توضیح دهنده‌های ترانسفورماتورهای کوره قوسی: نحوه مشخص‌کردن برای بارهای ذوب فولاد با کوره قوسی AC و DC

تیم مهندسی کارخانهٔ ذوب در جنوب شرق آسیا صفحهٔ نام‌گذاری ترانسفورماتور کوره را به ما ارسال کرد: ظرفیت ۶۰ مگاولت‌آمپر، ولتاژ اولیهٔ ۳۳ کیلوولت، ولتاژ ثانویهٔ ۶۵۰ ولت، امپدانس ۸ درصد و جدول تنظیم با ۲۳ موقعیت. سؤال آن‌ها ساده بود: آیا می‌توانیم همین دستگاه را برای کارخانهٔ ذوب دوم نیز بسازیم؟ صفحهٔ نام‌گذاری کمترین کاربرد را در بستهٔ ارسالی داشت. آنچه ترانسفورماتور کورهٔ قوس الکتریکی را از هر ترانسفورماتوری که در فهرست توزیع موجود است متمایز می‌کند، اصلاً روی این صفحه چاپ نشده است. بلکه بار کاری که زیر آن قرار دارد، آن را متمایز می‌سازد. ترانسفورماتور کوره قوسی از هر ترانسفورماتوری که در فهرست توزیع موجود است متمایز می‌شود، اصلاً روی این صفحه چاپ نشده است. بلکه بار کاری که زیر آن قرار دارد، آن را متمایز می‌سازد.

فولاد در حال حرکت به سمت مسیر الکتریکی است و سرعت این تحول در اعداد مشهود است. در انتشارات وورلداستیل با عنوان فولاد جهانی در اعداد ۲۰۲۵ تولید فولاد خام از طریق کوره‌های الکتریکی در سال ۲۰۲۴ به ۲۹٫۱ درصد از کل فولاد خام جهانی رسیده است. تقسیم‌بندی منطقه‌ای برای خریداران اهمیت دارد: در خاورمیانه، مسیر الکتریکی اکنون از 95.4%فولاد خام را تشکیل می‌دهد، مصر و عربستان سعودی به ۱۰۰ درصد و ایالات متحده آمریکا به ۷۱٫۸ درصد رسیده‌اند. هر تن از این فولادها پیش از تبدیل شدن به فلز، در یک ترانسفورماتور قوس الکتریکی ذوب می‌شود. صفحهٔ بخش آهن و فولاد آژانس انرژی بین‌المللی همان تغییر را از سوی انرژی پیگیری می‌کند.

 

چرا ترانسفورماتور کورهٔ قوس الکتریکی، ترانسفورماتور توزیع بزرگی نیست

ترانسفورماتور توزیع برای تحمل بار و مقاومت در برابر خطاهای الکتریکی طراحی شده است. یک ترانسفورماتور کوره برای کار درون چنین محیطی ساخته شده است. قوس الکتریکی یک اتصال کوتاه کنترل‌شده است: در هر دورهٔ ذوب ده‌ها بار خاموش و دوباره روشن می‌شود، ستون ضایعات فلزی فرو می‌ریزد و الکترودها را اتصال کوتاه می‌کند، و عملیات «بور-این» جریانی را تحریک می‌کند که ترانسفورماتور توزیع تنها در شرایط خطای شدید با آن مواجه می‌شود. در کارگاه ذوب، چنین رویدادی پدیده‌ای غیرعادی نیست؛ بلکه شرایط عادی کار است و هزاران بار در هر دورهٔ تولید رخ می‌دهد.

پروفیل حرارتی نیز به‌همین اندازه متفاوت است. هر دورهٔ ذوب ۳۵ تا ۶۰ دقیقه طول می‌کشد و توان در عرض چند ثانیه بین حدود ۲۰ درصد و حداکثر ظرفیت تنظیم‌شدهٔ ترانسفورماتور نوسان می‌کند؛ بنابراین دمای نقطهٔ داغ سیم‌پیچی دقیقاً با این نوسان همراه می‌شود. استاندارد آی‌ئی‌سی ۶۰۰۷۶-۷، راهنمای باردهی ترانسفورماتورهای قدرتی روغنی، این نوع باردهی را به‌عنوان یک حالت باردهی مستقل — نه شکلی از باردهی عادی — در نظر می‌گیرد.

پارامتر	توزیع / ترانسفورماتور برق استاندارد	ترانسفورماتور کوره قوسی
ولتاژ ثانویه	ولتاژ طراحی ثابت، تنظیمات ±۲ × ۲٫۵٪	پنجرهٔ گسترده، حدود ۳۰۰ تا ۱۱۰۰ ولت در ۱۵ تا ۲۵ موقعیت
جریان ثانویه	معمولاً کمتر از ۳ کیلوآمپر	۲۰ تا ۱۰۰ کیلوآمپر در باسبار
اتصال کوتاه ثانویه	رویدادی طراحی‌شده که یک‌بار اثبات شده است	عملیات عادی، هزاران بار در هر دورهٔ کاری
امپدانس به درصد	4–6%	۶ تا ۱۲ درصد، که توسط محدودیت‌های جریان خطا و پایداری قوس تعیین می‌شود
تغییردهنده گیره	خارج از مدار یا ترانسفورماتور تنظیم‌کننده ولتاژ با بار کم	ترانسفورماتور تنظیم‌کننده ولتاژ با بار بالا، با ده‌ها هزار عملکرد
خنک‌سازی	ONAN یا ONAF	OFAF یا OFWF، اغلب با پمپ‌های روغن پشتیبان

 

 

اعدادی که واقعاً مشخصات را تعیین می‌کنند

پنج مقدار واقعاً کار می‌کنند: ظرفیت بر حسب MVA و ولتاژ اولیه، بازهٔ ولتاژ ثانویه، جریان ثانویه، امپدانس (یا راکتانس کل مدار) و افزایش دما همراه با ردهٔ خنک‌کنندگی آن.

جدول تنظیم‌کننده از تأمین‌کنندهٔ کوره، نه تأمین‌کنندهٔ ترانسفورماتور، دریافت می‌شود و منحنی ذوب را رمزگذاری می‌کند. عملیات حفاری-داخلی در ولتاژ پایین و جریان بالا انجام می‌شود، زیرا الکترودها در ضایعات فلزی دفن شده‌اند و قوس به‌طور مؤثر کوتاه است. هنگامی که قوس پایدار می‌شود، اپراتور به سمت قوسی با طول بیشتر و ولتاژ بالاتر و با بازده حرارتی بهتر، ارتقا می‌یابد. یک گام ۵ ولتی روی ولتاژ ثانویهٔ ۶۰۰ ولتی به‌نظر بی‌اهمیت می‌رسد — کمتر از ۱ درصد ولتاژ — اما ارزش چند صد آمپر جریان ثانویه را در باسبار دارد، و ترانسفورماتور باید هر نقطه‌ای از آن منحنی را در ظرفیت MVA مشخص‌شده تأمین کند.

امپدانس جایی است که نقل‌قول‌ها بیشترین واگرایی را دارند. واحد کوره معمولاً بین ۶ تا ۱۲ درصد مشخص می‌شود که این مقدار بالاتر از ترانسفورماتور توزیع است، زیرا خطاها در سمت ثانویه اغلب رخ می‌دهند و سیم‌پیچ اولین عنصری است که باید این خطاها را محدود کند. اما درصد امپدانس تنها سهم ترانسفورماتور در مدار است. طراح کوره با رآکتانس کل مدار — شامل ترانسفورماتور، باسبار، کابل انعطاف‌پذیر، بازوی الکترود و خود الکترود — کار می‌کند، زیرا این مقدار کلی تعیین‌کنندهٔ پایداری قوس و ضریب توان کوره است. اگر پس از سفارش ترانسفورماتور، طول باسبار را تغییر دهید، نقطهٔ عملیاتی کوره را نیز تغییر داده‌اید.

 

وظیفهٔ اتصال کوتاه واقعی‌ترین عامل تعیین‌کنندهٔ طراحی است

این محاسبات است که تعیین می‌کند ماشین باید چقدر سنگین باشد. در امپدانس ۸ درصدی، اتصال کوتاه صلب در سمت ثانویه تقریباً ۱۲٫۵ برابر جریان نامی سمت ثانویه را می‌کشد . در یک واحد ۴۰ کیلوآمپری، این جریان در باسبار معادل ۵۰۰ کیلوآمپر است. نیروهای الکترومغناطیسی با مجذور جریان رابطه دارند، بنابراین همین اتصال کوتاه نیرویی در حدود ۱۵۰ برابر بار مکانیکی اسمی به پیچش‌ها، فاصله‌دهنده‌های آن و سیم‌های اتصال آن.

ترانسفورماتور توزیع معمولاً یک‌بار برای اثبات توانایی مقاومت در برابر اتصال کوتاه آزمایش می‌شود. اما ترانسفورماتور کوره باید در شرایط عادی کاری خود در برابر اتصال کوتاه مقاومت کند؛ بنابراین طراحی مکانیکی به خودِ پروژه تبدیل می‌شود: فشار یکنواخت بستن در سراسر ستون پیچش‌ها، فاصله‌دهنده‌های پیش‌تنیده، مس سخت‌شده با کار، سیم‌های اتصال تپ با تقویت مکانیکی و قاب هسته‌ای که تحت نیروی محوری ناشی از خطا‌ی نامتقارن جابه‌جا نشود. استاندارد IEC 60076-5 الزامات تحمل اتصال کوتاه را تعیین می‌کند و استاندارد IEEE C57.12.90 روش آزمایش را تعریف می‌کند. هنگامی که تأمین‌کننده نتواند هم پایه‌های طراحی و هم سوابق آزمایش را ارائه دهد، عدد امپدانس به تنهایی اطلاعات چندانی درباره‌ی عمر عملیاتی دستگاه در اختیار شما قرار نمی‌دهد.

در بررسی‌های طراحی داخلی ما، سندی که معمولاً منجر به انجام مجدد کار می‌شود، نمودار امپدانس نیست؛ بلکه نمودار اتصال ثانویه است — جریانی معادل ۴۰ کیلوآمپر یا بیشتر از طریق باسبار لامینه یا کابل خنک‌شونده با آب، و فاصلهٔ پشتیبانی تعیین‌شده در همین نمودار است که در هنگام ضربه، نیروها را از ترمینال‌های پیچش دور نگه می‌دارد.

 

وظایف سیستم خنک‌کننده و تغییردهندهٔ تپ در کارخانهٔ ذوب

خنک‌کنندگی بر اساس بدترین ساعت (نه میانگین ساعت) مشخص می‌شود. روش OFAF با پمپ‌های روغنی افزونه و نشانگرهای جریان روغن، روشی معمول برای واحدهای کوره است و برای توان‌های بالاتر، سیستم OFWF به‌کار گرفته می‌شود. دمای روغن در بالای ترانسفورماتور چند دقیقه با قوس الکتریکی تأخیر دارد؛ به‌همین دلیل، مشخصات کوره معمولاً حسگرهای نقطهٔ داغ فیبرنوری را درون پیچش‌ها تعبیه می‌کنند.

تغییردهندهٔ تپ در دنیایی جدا از روش‌های مورد استفاده در شبکه‌های برق فعالیت می‌کند. یک اپراتور ممکن است در طول یک دورهٔ ذوب، پنج تا پانزده بار تپ را تغییر دهد و یک کارگاه ذوب با دو شیفت، روزانه هشت تا دوازده دورهٔ ذوب انجام می‌دهد — بنابراین ۱۰٬۰۰۰ تا ۳۰٬۰۰۰ عملیات در سال، امری عادی است. از این رو، واحدهای کوره با تغییردهنده‌های جریان‌بُر (دایورتر) با ظرفیت بالا — معمولاً از نوع خلأ — مشخص‌سازی می‌شوند و برنامهٔ نگهداری بر اساس شمارندهٔ عملیات، نه تقویم، تعیین می‌شود. استاندارد IEC 60214-1، استانداردی است که سخت‌افزار بر اساس آن طراحی و آزمایش می‌شود.

مکانیزم‌های سایش تغییردهندهٔ تپ همان مواردی است که در راهنمای ما برای تغییردهنده‌های تپ زیر بار و تغییردهنده‌های تپ غیرفعال بیان کرده‌ایم، با این تفاوت که در کارگاه ذوب، ساعت حدود ده برابر سریع‌تر می‌چرخد و یک تغییردهندهٔ جریان‌بُر که هرگز بازرسی نشود، خاموشی برنامه‌ریزی‌شده‌ای است که منتظر تعیین تاریخ است.

 

 

هارمونیک‌ها، نوسان نور (فلیکر) و مسائلی که ترانسفورماتور نمی‌تواند رفع کند

قوس الکتریکی باری غیرخطی و به‌طور مداوم متغیر است. این قوس هارمونیک‌ها را از مرتبه‌های دوم، سوم، پنجم و هفتم و همچنین هارمونیک‌های بین‌مرتبه‌ای وارد می‌کند و ولتاژ باسبار را در فرکانس‌هایی مدوله می‌سازد که چشم آن را به‌صورت نورپرکنی (فلیکر) درک می‌کند. طراحی ترانسفورماتور در حاشیه کمک می‌کند — سیم‌پیچ دلتا هارمونیک‌های مضرب سه را به‌دام می‌اندازد و حاشیه تراکم شار مغناطیسی از افزایش تلفات و نویز جلوگیری می‌کند — اما هیچ مشخصاتی برای ترانسفورماتور نمی‌تواند فلیکر را حذف کند. این کار باید توسط یک دستگاه SVC یا STATCOM روی باسبار کوره و همچنین یک مطالعه کیفیت توان انجام شود که پیش از سفارش ترانسفورماتور و نه پس از راه‌اندازی آن انجام گیرد.

کوره‌های قوس مستقیم‌جریان (DC) مشکل را جابه‌جا می‌کنند نه اینکه آن را از بین ببرند. قوس از طریق یک یکسوکننده تریستوری تغذیه می‌شود که ترانسفورماتور غوطه‌ور در روغن به‌عنوان ترانسفورماتور یکسوکننده ساخته می‌شود؛ بنابراین طیف هارمونیک‌ها به الگوی مشخص ۶ پالسی یا ۱۲ پالسی تبدیل می‌شود که فیلتر بر اساس آن طراحی شده است. در این حالت، ترانسفورماتور بر اساس طیف مشخصی از جریان‌های هارمونیک مشخص می‌شود نه بر اساس پوشش فلیکر.

 

آنچه پیش از ترک کردن کارخانه توسط ترانسفورماتور کوره بررسی می‌شود

رایان الکتریک از سال ۲۰۰۷ تاکنون ترانسفورماتورها را در یک کارخانه به مساحت ۱۲۰۰۰۰ مترمربع با بیش از ۱۸۰ دستگاه تجهیزات تولیدی و آزمایشی و ۳۷ اختراع ثبت‌شده تولید کرده است و از سال ۲۰۲۳ شریک مشترک اتن است. واحدهای کلاس کوره طراحی‌شده‌اند ترانسفورماتور غوطه‌ور در روغن طراحی‌هایی که بر اساس جدول تنظیمات (تپ) تعیین‌شده توسط مشتری، نه بر اساس رتبه‌بندی کاتالوگ، ساخته می‌شوند؛ همین امر دلیلی است که مهندسان ما پیش از ارائه قیمت، مجموعه اسناد تأمین‌کننده کوره را درخواست می‌کنند.

دنبال‌کردن توالی آزمایش فراتر از فهرست معمول است: اندازه‌گیری نسبت تبدیل در هر موقعیت تنظیم (تاپ)، مقاومت سیم‌پیچ در هر فاز، مقاومت عایقی و شاخص قطبی‌سازی، آزمون تحمل ولتاژ اعمال‌شده و القایی، اندازه‌گیری تخلیه جزئی، اندازه‌گیری امپدانس در هر تاپ (نه فقط در تاپ اسمی)، و آزمایش روغن از نظر ولتاژ شکست، رطوبت و گازهای حل‌شده. در مواردی که مشخصات فنی این امر را الزامی می‌دانند، افزایش دما در تاپ تعیین‌کننده نشان داده می‌شود و دمای هسته و سیم‌پیچ ثبت می‌گردد، نه صرفاً افزایش دمای روغن سطحی. برای پروژه‌هایی که به ایالات متحده آمریکا و کانادا ارسال می‌شوند، گواهی‌نامه‌های UL و CSA توسط یک بازرس مستقل (سوم) اعمال می‌شوند نه توسط بخش کیفیت خودمان، و کارهای آزمایشگاهی تحت اعتباربخشی CNAS قرار دارند.

شایع‌ترین مشکلی که در پرس‌وجوهای مربوط به کوره‌ها مشاهده می‌شود، اصلاً مربوط به رتبه‌بندی نیست. بلکه جدول تنظیم تپ است که با سیستم کنترل الکترود هماهنگ نیست و تا زمان راه‌اندازی گرم کوره — یعنی زمانی که کوره بدون فعالیت ایستاده و زمان‌بندی از پیش بسیار فشرده شده — قابل مشاهده نمی‌شود.

 

مشخص‌کردن ترانسفورماتور کوره قوسی: فهرست چک‌لیست درخواست پیشنهاد قیمت (RFQ)

این موارد را در درخواست خود بگنجانید تا مقایسه فنی منصفانه‌ای صورت گیرد:

• ولتاژ اولیه، فرکانس سیستم (۵۰ یا ۶۰ هرتز) و ظرفیت بر حسب MVA در هر موقعیت تپ

• جدول تنظیم تپ تأمین‌کننده کوره: ولتاژ و جریان در هر موقعیت

• قطر الکترود، محدوده ولتاژ قوس و چیدمان مدار ثانویه

• هدف امپدانس یا رآکتانس کل مدار که طراح کوره بر اساس آن کار می‌کند

• بیشترین جریان اتصال کوتاه قابل پیش‌بینی در قطع‌کننده کوره

• دمای محیط و ارتفاع از سطح دریا در محل ذوب — دمای ۴۵ تا ۵۰ درجه سانتی‌گراد در منطقه خلیج فارس و برخی مناطق جنوب شرق آسیا معمول است

• کلاس خنک‌کنندگی (ONAN، OFAF یا OFWF) و اینکه آیا پمپ‌های روغن پشتیبان مورد نیاز است یا خیر

• نوع تغییردهندهٔ تپ و تعداد عملیات مورد انتظار در سال

• رتبه‌بندی چرخه‌ای: جریان مؤثر (RMS) در هر گرمایش و تعداد گرمایش‌ها در روز

• آزمون‌های مورد نیاز — آزمون گرمایشی، تخلیهٔ جزئی، شواهد اتصال کوتاه، اجرای توالی تپ

• نقشه‌های رابط: عایق‌های فشار بالا یا جعبهٔ کابل، جهت‌گیری جعبهٔ باسبار فشار پایین، موقعیت جعبهٔ مارشالینگ، جهت ورود کابل

• اساس انطباق: سری استاندارد IEC 60076 یا IEEE C57، به علاوهٔ هر گونه گواهی‌نامه‌ای که بازار مقصد مقتضی آن باشد

یک یادداشت خرید وزن بیشتری نسبت به سایرین دارد. ترانسفورماتور کوره یک واحد مهندسی‌شده است؛ بنابراین در مسیر بحرانی کنار پوستهٔ کوره و سیستم کنترل الکترود قرار می‌گیرد. تعیین زودهنگام جدول تپ هیچ هزینه‌ای ندارد؛ اما تسریع در ساخت سیم‌پیچ پس از ثابت‌شدن تاریخ کارگاه ذوب، جایی است که زمان‌های تحویل ترانسفورماتور به تأخیر در راه‌اندازی تبدیل می‌شوند و دامنهٔ حفاظت را ارزان‌تر است بر اساس یک مشخصات حفاظتی تعیین کرد تا پس از ساخت جعبهٔ مارشالینگ.

لطفاً جدول تپ سازندهٔ کوره، قطر الکترود و شرایط محیطی را برای ما ارسال کنید؛ مهندسان ما در عرض یک هفته حداکثر پیشنهادی شامل امپدانس، محدودهٔ تپ‌ها، طبقهٔ خنک‌کنندگی و مقدار تلفات در دو انتهای محدوده، همچنین موقعیت‌های تپی که افزایش دما و امپدانس در آن‌ها تضمین می‌شود را ارائه خواهند داد. ترانسفورماتور کوره قوسی این گفت‌وگو حداکثر یک هفته طول می‌کشد و قطعاً مقرون‌به‌صرفه‌تر از ایستادن بی‌کار کوره است.

درباره نویسنده: این مقاله توسط تیم مهندسی رایان الکتریک (شرکت الکتریک جیانگسو رایان محدود، چین) تهیه شده است؛ شرکتی تولیدکنندهٔ ترانسفورماتور که در سال ۲۰۰۷ تأسیس شد و از سال ۲۰۲۳ شریک مشترک اتن (Eaton) است. مهندسان ما پروژه‌های مطابق با استانداردهای UL، CSA و IEEE را در آمریکای شمالی، جنوب شرق آسیا، خاورمیانه و آفریقا پشتیبانی می‌کنند و آزمایشگاه آزمون ما تحت اعتباربخشی CNAS فعالیت می‌کند. برای انتخاب ترانسفورماتور کوره، بررسی جدول تپ یا دریافت نقل‌قول، با دفتر مهندسی ما تماس بگیرید.