INDUCTIVE REACTANCE OF THE EAF CIRCUIT AND EMPLOYMENT OF
SERIES REACTORS(1)
L. R. Jaccard(2)
ABSTRACT
Commonly, it is considered that the only way to stabilize the arc and,
also, to reduce the EAF short circuit currents is the installation of a series
reactor. But, as a matter of fact, the arc stabilization depends only on power
factor and the short circuit currents do not depend exclusively on the circuit
reactance but also on the applied voltage ( Imax ; V / X ).
The truth is that to operate the furnace with a stable arc during the
beginning of the scrap melting period it is necessary to maintain a low power
factor ( 0,65 to 0,75 ). And, in order to obtain these
low P.F.´s, the V / ( I . X )
relation must be lower than a certain value, leading to conclude that to obtain
the arc stability with a certain V / I relation the circuit reactance must be
higher than a minimum determined value. But, it is also true, that for a
certain reactance value it is possible to stabilize the arc lowering the
voltage or increasing the current.
If the V / ( I . X ) value
is too high, the power factor is also high and the arc becomes too much
unstable causing a strong active power reduction.
The operation with high voltages is recommended to obtain low electrode
consumption. And, to stabilize the arc with high V / I relations during the
melting stage, the circuit reactance shall be high enough to reduce the power
factor to convenient values ( 0,65 to 0,75 ). In some
cases, to attain the ideal reactance value, a series reactor must be installed.
The opposite situation is the operation with low voltages, recommended to obtain
low refractory erosion, which needs a low circuit reactance.
Key words: reactor, reactance, arc stability, power factor, arc furnace.
( 1 ) Technical contribution to be
presented at the XXXIX Steelmaking
Seminar –
International –
( 2 ) Electrical Engineer – Electric Arc Furnaces
Adviser / Luis R. Jaccard /
REATÂNCIA
INDUTIVA DO CIRCUITO DO FORNO A ARCO E APLICAÇÃO DE REATORES
SÉRIE(1)
Luis
Ricardo Jaccard(2)
INTRODUÇÃO
É
comum considerar que a instalação de reatores é a única forma de estabilizar o
arco e reduzir as correntes de curto-circuito do forno. Na realidade, a
estabilização do arco depende apenas do cosseno fi operacional e as correntes
de curto-circuito não dependem somente da reatância do circuito mas também da
tensão aplicada ( Imáx ;
V / X ).
O
certo é que para operar o forno com arco estável durante o inicio do período de
fusão de uma carga de sucata é necessário manter um fator de potência baixo (
0,65 a 0,75 ). E, para obter esses baixos valores de cosseno fi é preciso
manter a relação V / ( I . X ) abaixo de determinado valor, concluindo-se que
para obter a estabilidade do arco, com determinada relação V / I, é necessário
que o circuito possua uma reatância X superior a determinado valor.
Mas,
também é verdade que para determinada reatância é possível estabilizar o arco diminuindo
a tensão ( V ) ou aumentando a corrente ( I ).
Se
o valor de V / ( I . X ) é demasiado alto, o cosseno fi também é elevado (
porque sen fi ; I . X / V ), o arco se torna muito
instável e a potência ativa do forno cai fortemente.
A
vantagem de operar com altas tensões é a obtenção de menores consumos de
eletrodos e, para operar na fusão de sucata com altas relações V / I e arco
estável, e assim poder usufruir dos baixos consumos de eletrodos, é necessário
que o circuito possua reatâncias relativamente altas, precisando, em muitos
casos, da instalação de um reator em série. Do lado oposto, para reduzir os
índices de erosão de refratários precisa-se de tensões mais baixas e correntes
mais elevadas, sendo preferível que a reatância do circuito seja baixa.
Palavras-chave:
Reator, reatância, estabilidade
de arco, fator de potência, forno a
arco.
( 1 )
Trabalho a ser apresentado no XXXIX Seminário de Aciaria - Internacional a
ser realizado em Curitiba - PR -
Brasil, de 12 a 16 de maio de 2008.
( 2 )
Engenheiro Eletricista – Luis R. Jaccard / Consultoria sobre Fornos a Arco e
Sistemas Elétricos.
HISTÓRICO DA UTILIZAÇÃO
DE REATORES
Até
os anos 60, a grande maioria dos fornos operava com reator série. O motivo disto
era a baixa potência ( 1 a 5 MVA ) utilizada nessa época. Um forno de, por
exemplo, 10 toneladas, com um transformador de 2,5 MVA, operava geralmente com
aproximadamente 200 V ( a tensão era escolhida entre 120 V e 240 V porque estes
eram os valores considerados normais nessa época e não por razões de
conveniência operativa ). Apesar da tensão de 200 V parecer muito baixa nos
dias de hoje, esse valor, em um forno de baixa potência, podia provocar uma
relação V / I superior à utilizada atualmente nos fornos modernos. No exemplo
anterior, a corrente era de 7,2 kA y a relação V / I era de 200 V / 7,2 kA = 28
V / kA. Em casos como este, era necessário instalar reatores série para aumentar
a reatância do circuito e estabilizar o arco.
Nos
anos 70, para poder utilizar altas potências sem danificar o refratário foi
implantada a operação com baixas relações V / I. Um exemplo típico dessa época
poderia ser um forno de 48 MVA operando com 520 V e 53 kA, neste caso: V / I = 520 V / 53 kA = 9,8 V / kA.
Para casos como este, o ideal era que o circuito fosse de baixa reatância e,
por esse motivo, não era conveniente instalar reatores. A grande desvantagem
desse tipo de operação ( chamada UHP ou ultra alta potência ) era o alto
consumo de eletrodos ( 5 kg/t )
provocado pelas baixas tensões de arco.
No
final dos anos 80 começaram a ser instalados os fornos que foram chamados de alta
reatância ( 1 ) e que operavam com relações V / I elevadas. Por exemplo, um forno
de 48 MVA, como o do exemplo anterior, era modificado para operar com 900 V e 31 kA, relação V / I = 29 V / kA. As
altas tensões utilizadas permitiam a operação com baixos consumos de eletrodos
( 2 kg/t ) e, pelo fato das potências não serem demasiado elevadas, as
correntes eram baixas e as relações V / I eram altas, obrigando à instalação de
reatores para poder estabilizar o arco durante a fusão.
A
partir dos anos 90 e até a atualidade foram instalados muitos fornos com
transformadores de 100 a 120 MVA e tensões de 1000 V a 1300 V. Para estes
fornos, em geral, os aumentos da tensão foram baixos se comparados com os
aumentos da potência e, como conseqüência, a necessidade de reator, em certos
casos, desapareceu. Por exemplo, para um forno que operava com 100 MVA, 1000 V e 58 kA, sem SVC, a reatância existente
no circuito podia ser suficiente para obter os baixos cossenos fi necessários
para estabilizar o arco durante a fusão, sem necessidade do reator série.
COMPARAÇÃO DA OPERAÇÃO
DOS FORNOS DE ALTA REATÂNCIA COM OS DE BAIXA REATÂNCIA
Observe-se
que a necessidade de operar com baixos cossenos fi ocorre unicamente durante a
fusão da sucata, especialmente no período de penetração do eletrodo na sucata e
no inicio da fusão quando as peças de sucata caem próximas aos eletrodos. No
final da fusão e, especialmente, no período de operação com escória espumante,
o arco é sempre estável, independentemente do valor do cosseno fi. Por esse
motivo, um forno pode ser operado nos primeiros minutos com tensões elevadas e
reatâncias elevadas e, no final, com tensões elevadas e reatâncias baixas. As
tensões mais elevadas são convenientes para obter baixos consumos de eletrodos
e, por esse motivo, nos fornos que processam um alto porcentual de sucata é
necessário, as vezes, utilizar altas reatâncias durante a fusão, entanto que no
caso dos fornos que operam com alto porcentual de ferro esponja carregado
continuamente, pode ser conveniente operar com tensões um pouco mais baixas
durante o curto período da fusão, sem necessidade de reator, e aproveitar a menor reatância durante o
período final, quando é possível operar com altas tensões e altos cossenos fi (
maior tensão de arco, menor consumo de eletrodos e maior potência ), sem que
ocorra instabilidade de arco.
Outra
possibilidade, que é mais justificável nos fornos que operam com alto
porcentual de sucata, é instalar reatores com reatância variável para operar
com altas reatâncias no inicio da fusão e baixas reatâncias no final de fusão.
CÁLCULO DAS REATÂNCIAS E
DOS REATORES, EXEMPLOS
Faremos
uma estimativa das reatâncias necessárias para operar corretamente durante o
período de fusão de sucata.
Admitamos
que se deseje operar no inicio da fusão com um cosseno fi de 0,707 ( não é uma regra fixa ) e que a
reatância operacional para essa condição seja igual a 1,25 vezes a reatância
senoidal do circuito ( 2 ). Nesse caso, a reatância necessária para obter o
cosseno fi 0,707 será:
X necessária = V . sen fi / ( 1,73 . I
. 1,25 ) = ( V / I ) . 0,707 / ( 1,73 . 1,25 ) = 0,32 . V / I
Para
calcular o valor do reator série precisamos conhecer, além do valor da
reatância necessária, a reatância total existente no circuito:
X reator = X necessária – X existente
A
reatância existente é igual à soma de todas as reatâncias do circuito ( reatância
da rede + reatância do transformador da subestação + reatância do transformador
do forno + reatância do forno ). Aqui existe uma pequena complicação para quem
não está familiarizado com circuitos elétricos, que é o cálculo das reatâncias
do circuito para cada valor de tensão secundária. Vamos obviar isto, para
explicar melhor o conceito, e considerar um sistema típico com uma reatância
total de 6,0 mOhms referida ao secundário ( inclui 3,5 mOhm do forno + 1,0 mOhm
do transformador do forno + 1,5 mOhm do transformador da subestação e da rede ).
Neste
caso: X´´ reator = X necessária – 6,0 mOhm = 0,32 x ( V / I ) – 6,0 mOhm
Como
exemplo, tensão secundária nominal de 800 V, corrente de 30 kA:
X´´ reator ( referida ao secundário )
= 0,32 x 800 V / 30 kA – 6,0 mOhm = 2,5 mOhm
Se
conclui que, para o caso do exemplo, a reatância do circuito, referida ao
secundário, precisa ser aumentada em 2,5 mOhm. Como os reatores só podem ser
instalados no primário ( porque no secundário as correntes são demasiado elevadas ) precisamos saber qual é o valor da
reatância a ser acrescentado no primário para provocar o efeito equivalente a 2,5
mOhm no secundário:
X reator ( Ohm ) = ( Vprim / Vsec )² x 2,5 mOhm . 10-3
Se
a tensão primária fosse de, por exemplo, 33 kV:
X reator = ( 33 kV / 0,8 kV )² x 2,5
mOhm x 10-3 = 4,2 Ohm
Outros exemplos:
S |
V |
I |
Xnecessária |
Xexistente |
Xreator´´ |
Vprim. |
Xreator |
( MVA ) |
( V ) |
( kA ) |
( mOhm ) |
( mOhm ) |
(mOhm ) |
( kV ) |
( Ohm ) |
5 |
300 |
9,62 |
9,98 |
6,0 |
3,98 |
13,8 |
8,4 |
7,5 |
300 |
14,43 |
6,65 |
6,0 |
0,65 |
13,8 |
1,4 |
40 |
600 |
38,49 |
2,77 |
6,0 |
- 1,01 |
33 |
- 3,0 |
40 |
700 |
32,99 |
6,79 |
6,0 |
1,79 |
33 |
2,2 |
40 |
800 |
28,86 |
8,87 |
6,0 |
2,87 |
33 |
4,9 |
75 |
1000 |
43,30 |
7,39 |
6,0 |
1,39 |
33 |
1,5 |
100 |
800 |
72,16 |
3,54 |
6,0 |
- 2,46 |
33 |
-
4,2 |
100 |
1050 |
54,98 |
6,11 |
6,0 |
- 0,11 |
33 |
0,1 |
100 |
1200 |
48,11 |
7,98 |
6,0 |
1,98 |
33 |
1,5 |
120 |
1150 |
60,24 |
6,10 |
6,0 |
0,10 |
33 |
0,0 |
120 |
1250 |
55,42 |
7,21 |
6,0 |
1,21 |
33 |
0,8 |
120 |
1350 |
51,32 |
8,42 |
6,0 |
2,42 |
33 |
1,4 |
Tabela 1. - Cálculo do reator para diferentes
valores de V e I.
Se observa que para alguns casos de relações tensão / corrente baixas, seria preferível reduzir a reatância ( X reator negativa ), em lugar de aumentá-la. Para o caso do forno de 100 MVA que opera com 1050 V não é conveniente instalar um reator e, para o caso do forno de 100 MVA que opera com 1200 V pode ser instalado um reator de 1,5 Ohm ou pode ser reduzida a tensão nos primeiros minutos da fusão para 1000 V e operar sempre sem reator. No caso do forno que opera com 120 MVA e 1150 V também não é conveniente instalar um reator. Se a reatância existente no circuito for inferior a 6 mOhm, a necessidade de aumento da reatância será superior à calculada e, se for superior a 6 mOhm, o reator necessário será menor que o calculado.
CORRENTES DE
CURTO-CIRCUITO DOS FORNOS
A
corrente de curto-circuito do forno é aquela que ocorre cada vez que uma peça
de sucata toca nos eletrodos. O valor da corrente de curto-circuito é igual à
tensão dividida pela reatância.
Icc = V / 1,73 . X
E,
a corrente de operação do forno é:
I = V . sen fi / 1,73 . X . Fop
Concluindo-se
que:
Icc / I = Fop / sen fi
Onde
Fop é o efeito da instabilidade do arco sobre a reatância, que é função do
cosseno fi.
Vejamos
alguns exemplos de relações entre a corrente de curto-circuito e a corrente de
operação normal durante o inicio da fusão:
Cos Fi |
Fop |
Icc / I |
0,60 |
1,20 |
1,50 |
0,65 |
1,22 |
1,60 |
0,70 |
1,25 |
1,77 |
0,75 |
1,32 |
2,00 |
0,80 |
1,45 |
2,41 |
Tabela 2. - Relação entre a corrente de
curto-circuito do forno e a corrente nominal.
De
igual forma podem-se relacionar as potências de curto-circuito do forno com as
potências ativas:
Scf ( MVA ) / P ( MW ) = Fop / cos fi . sen
fi
Relação
Scf / P em função do cosseno fi, no inicio da fusão:
Cos
Fi |
Fop |
Scf
/ P |
0,60 |
1,20 |
2,50 |
0,65 |
1,22 |
2,50 |
0,70 |
1,25 |
2,50 |
0,75 |
1,32 |
2,67 |
0,80 |
1,45 |
3,02 |
Tabela 3. – Relação entre a potência de
curto-circuito do forno e a potência ativa.
Do
anterior, conclui-se que, operando em condições normais, para reduzir a potência
de curto-circuito do forno deve ser reduzida a potência ativa ( menor produção
).
EFEITO DA REATÂNCIA
SOBRE O FLICKER
As
flutuações de tensão ( flicker ) provocadas pelo forno sobre a rede são
proporcionais à potência de curto-circuito Scf do forno e inversamente
proporcionais à potência de curto-circuito da rede, Scn:
Pst = Kst . Scf / Scn
Onde
Kst é uma constante que depende do estágio da fusão.
Na
tabela 3 verificou-se que Scf depende apenas do cosseno fi e da potência ativa
e que para obter o mínimo valor de Scf e, portanto, os mínimos níveis de
flicker, operando com uma determinada potência ativa, é necessário reduzir o
cosseno fi a valores próximos de 0,70.
Muitas
vezes é defendida a inclusão de um reator série para diminuir o flicker.
Entretanto, se após a inserção do reator a tensão secundária não é aumentada, a
potência ativa cai e a redução do flicker é conseguida às custas de uma redução
da produtividade. Para recuperar a potência ativa desejada, é necessário
aumentar a tensão, e o aumento da tensão provoca o retorno do flicker ao nível
anterior, quando não existia o reator.
Conclui-se
que a regra para considerar a inclusão ou não de um reator continua sendo a de
manter o fator de potência em níveis próximos de 0,70 durante o período de
inicio da fusão. É nesse período que o cosseno fi deve ser mantido em valores
baixos para estabilizar o arco e, também, é nesse período que os níveis de
flicker, para igual Scf, são mais elevados ( maior Kst ). A solução para os
dois problemas – estabilidade do arco
e menor flicker – é conseguida, para igual potência ativa, reduzindo o cosseno
fi a valores próximos de 0,70. Portanto, a inclusão do reator só se justifica
quando, para os níveis de potência ativa, tensão secundária e corrente
desejados, a reatância existente no circuito não é suficiente para permitir a
potência ativa requerida operando com cossenos fi da ordem de 0,70, no inicio
da fusão.
OPERAÇÃO COM SVC
O
SVC ( static var compensator ) é um estabilizador de tensão, instalado no
barramento de alimentação do transformador do forno, cujo objetivo é diminuir o
flicker ( flutuações da tensão e da iluminação ) e / ou compensar os reativos injetados na
rede ( corrigir o fator de potência da rede ). Deve ser esclarecido que o SVC
estabiliza a tensão em determinado ponto do circuito mas não estabiliza o arco.
Do
ponto de vista da operação do forno, a instalação de um SVC equivale a uma
redução da reatância do circuito porque o efeito de estabilizar a tensão
primária ( de, por exemplo, 33 kV ) é similar ao da eliminação das reatâncias
do transformador abaixador da subestação e da rede.
Em
um caso típico de um forno com reatância de 3,7 mOhm e transformador de forno
com reatância de 0,80 mOhm, a reatância total do circuito cai para apenas 4,5 mOhm. Portanto, um forno que opera
alimentado por um circuito onde existe um SVC se comporta como um forno de
baixa reatância, com as vantagens e os inconvenientes desse tipo de operação.
Para
o período de fusão de sucata, considerando que o SVC provoca um efeito similar
ao da redução da reatância existente no circuito, verifica-se a necessidade de
instalar um reator de maior reatância que no caso do circuito sem SVC.
No
que se refere ao período de refino ( no final, quando já não existe mais a
escória espumante ), as vezes pode ser vantajoso operar com as máximas correntes
do transformador, com tensões inferiores à máxima e com reatâncias baixas, para
obter altas potências sem aumentar demasiado a tensão de arco ( não tomar isto
como uma regra fixa porque depende de cada forno ).
Com
base no anterior se conclui que para o forno que opera com sucata e com SVC no
circuito, pode ser interessante instalar um reator com reatância variável que
permita inserir altas reatâncias durante a fusão e reatância zero no final da
fusão e no refino.
Um
exemplo poderia ser um forno de 100 MVA que opere com SVC e 1200 V ( 48 kA ) durante a fusão de sucata
e com 1000 V ( 58 kA ) no período de refino. Neste caso, para operação no
inicio de fusão, com a tensão primária de 33 kV e a reatância existente de 4,5
Ohm, deveria ser instalado um reator de 2,6 Ohm ( ver forma de cálculo no item
anterior ). A reatância do reator seria gradualmente reduzida ao longo da
corrida até ser eliminada no período final.
Aqui
se verifica um paradoxo que ocorre em casos em que o SVC é instalado para aumentar
a potência do forno, como é feito em algumas siderúrgicas da Europa: se instala
o SVC com o objetivo de obter um efeito equivalente ao da redução da reatância
e, depois, é instalado um reator de alta potência para aumentar a
reatância. O SVC deve ser instalado para
reduzir o flicker ou, dependendo da forma de cobrança do excesso de reativos,
para aumentar o fator de potência da rede.
Uma vez instalado o SVC, para operar convenientemente durante o período de fusão, deve ser prevista a necessidade de incorporar um reator série de relativamente alta reatância para compensar o efeito de redução de reatância provocado pelo SVC e estabilizar o arco na fusão.
138 kV
Reator
4000 MVA 33 kV 2,6 Ohm
1350 V
120 MVA / 8 % Ohm 120 MVA / 7 % 3,5 mOhm
Fig. 2 – Exemplo típico do circuito de um forno que opera com 120 MVA e 1350 V, com SVC
SVC |
CASOS ESPECIAIS
Em
certos casos particulares pode ser necessário prever a utilização de reatores
para limitar a corrente de inserção ( inrush ) que ocorre cada vez que os
transformadores dos fornos são energizados.
Um
caso a ser estudado é o dos transformadores de forno ligados diretamente em
redes de alta tensão ( 115 kV, por exemplo ) e de alta potência de
curto-circuito; em certo caso houve indícios que os esforços eletrodinâmicos
criados pelas elevadas correntes de inrush
provocavam deslocamentos dos enrolamentos de AT do transformador.
Entretanto,
sempre que se instale um reator limitador das correntes deve ser lembrado que o
mesmo afeta, para bem ou para mal, à operação do forno, conforme foi discutido
anteriormente.
OS REATORES
Em
primeiro lugar deve ser esclarecido que o reator ( ou indutor ) é apenas um
elemento passivo do circuito que possui uma determinada reatância indutiva ( X = 2pfL, onde L é a indutância e f é a
freqüência da rede ), não se tratando de algum dispositivo inteligente com
capacidade de estabilizar as correntes de arco. O efeito de aumento da
reatância proporcionado por um reator sobre o circuito é similar ao provocado
por um transformador.
O
reator deve ser utilizado apenas quando a reatância do circuito do forno, para
a condição desejada de tensão e corrente, é insuficiente para reduzir o fator
de potência ( medido como P ( MW ) / S ( MVA ) ) até os valores que permitem a
estabilização do arco no inicio da fusão ( 0,65 / 0,75 ).
Existem
fundamentalmente dois tipos de reatores: os imersos em óleo, que podem ser
trifásicos ou monofásicos e, os secos, com núcleo de ar, que são monofásicos.
Os
reatores secos normalmente precisam de um espaço maior e, por esse motivo, são
instalados na subestação principal entanto que os reatores em óleo podem ser
instalados na mesma sala do transformador do forno ou na subestação principal;
no primeiro caso geralmente são refrigerados por água e no segundo caso a
refrigeração do óleo é realizada através de ventilação forçada.
Quando
se deseja variar a reatância do reator ao longo da corrida, devem ser
instalados reatores em óleo, com comutação de taps baixo carga.
Os
reatores secos são os de menor preço e os em óleo com comutador baixo carga são
os de preço mais elevado.
Outra
particularidade dos reatores em óleo, com núcleo de ferro, é que estes podem
saturar ( perder o efeito da reatância ) quando as correntes são muito
superiores às nominais. Por este motivo quando os reatores são utilizados para
limitar as correntes de curto-circuito da rede ou as correntes de inserção dos
transformadores, pode ser necessário instalar reatores secos ( a estudar cada
caso ).
RESUMO
REFERÊNCIAS
( 1 ) Jaccard L. R.- "Tecnologia dos fornos elétricos
de corrente alternada a arco longo" – Revista
Metalurgia e
Materiais – ABM – Vol 53, Nº 464, Abril / 97.
( 2 ) Jaccard L.R. - "Principios básicos para
definición de los parámetros operacionales de los hornos
de arco - Diferenciación según la etapa de fusión – Efectos
sobre el flicker la
productividad y el consumo de electrodos" - 15º Seminario de Acerías del IAS –
San Nicolás – Argentina, Nov / 05.