Transformadores de forno elétrico a arco

Durante o processo de fundição do forno elétrico a arco (EAF), a impedância dentro do forno flutua drasticamente, com curtos-circuitos alternados nos eletrodos e interrupções do arco; conseqüentemente, os surtos de corrente experimentados pelo transformador excedem em muito aqueles encontrados pelos transformadores de potência convencionais. A Yulan Transformer fabrica transformadores para fornos elétricos a arco desde 1999; sua série de transformadores EAF varia de 1.000 kVA a 80.000 kVA, suportando tensões primárias de 6 kV, 10 kV, 15 kV, 22 kV, 35 kV e 110 kV, enquanto as tensões secundárias são personalizadas com base em tipos de fornos e processos de fundição específicos.

Características das cargas do forno elétrico a arco

As condições de operação dos transformadores de fornos elétricos a arco (EAF) diferem significativamente daquelas dos transformadores de distribuição padrão ou de potência. Durante a fase de fusão da carga, a corrente flutua acentuadamente; as correntes secundárias podem atingir duas a três vezes o valor nominal durante curtos-circuitos nos eletrodos – eventos que, embora breves, ocorrem com frequência. Os enrolamentos e núcleos devem suportar essas forças eletromagnéticas repetitivas, e as estruturas de fixação, bem como os suportes de isolamento, devem ser verificados em relação a essas condições.

As tensões secundárias são relativamente baixas – normalmente variando de 100 V a 800 V – enquanto as correntes secundárias podem atingir dezenas de milhares de amperes. Conseqüentemente, os enrolamentos de baixa tensão (lado da válvula) utilizam múltiplos condutores paralelos ou condutores transpostos, os cabos de saída consistem em barramentos de cobre e os terminais de grande área superficial são montados na parede do tanque.

A impedância de curto-circuito foi projetada para ser maior que a dos transformadores padrão para limitar as correntes de curto-circuito e estabilizar o arco. Os valores de impedância normalmente variam de 6% a 12%, sendo necessários valores ainda mais altos para alguns transformadores de fornos de grande capacidade. A impedância excessiva reduz a entrada de energia no forno, enquanto a impedância insuficiente torna difícil resistir a surtos de curto-circuito; portanto, o projeto deve ser cuidadosamente adaptado ao processo de fundição específico.

Métodos de configuração comuns

Sem reator em série

Usado em aplicações onde a rede elétrica tem capacidade de curto-circuito suficiente e o forno apresenta características de impedância estáveis. Essa configuração oferece um design de sistema simples, tamanho de equipamento compacto e custos de investimento mais baixos. É a escolha padrão para a maioria dos transformadores de fornos elétricos a arco de pequena e média capacidade.

Com reator em série

Um reator é conectado em série no lado primário ou secundário do transformador para limitar ainda mais a corrente de curto-circuito e aumentar a estabilidade do arco. O reator ajuda a mitigar o impacto na rede elétrica, especialmente quando a rede está fraca ou durante os estágios iniciais de operação, quando ocorrem colapsos frequentes de carga. O reator pode ser integrado ao tanque do transformador ou instalado como uma unidade autônoma. Um design integrado economiza espaço, mas é menos conveniente de manter do que uma unidade externa.

Especificações típicas

Os dados a seguir são compilados a partir de registros de unidades produzidas em lote e não representam a gama completa de fornecimento. Os parâmetros para projetos específicos estão sujeitos ao acordo técnico.

Transformador de forno a arco com mudança de derivação em carga de alta capacidade

Nota: Entre os estágios de regulação de tensão, os primeiros cinco estágios fornecem saída de potência constante, enquanto os estágios subsequentes fornecem saída de corrente constante. A faixa de potência constante é usada durante a fase inicial de fusão e a faixa de corrente constante é usada durante a fase de refino.

Modelos representativos da série 6–10 kV (sem reatores)

Modelos representativos da série de reatores de 6–10 kV

Modelos representativos da série 20–35 kV

Nota: A tensão primária pode ser projetada como 60 kV ou 110 kV de acordo com os requisitos do usuário; nesses casos, a impedância de curto-circuito e as dimensões externas serão ajustadas em conformidade.

Principais parâmetros de design

Regulação de tensão em carga

Os transformadores de fornos elétricos a arco (EAF) são normalmente equipados com comutadores de derivação em carga (OLTCs) para cobrir os diferentes requisitos de tensão dos estágios de fusão e refino. A faixa de regulamentação geralmente abrange de 13 a 19 etapas, embora alguns projetos exijam mais. A regulação sob carga exige a alocação de espaço dentro do tanque do transformador para o comutador de derivação e a contabilização do fluxo de óleo e da dissipação de calor durante as operações de comutação.

Seleção de impedância de curto-circuito

Os valores de impedância influenciam diretamente a estabilidade do arco e o pico da corrente de curto-circuito. A alta impedância ajuda a limitar surtos de curto-circuito, mas reduz a potência de entrada efetiva; baixa impedância tem o efeito oposto. As especificações de impedância são normalmente determinadas em conjunto pelo fabricante do forno e pela equipe de projeto elétrico, com o fabricante do transformador ajustando os arranjos dos enrolamentos e o controle do fluxo de fuga para atender aos valores alvo.

Métodos de resfriamento

Unidades de pequena capacidade geralmente utilizam resfriamento automático imerso em óleo ou resfriamento a ar. Devido à alta densidade de perdas, as unidades de grande capacidade geralmente empregam resfriamento por ar forçado com óleo forçado (OFAF) ou água forçada com óleo forçado (OFWF). Os sistemas de refrigeração a água devem garantir que a pressão do óleo permaneça sempre superior à pressão da água para evitar que a água entre no óleo em caso de vazamento.

Terminais Secundários

Dadas as altas correntes secundárias, a seção transversal, o espaçamento e a estrutura de suporte dos barramentos de cobre de saída requerem um projeto especializado. Algumas unidades de grande capacidade utilizam uma configuração de paralelo inverso em fase, onde barramentos adjacentes transportam correntes em direções opostas; isso reduz os campos magnéticos externos e o aquecimento nos componentes estruturais.

Fabricação e testes

Os enrolamentos utilizam condutores transpostos ou múltiplos condutores paralelos para garantir distribuição uniforme de corrente. Após a montagem, a parte ativa passa por secagem a vácuo em fase de vapor de querosene para remover umidade e gases dos materiais de isolamento. Tanques e componentes estruturais passam por jateamento para remoção de ferrugem seguido de pintura a pó para atender aos padrões ambientais industriais.

Os testes de aceitação de fábrica incluem medições de resistência DC do enrolamento, relação de tensão, resistência de isolamento, tensão suportável de frequência de energia, tensão suportável induzida, perda sem carga, perda de carga e impedância de curto-circuito. Dadas as condições operacionais únicas dos transformadores EAF, a verificação do tipo através de testes repentinos de curto-circuito – ou o fornecimento de relatórios de cálculo de acordo com as necessidades do usuário – também é necessária. Os comutadores em carga passam por testes de ciclo operacional antes do envio para verificar a confiabilidade da comutação. A empresa possui certificações ISO 9001:2015, ISO 14001 e ISO 45001; os dados de teste são arquivados por número de série, garantindo a rastreabilidade até os lotes de matéria-prima e os principais registros do processo.

Perguntas frequentes

P: Em que circunstâncias é necessário um reator em série?

Um reator em série ajuda a limitar surtos e estabilizar o arco quando a capacidade de curto-circuito da rede elétrica é relativamente baixa ou quando colapsos freqüentes de material durante os estágios iniciais de operação do forno causam correntes de curto-circuito excessivas. Se a rede for suficientemente robusta e o projeto do forno estiver maduro, o reator poderá ser omitido para simplificar o sistema. A decisão final é tomada pela equipe de projeto elétrico com base em cálculos de curto-circuito.

P: É melhor ter mais etapas de regulação de tensão em carga?

Não necessariamente. Embora mais etapas permitam uma regulação de tensão mais precisa e uma melhor correspondência com diferentes estágios de fundição, elas também aumentam o custo do comutador de derivação e o tamanho do tanque de óleo. Normalmente, 13 a 19 etapas atendem às necessidades da maioria dos fornos elétricos a arco; configurações que excedem 25 etapas são raras.

P: Por que a impedância de curto-circuito de um transformador de forno elétrico a arco é maior do que a de um transformador padrão?

Curtos-circuitos nos eletrodos ocorrem frequentemente durante a operação do forno elétrico a arco; a alta impedância limita o pico da corrente de curto-circuito e reduz o impacto nos enrolamentos e na rede elétrica. Embora os transformadores padrão normalmente tenham uma impedância de curto-circuito de 4% a 6%, os transformadores de forno a arco geralmente variam de 6% a 12%, com alguns tipos de fornos especializados indo ainda mais alto.

P: Por que a tensão secundária é tão baixa?

Os fornos elétricos a arco geram calor por meio da resistência do arco, e a tensão do arco em si é relativamente baixa – geralmente variando de algumas dezenas a algumas centenas de volts. A tensão secundária do transformador deve corresponder à tensão do arco; portanto, o valor do projeto é muito inferior ao do lado primário. Por outro lado, a corrente secundária é extremamente alta devido aos requisitos de energia.

P: Quais são os pontos-chave para a manutenção diária da circulação forçada de óleo e do sistema de refrigeração de água?

A pressão do óleo deve sempre exceder a pressão da água para que qualquer vazamento flua do lado do óleo para o lado da água, evitando que a água entre no óleo do transformador. Inspecione regularmente os refrigeradores quanto a incrustações e programe a limpeza com base na qualidade da água. O sistema de refrigeração deve ser iniciado antes do transformador e continuar funcionando por um período após o desligamento do transformador. Experiência em engenharia e escopo de fornecimento

Yulan Transformer tem ampla experiência no fornecimento de volume de transformadores de fornos elétricos, cobrindo vários tipos de fornos, como fornos de arco elétrico padrão, fornos de refino panela e fornos de arco submerso. Nossas instalações de fabricação possuem uma capacidade de elevação de 80 toneladas, um sistema de secagem a vácuo de fase de vapor de querosene de 400 kW, equipamento de teste de impulso de 1.200 kV e um transformador de teste de frequência de energia sem descarga parcial de 400 kV, o que nos permite atender aos requisitos de fabricação e testes de aceitação de fábrica para transformadores de fornos elétricos a arco classificados em 110 kV e abaixo.

Fornecemos soluções de projeto personalizadas com base em diagramas de sistema primário e parâmetros de forno fornecidos pelo cliente para projetos com tensões primárias variando de 6 kV a 110 kV e capacidades de 1.000 kVA a 80.000 kVA. Entre em contato com o departamento técnico do Yulan Transformer para obter desenhos, estimativas de peso ou cálculos de perda para modelos específicos.