Transformateur de four à arc submergé

Un four à arc submergé (SAF) – également connu sous le nom de four électrique de fusion – est utilisé pour produire des ferroalliages, du carbure de calcium, du silicium industriel et des produits similaires. Son transformateur diffère de celui d'un four à arc électrique standard (EAF) en termes de caractéristiques de charge : dans un SAF, les électrodes sont immergées dans la charge du four et la chaleur est générée principalement par la résistance de la charge elle-même, la décharge en arc jouant un rôle secondaire. Par conséquent, la charge est relativement stable, mais le courant secondaire est extrêmement élevé et le facteur de puissance est faible ; cela nécessite des conceptions spécifiques concernant les plages de régulation de tension et l'impédance.

Yulan Transformer fabrique des transformateurs pour fours à arc submergé avec des capacités allant de 1 000 kVA à 80 000 kVA. Les tensions primaires peuvent supporter 6 kV, 10 kV, 15 kV, 22 kV, 35 kV et 110 kV, tandis que les tensions secondaires et le nombre d'étapes de régulation de tension sont déterminés en fonction du type de four et du matériau spécifique en cours de fusion.

Caractéristiques de charge et de conception

Courant élevé, tension modérée

La tension secondaire d'un SAF varie généralement de 100 V à 300 V, soit plus élevée que celle d'un EAF mais inférieure à celle d'un four à carbure de calcium. Les courants secondaires peuvent atteindre des dizaines de milliers d’ampères ; les enroulements utilisent plusieurs conducteurs parallèles ou conducteurs transposés, et les câbles de sortie sont constitués de barres omnibus en cuivre multicouches.

Faible facteur de puissance

Les variations de la résistance de la charge du four entraînent une charge inductive, le facteur de puissance se situant généralement entre 0,7 et 0,8. La conception du transformateur doit tenir compte des besoins en puissance réactive, et certains projets intègrent des dispositifs de compensation côté système.

Charge relativement stable

Contrairement aux violentes surtensions de court-circuit observées dans les EAF, les SAF subissent des fluctuations de courant plus faibles ; cependant, ils fonctionnent à pleine charge pendant des périodes prolongées, ce qui entraîne une accumulation importante de chaleur. Les enroulements et les noyaux doivent être vérifiés pour détecter toute augmentation de température dans des conditions de fonctionnement continu à courant élevé.

Large plage de régulation de tension

Différentes étapes de fusion nécessitent des tensions différentes ; Le changement de prise en charge (OLTC) implique généralement 13 à 27 étapes, certains grands fours à carbure de calcium en exigeant encore plus. Le changeur de prises doit être capable d'un fonctionnement fréquent et d'une capacité de transport de courant soutenue.

Paramètres techniques

Modèles représentatifs et données de référence

Remarque : La tension primaire peut être conçue entre 6 kV et 110 kV selon les besoins de l'utilisateur, avec les ajustements correspondants de l'impédance et des dimensions externes.

Points forts de la conception

Enroulements et fils

L'enroulement secondaire utilise des conducteurs transposés, avec transposition de plusieurs branches parallèles aux extrémités pour assurer une distribution uniforme du courant. Des barres omnibus en cuivre multicouches sont utilisées pour les sorties, les barres omnibus adjacentes transportant le courant dans des directions opposées afin de réduire le champ magnétique externe. Des borniers de grande surface sont installés sur les parois latérales du réservoir pour minimiser la résistance de contact.

Sélection d'impédance

Les transformateurs de four à arc submergé présentent généralement une impédance plus élevée que les transformateurs de puissance de même capacité pour limiter les courants de court-circuit et améliorer les conditions de fonctionnement du four. Les valeurs spécifiques sont déterminées par le fabricant du four et les concepteurs électriques en fonction de la capacité de court-circuit du réseau et du processus de fusion. Une impédance élevée réduit la puissance d'entrée effective, tandis qu'une faible impédance augmente les fluctuations de courant ; une valeur équilibrée doit être sélectionnée.

Changeur de prises en charge (OLTC)

Les transformateurs de four à arc submergé de grande capacité utilisent presque exclusivement une régulation de tension en charge. Compte tenu de la fréquence élevée des opérations du changeur de prises, il convient de sélectionner un modèle adapté aux commutations fréquentes et d'installer un système de filtration d'huile indépendant. Certains utilisateurs utilisent une combinaison de régulation grossière et fine pour réduire l'usure des contacts du changeur de prises.

Circuit de refroidissement

En raison de la densité de perte élevée, la circulation forcée de l’huile avec refroidissement par eau ou par air est couramment utilisée. Dans les systèmes de refroidissement par eau, la pression de l’huile doit toujours dépasser la pression de l’eau pour empêcher l’eau de s’infiltrer dans l’huile. La sélection du refroidisseur doit tenir compte des pertes harmoniques supplémentaires plutôt que de s'appuyer uniquement sur des calculs basés sur le courant sinusoïdal à fréquence industrielle.

Harmoniques et pertes supplémentaires

Les charges des fours à arc submergé contiennent des harmoniques ; par conséquent, des marges de conception doivent être incluses pour les sections transversales des conducteurs et le blindage des composants structurels. Un blindage magnétique ou électrique est installé sur les parois internes du réservoir pour réduire les pertes parasites et les risques de surchauffe locale.

Fabrication et vérification

Yulan Transformer fabrique des transformateurs pour fours électriques depuis 1999, fournissant des transformateurs SAF à des industries telles que les ferroalliages, le carbure de calcium et le silicium industriel. L'entreprise est équipée d'une capacité de levage de 80 tonnes, d'un système de séchage sous vide en phase vapeur de kérosène de 400 kW, d'un équipement de test d'impulsion de 1 200 kV et d'un transformateur de test à fréquence industrielle sans décharge partielle de 400 kV. Ces installations permettent le traitement de l'isolation et la vérification en usine des transformateurs SAF évalués à 110 kV et moins. Avant de quitter l'usine, chaque unité est soumise à une série de tests, notamment la résistance CC des enroulements, le rapport de tension, la résistance d'isolement, la tension de tenue à fréquence industrielle, la tension de tenue induite, la perte à vide, la perte de charge, l'impédance de court-circuit et les tests de cycle de fonctionnement pour le changeur de prises en charge. 

Questions et réponses sur la sélection

Q : Les transformateurs de four à arc submergé et les transformateurs de four à arc électrique (EAF) peuvent-ils être interchangés ?

Généralement, ils ne peuvent pas être directement échangés. Les charges des fours à arc submergé sont relativement stables et leurs caractéristiques de régulation d'impédance et de tension diffèrent de celles des EAF. Les transformateurs EAF sont conçus pour résister à des chocs de court-circuit fréquents, tandis que les transformateurs de four à arc submergé sont conçus pour un fonctionnement continu à courant élevé. L'interchangeabilité nécessite une revérification de l'impédance, de l'échauffement et de la résistance mécanique.

Q : Un nombre plus élevé d’étapes de régulation de tension est-il toujours préférable ?

Pas nécessairement. Un nombre plus élevé d'étapes de tension permet une régulation de tension plus fine et une meilleure adaptation aux différentes étapes de fusion ; cependant, cela entraîne des coûts plus élevés pour le changeur de prises et une augmentation de la taille physique de la cuve du transformateur. Généralement, 19 étapes suffisent pour les fours à ferro-alliages, alors que les fours à carbure de calcium peuvent nécessiter 27 étapes ou plus. La configuration finale est déterminée par les exigences spécifiques du processus du four.

Q : Pourquoi les transformateurs de four à arc submergé (SAF) ont-ils une impédance plus élevée que les transformateurs de puissance standard ?

Les fluctuations de la résistance de charge du four peuvent provoquer des surtensions ; une impédance plus élevée limite les courants de pointe et stabilise les conditions de fonctionnement du four. De plus, la haute impédance réduit les courants de court-circuit, protégeant ainsi les enroulements. Alors que les transformateurs de puissance standard ont généralement des valeurs d'impédance de court-circuit comprises entre 4 % et 6 %, les transformateurs SAF varient généralement entre 6 % et 15 %.

Q : Quels sont les avantages de sélectionner une tension primaire de 110 kV ?

Pour les transformateurs SAF de grande capacité, la connexion à une tension primaire inférieure entraînerait des courants primaires excessivement élevés, imposant une charge excessive sur l'appareillage de commutation et le câblage. Une valeur nominale de 110 kV réduit le courant primaire et réduit les pertes en ligne, ce qui la rend adaptée aux projets d'une capacité supérieure à 20 000 kVA. Cependant, ce choix entraîne des coûts d’isolation plus élevés et un encombrement plus important, nécessitant une évaluation complète.

Q : Quels sont les points clés pour l’entretien quotidien du système de refroidissement par eau ?

Surveiller régulièrement la différence de pression entre les circuits d'huile et d'eau ; la pression de l'huile doit rester supérieure à la pression de l'eau. L'accumulation de tartre dans le refroidisseur nuit à la dissipation de la chaleur. Les programmes de nettoyage doivent donc être déterminés en fonction de la qualité de l'eau. Le système de refroidissement doit être activé avant le démarrage du transformateur et doit continuer à fonctionner pendant un certain temps après l'arrêt du transformateur.