule chaleur. Un transformateur conçu pour ce service doit gérer des pics de courant extrêmes, de fortes forces électromagnétiques et des changements de prises fréquents sans perdre en fiabilité. Yulan Transformer fournit des transformateurs de puissance pour four à arc de 1 000 kVA à 80 000 kVA, avec des options de tension primaire de 6 kV, 10 kV, 15 kV, 22 kV, 35 kV et 110 kV. Le travail de conception suit les normes CEI 60076, GB/T 10229 et les exigences spécifiques du fabricant du four.

Conditions de fonctionnement qui façonnent la conception

Contrairement à un transformateur de distribution qui fonctionne la plupart du temps à proximité de la charge nominale, un transformateur à four à arc passe une grande partie de sa durée de vie dans des conditions transitoires. La phase de fusion est particulièrement sévère. Les déchets se déplacent de manière imprévisible, les électrodes touchent la charge et le courant secondaire peut dépasser le double de la valeur nominale pendant de courtes périodes. Ces événements ne constituent pas des défauts au sens traditionnel du terme, mais le transformateur doit y survivre de manière répétée tout au long de sa durée de vie.

Le côté secondaire fonctionne à basse tension, généralement entre 100 V et 800 V selon la taille du four et le procédé, tandis que le courant secondaire peut atteindre des dizaines de milliers d'ampères. Cette combinaison nécessite des sections de conducteurs élevées, des branches d'enroulement parallèles et des structures de support en plomb robustes. L'impédance de court-circuit est également réglée plus haut que dans les transformateurs standards, souvent dans la plage de 6 % à 12 %, pour limiter les pics de courant et maintenir l'arc stable.

Approches de conception pour usage intensif

Les transformateurs de puissance des fours à arc sont construits autour de plusieurs décisions fondamentales qui affectent les performances et la durée de vie.

Disposition des enroulements

L'enroulement secondaire est généralement divisé en plusieurs chemins parallèles pour maintenir la densité de courant gérable. Les conducteurs transposés sont courants dans les calibres plus importants et les extrémités des enroulements sont soigneusement disposées de manière à ce que le courant se divise uniformément entre les brins parallèles. Un partage de courant inégal crée des points chauds et réduit la durée de vie de l'isolation.

Contrôle d'impédance

La valeur d'impédance n'est pas sélectionnée dans un tableau fixe. Il est issu de l'étude électrique du four, qui équilibre la stabilité de l'arc et la nécessité de limiter les contraintes de court-circuit. Une impédance plus élevée réduit les pics de courant mais diminue également la puissance fournie à l'arc. Le fabricant du transformateur ajuste la géométrie des enroulements et les trajets du flux de fuite pour atteindre la valeur spécifiée dans une tolérance étroite.

Option réacteur en série

Certaines installations comprennent un réacteur en série, soit à l'intérieur de la cuve du transformateur, soit en tant qu'unité séparée. Ceci est plus fréquent lorsque la grille est faible ou lorsque la phase de fusion précoce provoque de fréquents effondrements de ferraille. Un réacteur intégré permet d'économiser de l'espace, mais un réacteur séparé est plus facile à inspecter et à remplacer. La décision dépend de l’aménagement du site et de la philosophie de maintenance.

Service de changeur de prises

La plupart des transformateurs à four à arc utilisent un changement de prise en charge. Le changeur de prises fonctionne bien plus souvent que dans un transformateur de puissance car la tension du four doit être ajustée entre la fusion et l'affinage. Treize à dix-neuf positions sont typiques et le changeur de prises doit être conçu pour un fonctionnement fréquent sous charge. Certains projets spécifient un commutateur de sélection et un commutateur de dérivation séparés pour une durée de vie des contacts plus longue.

Sélection du système de refroidissement

Les unités petites et moyennes peuvent utiliser un refroidissement naturel par air à huile naturelle ou un refroidissement par air forcé. Les grands fours avec une densité de perte élevée nécessitent souvent un refroidissement forcé par eau et huile. Les systèmes refroidis par eau nécessitent un contrôle strict de la pression : la pression de l'huile doit toujours dépasser la pression de l'eau afin que toute fuite se déplace de l'huile vers l'eau, et non l'inverse.

Aperçu des spécifications

Le tableau ci-dessous donne une gamme générale de paramètres pour la série de transformateurs de four à arc. Les valeurs exactes sont établies lors de la phase de conception de chaque projet.

Notes d'ingénierie pour la sélection

Plage de tension secondaire

La plage de tension secondaire est déterminée par le processus du four et le profil de fusion. Ce n'est pas une valeur fixe. Le concepteur du transformateur travaille avec le constructeur du four pour garantir que la prise la plus basse fournit suffisamment de puissance d'arc pendant l'affinage et que la prise la plus haute ne sollicite pas trop les électrodes pendant la fusion.

Contreventement mécanique

Les forces de court-circuit répétées provoquent un mouvement du bobinage et une usure de l'isolation. La structure de serrage doit maintenir fermement les enroulements sans surcomprimer l'isolation. Certaines conceptions utilisent des tirants précontraints et des plaques de pression à ressort pour maintenir la force de serrage pendant toute la durée de vie du transformateur.

Considérations sur les harmoniques et le facteur de puissance

Les charges du four à arc sont non linéaires et produisent des harmoniques. Le transformateur lui-même n'élimine pas ces harmoniques, mais la conception du bobinage peut inclure une marge thermique supplémentaire pour gérer les pertes supplémentaires. La correction du facteur de puissance est généralement gérée séparément au niveau du bus du four ou au niveau de la sous-station.

Régimes de protection

Les transformateurs de four à arc nécessitent une protection capable de faire la distinction entre les transitoires de fonctionnement normal et les défauts réels. Les relais de surintensité doivent être réglés avec suffisamment de retard pour éviter de se déclencher lors de courts-circuits d'électrodes. La protection différentielle est courante, mais elle doit être coordonnée avec les fréquentes variations de courant du four.

Vérification de la production et de la qualité

Yulan Transformer construit des transformateurs à four à arc dans des conditions de fabrication contrôlées. Les tôles de noyau sont coupées et empilées avec un équipement automatisé. Les enroulements sont enroulés avec des conducteurs transposés si nécessaire et séchés dans un système sous vide en phase vapeur de kérosène après l'assemblage. Le réservoir et les pièces externes en acier sont grenaillés et finis avec un revêtement en poudre pour une durabilité dans les environnements industriels.

Chaque unité est soumise à des tests de routine, notamment la résistance des enroulements, le rapport de tension, la résistance d'isolement, la tenue à la fréquence industrielle, les surtensions induites, la perte à vide, la perte de charge et l'impédance de court-circuit. En raison des conditions de fonctionnement sévères, de nombreux clients demandent également des calculs de tenue aux courts-circuits ou une vérification par essai de type. Les changeurs de prises sont exploités selon une séquence complète avant expédition pour confirmer une commutation fiable.

L'entreprise est certifiée ISO 9001 :2015, ISO 14001 et ISO 45001. Les enregistrements de tests sont archivés par numéro de série et liés aux lots de matériaux et aux enregistrements de production pour la traçabilité.

Questions des opérateurs de fournaises

Comment la plage de tension secondaire est-elle établie ?

Le constructeur du four fournit la courbe de tension requise pour la fusion et l'affinage. Le concepteur du transformateur sélectionne ensuite les positions des prises afin que la puissance de l'arc corresponde aux exigences du processus à chaque étape. La modification de la plage de tension après l'approbation de la conception nécessite généralement de retravailler la disposition des enroulements.

Quelle est la durée de vie attendue d’un transformateur de four à arc ?

Avec un entretien et un fonctionnement appropriés dans les limites de conception, de nombreuses unités restent en service pendant 20 à 30 ans. La durée de vie réelle dépend du nombre de fonctionnements du four par jour, du fonctionnement du changeur de prises et de la qualité de la maintenance du système de refroidissement. Le vieillissement de l’isolation est accéléré par les cycles thermiques fréquents et les vibrations mécaniques.

Un transformateur de four à arc peut-il être utilisé pour le raffinage en poche ?

Dans de nombreux cas, oui, mais le devoir est différent. Les fours d'affinage en poche fonctionnent à une puissance inférieure et à des cycles plus courts, de sorte que les contraintes thermiques et mécaniques sont moins sévères. Un transformateur conçu pour un four de fusion peut être surdimensionné pour le raffinage en poche, mais il peut être utilisé si la plage de tension et l'impédance sont adaptées. L’inverse n’est pas toujours vrai.

Qu’est-ce qui cause le bruit fort pendant le fonctionnement du four ?

Le fort bourdonnement lors de la fusion provient des courants élevés et des forces électromagnétiques qui en résultent dans les enroulements et les conducteurs. Le niveau de bruit est le plus élevé lorsque le courant secondaire atteint son maximum. Un serrage et un support de plomb appropriés réduisent les vibrations, mais certains bruits sont inhérents au fonctionnement du four à arc.

À quelle fréquence l’huile doit-elle être testée ?

Des échantillons de pétrole doivent être prélevés au moins une fois par an pour l’analyse des gaz dissous. En service intensif, des prélèvements plus fréquents peuvent être justifiés, notamment si le transformateur a subi des courts-circuits répétés ou si le système de refroidissement a montré des signes de fuite. Une tendance à la hausse des gaz combustibles indique le développement d’une contrainte d’isolation et doit être étudiée.

Capacité de fabrication

L'installation de production prend en charge la fabrication de transformateurs en four à arc jusqu'à la classe 110 kV. Les ressources disponibles comprennent une capacité de levage de 80 tonnes, un système de séchage sous vide en phase vapeur de kérosène de 400 kW, un système de test d'impulsion de 1 200 kV et un transformateur de test de fréquence industrielle sans décharge partielle de 400 kV. Ces capacités permettent à l'entreprise de gérer de grands assemblages de noyaux et de bobines et d'effectuer les tests diélectriques requis pour le fonctionnement des fours à haute tension.

Pour un projet spécifique, le service technique peut fournir un avant-projet basé sur le schéma unifilaire et les données du four du client. Cela comprend les dimensions estimées, le poids, les calculs de perte et un programme de tension de prise. Contactez Yulan Transformer pour une discussion plus approfondie.