電弧爐（electric arc furnace）利用電極電弧產(chǎn)生的高溫熔煉礦石和金屬的電爐。氣體放電形成電弧時能量很集中，弧區(qū)溫度在3000℃以上。對于熔煉金屬，電弧爐比其他煉鋼爐工藝靈活性大，能有效地除去硫、磷等雜質(zhì)，爐溫容易控制，設(shè)備占地面積小，適于優(yōu)質(zhì)合金鋼的熔煉。

電弧爐開關(guān)應(yīng)用非常專業(yè)。電弧爐應(yīng)用的特殊問題是：

1. 機(jī)械操作次數(shù)多

2.諧振電壓現(xiàn)象。

大量機(jī)械操作

在電弧爐的正常操作下，當(dāng)對熱量的需求減少時，通常將電極從電弧爐中取出。因此，斷路器的開關(guān)操作是空載或輕載操作，因此觸點(diǎn)腐蝕通常不是問題。即使工廠選擇在電極撤出之前切換斷路器，觸點(diǎn)腐蝕仍然是最小的。

但是，每天的操作次數(shù)非常多。電弧爐開關(guān)斷路器每天要進(jìn)行 30 到 50 次操作并不少見，特殊情況下每天要進(jìn)行 150 次操作。

這個操作次數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了 ANSI/IEEE C37.06 對“通用”斷路器所要求的機(jī)械耐久性。例如，根據(jù) ANSI/IEEE C37.06-2009，38 kV 室內(nèi)斷路器的額定機(jī)械壽命為 1,500 次操作。電弧爐應(yīng)用僅需 30 至 50 天即可達(dá)到通用 38kV 斷路器的 ANSI 機(jī)械耐久性極限。類似地，15 kV 級斷路器的 ANSI 限制對于大多數(shù)斷路器（高達(dá) 31.5 kA 中斷）為 10,000 次操作，對于 15 kV 50 kA 斷路器為 5,000 次。即使斷路器具有 10,000 次操作的機(jī)械耐久性能力，電弧爐應(yīng)用也能在大約 6 到 10 個月內(nèi)達(dá)到斷路器的耐久性。

當(dāng)然，維護(hù)備用抽出式斷路器元件并在需要維護(hù)或檢修時將有源斷路器更換為備用斷路器也很容易。然而，這是昂貴的并且照顧斷路器，但忽略了開關(guān)設(shè)備結(jié)構(gòu)中的斷路器隔室?；瑒又鲾嚅_觸點(diǎn)與結(jié)構(gòu)安裝的機(jī)械操作單元 (MOC) 開關(guān)一樣具有有限的耐用性。根據(jù) ANSI 標(biāo)準(zhǔn)，MOC 開關(guān)的機(jī)械耐久性極限為 1,500（38 kV）或 10,000（大多數(shù)15 kV 額定值）或 5,000（15 kV 50 kA）操作，以符合 ANSI 對斷路器的要求。

從這個關(guān)于操作數(shù)的討論中應(yīng)該清楚幾點(diǎn)：

通用斷路器不適用于電弧爐開關(guān)所涉及的大量操作，如果使用抽出式斷路器，則相關(guān)的開關(guān)設(shè)備不應(yīng)配備固定結(jié)構(gòu)安裝的 MOC 開關(guān)。

因此，應(yīng)使用專用的固定式斷路器來執(zhí)行電弧爐變壓器的常規(guī)開關(guān)。電弧爐專用斷路器的額定開斷電流為 31.5 kA 或 40 kA，分開斷電壓高達(dá) 38 kV，設(shè)計用于在典型操作條件下總使用壽命為 120,000 次操作，每隔 30,000 次操作進(jìn)行大修。每運(yùn)行 10,000 次就需要定期維護(hù)，主要包括清潔和潤滑。大修，每隔 30,000 次操作，需要更換真空斷路器和其他幾個元件，例如彈簧加載電機(jī)、輔助開關(guān)、閉合和跳閘線圈以及類似物品。

諧振電壓現(xiàn)象

瞬態(tài)電壓現(xiàn)象是必須考慮的第二個主要問題。電弧爐變壓器應(yīng)安裝在靠近電弧爐的拱頂內(nèi)。變壓器庫中一次設(shè)備之間的連接是常開母線，并安裝在大尺寸的隔離絕緣子上。

變壓器代表一個巨大的電感和極小的相地電容。如果發(fā)生開關(guān)瞬變，將在斷路器和變壓器端子之間引起電壓瞬變。瞬態(tài)幅度是變壓器鐵芯中俘獲的磁能、變壓器的電感以及斷路器和變壓器之間的電容的函數(shù)。

困在變壓器鐵芯中的磁能會非常大。斷路器和變壓器之間的電容量非常小。當(dāng)變壓器鐵心（電感）中捕獲的磁能轉(zhuǎn)移到斷路器和變壓器之間的電容時，電容上產(chǎn)生的電壓必須非常非常高，以匹配捕獲的能量。由于電感量級很高而電容量級極低，因此電感和電容之間能量交換的固有頻率會很高。

變壓器不喜歡承受具有極快上升時間的電壓瞬變，因此變壓器的前幾匝絕緣將受到壓力，可能超出其設(shè)計能力。

大型電弧爐變壓器可以表示為具有分布電容和分布電感的網(wǎng)絡(luò)。當(dāng)初級斷路器（電弧爐斷路器）接通（閉合）時，當(dāng)斷路器觸點(diǎn)接近觸點(diǎn)接觸點(diǎn)時，將啟動預(yù)觸發(fā)合閘瞬變。當(dāng)觸點(diǎn)間隙變得足夠?。ㄔ谡婵諗嗦菲髦行∮?nbsp;2 毫米）時，觸點(diǎn)兩端的電壓可能會超過觸點(diǎn)間隙的介電耐受性，如果是這樣，在實(shí)際接觸接觸之前，觸點(diǎn)之間會產(chǎn)生電弧.這種預(yù)擊閉瞬態(tài)是所有開關(guān)的技術(shù)特征，無論是氣磁、油、SF6 還是真空。預(yù)擊穿關(guān)閉瞬態(tài)包括高頻分量。如果預(yù)擊穿閉合瞬態(tài)中的頻率之一恰好與變壓器容感網(wǎng)絡(luò)的諧振頻率重合，則會產(chǎn)生諧振電壓波。當(dāng)該波穿過變壓器繞組時，它可能會將繞組的特定區(qū)域暴露于超出設(shè)計能力的電壓應(yīng)力。變壓器故障是可能的后果。電弧爐變壓器是一項(xiàng)重大投資，應(yīng)非常小心地管理電壓瞬變，以防止變壓器故障。

可能發(fā)生的電壓瞬變是預(yù)擊穿閉合瞬變與變壓器電容-電感網(wǎng)絡(luò)（以及在一定程度上與系統(tǒng)）之間相互作用的結(jié)果。對諧振電壓現(xiàn)象的敏感性取決于電纜的長度及其特性（相導(dǎo)體的布置、絕緣類型、橫截面、屏蔽接地方法等）。

為了保護(hù)系統(tǒng)免受諧振電壓現(xiàn)象的影響，電壓瞬態(tài)研究必須對斷路器和變壓器之間的導(dǎo)體布置進(jìn)行建模，以正確反映電容元件。電壓瞬態(tài)研究，可以確定電壓瞬變的類型、額定值和位置

緩解要素。

在討論諧振電壓現(xiàn)象時必須強(qiáng)調(diào)幾點(diǎn)：

斷路器應(yīng)盡可能靠近電弧爐變壓器，較好在變壓器保險庫內(nèi)。斷路器和電弧爐變壓器之間的連接較好使用空氣中的開放母線而不是使用屏蔽電纜。這將高電感變壓器、電壓瞬變緩解設(shè)備和斷路器都放置在非常接近的位置，并較大限度地減少了較遠(yuǎn)的組件的影響

對于電弧爐開關(guān)應(yīng)用，無論采用何種開關(guān)技術(shù)，都需要進(jìn)行瞬態(tài)電壓研究以確定必要的保護(hù)元件（例如避雷器、高頻接地母線和/或 RC 元件）的類型、額定值和位置減輕電壓瞬變問題 由于用于電弧爐變壓器常規(guī)開關(guān)的斷路器應(yīng)直接位于電弧爐變壓器附近，因此從電弧爐斷路器連接到上游電源的電纜應(yīng)受保護(hù)傳統(tǒng)的抽出式斷路器或室外斷路器。

該上游斷路器應(yīng)僅用于為電弧爐斷路器的電纜通電和斷電，而不應(yīng)為電弧爐變壓器本身通電和斷電。應(yīng)設(shè)置上游斷路器的保護(hù)，為電纜提供短路保護(hù)，為電弧爐變壓器和相關(guān)的直連電弧爐變壓器斷路器提供后備過流保護(hù)。

電弧爐總結(jié)和建議

考慮到前面與電弧爐應(yīng)用相關(guān)的討論，我們建議如下：

開關(guān)柜的電弧爐變壓器饋線斷路器應(yīng)為常規(guī)抽出式斷路器或戶外斷路器，用于電弧爐及其相關(guān)專用斷路器的后備保護(hù)，而不是電弧爐的日常投切

電弧爐變壓器應(yīng)通過專用的固定式專用斷路器進(jìn)行常規(guī)開關(guān)，位于變壓器庫中電弧爐變壓器與其相關(guān)的常規(guī)開關(guān)斷路器之間的連接應(yīng)通過開放的母線來最小化電容。

瞬態(tài)電壓研究應(yīng)由有能力進(jìn)行高頻瞬態(tài)電壓研究的組織進(jìn)行。該研究必須確定瞬態(tài)電壓現(xiàn)象的暴露情況，包括諧振電壓暴露，進(jìn)而確定適當(dāng)?shù)碾妷核矐B(tài)緩解元件（RC 網(wǎng)絡(luò)、高頻接地總線和/或避雷器）的類型、額定值和位置）。