EAF変圧器高圧側タップチェンジャーの焼損事故分析と改善策
現在、当社は2つの電気炉（EAF）変圧器を運用しています。二次電圧は121Vから260Vの範囲で、定格電流は504A/12,213Aです。高圧側には合計8つのタップ位置があり、モータ駆動によるオフサーキット電圧調整が行われています。設備には対応する容量のリアクターが装備され、高圧側の指定されたタップに直列に接続されています。これらの変圧器は20年以上稼働しており、この期間中、製鉄プロセスの進化する要求に対応するために、エレクトロード制御システムと変圧器保護システムに対していくつかの技術的なアップグレードが実施されてきました。その目的は、安全かつ安定した設備運転を確保することです。しかし、この目標達成のためには、EAF変圧器の二次保護回路とアーク炉のエレクトロード制御システム間の連鎖回路の完全性と信頼性が重要です。近年、高圧側タップチェンジャーの焼損事故が数件発生し、関連する連鎖回路の信頼性について懸念が高まっています。
1 事故現象
変圧器のコア検査では、すべての故障が高圧側タップチェンジャーの焼損であることが明らかになりました。各事例において、高圧側の二次保護は確実に動作しました。高圧スイッチの瞬時過電流保護設定値は一次側で6,000Aであり、タップチェンジャーを通る短絡電流が瞬時に6,000Aを超える場合にのみ保護が作動します。しかし、タップチェンジャー自体の定格電流はわずか630Aです。
2 根本原因分析
製鉄プロセスは溶融、酸化、還元の3つの段階から構成されています。溶融段階では、三相負荷が劇的に変動し、大きなインラッシュ電流が発生することがよくあります。また、精錬段階でも、アーク放電経路の連続的な変化とアークギャップのイオン化により、常に不均衡な負荷電流が発生し、零相成分が生成されます。これらの零相成分が星形接続の高圧巻線に反射すると、中性点電圧のずれが発生します。
観察された故障現象に基づいて、様々な要因が分析されました。アーク炉エレクトロード制御システムの電気回路、高圧二次保護回路との連鎖関係、およびギアシフト中のタップチェンジャーの位置に関する詳細な研究が行われました。フィールドテストが繰り返し実施され、製鉄中に故障につながる条件が発生するかどうかをシミュレーションしました。最終的に、EAF変圧器の高圧側の連鎖保護回路に以下の欠陥が見つかりました。製鉄中に次のいずれかの条件が発生すると、タップチェンジャーの焼損につながることが判明しました：
高圧電源の停止後にタップチェンジを行う。タップチェンジャーコントローラを使用してタップチェンジを行う際、デジタル表示では完了を示すかもしれませんが、タップチェンジャーが完全に位置に到達していない場合（つまり、可動接触部と固定接触部の接触面積が必要な容量に達していない場合）があります。このような状態で高圧電源を復帰させると、製鉄中に相間ショート回路が発生し、タップチェンジャーが焼損する可能性があります。
電圧下でのタップチェンジ、つまりアーク炉が動作しているときに直接タップチェンジャーの位置を変更すること。
負荷下での電源供給、つまりアーク炉の三相エレクトロードがまだ溶鋼に接触している状態で高圧電源を復帰させること。
3 改善策
従来の電力変圧器と比較して、EAF変圧器は以下のような特徴を持っています：高い過負荷能力、より大きな機械強度、大きい短絡インピーダンス、複数の二次電圧レベル、高い変圧比、低い二次電圧（数十〜数百ボルト）、高い二次電流（数千〜数万アンペア）。アーク炉の電流制御は、変圧器の高圧側のタップ接続を変更し、エレクトロードの位置を調整することで達成されます。
製鉄中、プロセス要件とEAF変圧器の操作特性に基づいて、炉前部に設置された2つの高圧開閉装置が1日に数十回または数百回動作します。これにより、真空スイッチの性能と保護操作の信頼性に対する厳しい要求が生まれます。そのため、設計上、「1台使用中、1台待機」の構成が採用され、炉前操作ステーションから制御されます。電力は会社の66kV中央変電所からの高圧電力ケーブルで供給されます。
連鎖保護制御回路の欠陥を考慮に入れて、製鉄操作中にタップチェンジャーの焼損につながる条件を防止することが重要です。連鎖回路の分析、シミュレーションテスト、タップチェンジャーの構造研究、および製鉄プロセスの理解に基づいて、以下の是正措置が開発されました：
タップチェンジが完全に完了するまで高圧電源の供給を禁止する；
高圧側に電源が供給されている間のタップチェンジを禁止する；
負荷下での変圧器への電源供給を禁止する。
4 結論
EAF変圧器の連鎖保護制御回路の欠陥に対処するための上記の解決策を実施することで、連鎖システムの信頼性が大幅に向上しました。これにより、作業員の操作ミスによる設備の損傷が防げ、EAF変圧器の安全かつ安定した運転が確保されます。また、会社の製鉄生産任務の成功的な達成と、設備維持コストの大幅な削減にも寄与します。
