電炉製鋼圧延工場の基礎知識
電気負荷としてのアーク炉の特徴

アーク炉操業の必然性に起因する負荷変動

アーク炉の操業は、概ね1時間前後をサイクルとしたバッチ式で行われます。

スクラップの装入や出鋼作業時、あるいは炉の修理作業時には、安全確保のため電気を遮断する必要があることから、炉用変圧器の一次側の遮断器を頻繁に開閉します。そのため、1日に何度もオンオフを繰り返すことになります。

近年では、スクラップを予熱しながら連続して装入する方式や、溶けた鉄を常に残しておくような方式も採用されていますが、出鋼はバッチ式で行われるため、基本的な操業サイクルは変わりません。

ここで注目すべきは、この操業に伴って発生する、有効電力と無効電力の変動です。最も過酷な変動は、遮断器を投入する際に発生する変圧器の励磁突入電流です。この電流は、定格電流の何倍ものピーク値を持ち、さらに多くの第2高調波成分を含んでいます。

・無効電力：無効電力とは、電気回路において、電力を消費することなく、送配電線と負荷の間を行き来する電力のこと。有効電力（実際に仕事をするために消費される電力）に対して、無効電力と言われます。

・励磁突入電流：励磁突入電流とは、変圧器などの磁気回路に電圧を印加した際に、一時的に流れる大きな電流のこと。

アーク柱のサイズ

交流アーク炉は変圧器のタップ切替にて電圧制御を行い、電極昇降によりインピーダンスを制御。アーク長と電流を制御するのに対し、直流アーク炉はサイリスタの位相制御により発生電圧を調整する事で、直流電流を制御。電極昇降によりアーク電圧を制御します。

アーク現象に伴う特性

項目	交流アーク炉	直流アーク炉
電気仕様	・電圧: 最大1000V/3/相・電流:最大70kA/相・投入電力 : 最大70MW級	・電圧: DC1000V ・電流:最大150kA前後・投入電力:最大150MW級
力率	遅れ力率:0.8から0.8５前後	遅れ力率:0.7から0.8前後
無効電力発生量	炉用変圧器容量の2倍前後	炉用変圧器容量の1.3倍前後
高調波発生量	低次調波中心に偶数調波、奇数調波共に発生	電流理論にて計算される発生に若干の非理論調波を含む
過電流発生	短絡時、 TRタップ電圧と回路インピーダンスに支配される電流 (定格の2倍) が発生。直流と比べて発生頻度は多い。	短絡頻度は少なく、サイリスタの高速制御により電流値も概ね1.2倍以下に制御が可能
アーク特性	アークは半サイクルにゼロクロスを経る為、スクラップ陥没時にアーク切れしやすい。	直流アークはゼロクロスがない為に切れにくい。且つ制御角に余裕を持たせる為、アーク切れはほとんど起きない。
3相不平衡	3相アークであり、各相独立して駆動される為、三相不平衡を発生する。	ほとんど発生しない。

アーク炉操業に起因する特性

項目	交流アーク炉	直流アーク炉
有効電力&無電力の変動	数十MW、数十MVARの負荷の入切にて発生する電圧変動は時として電力網に大きな電圧変動を引き起こす。
変圧器投入時の励磁投入電流	炉用変圧器の励磁突入電流は定格電流の数倍以上となる。数十回以上/日の投入が必要な電炉に於いては、特に、この電流には第2調波、第3調波成分を大量に含むことから、コンデンサの耐量、共振現象の回避などに充分な検討が必要

その他の特性

項目	交流アーク炉	直流アーク炉
負荷遮断器スイッチング	変圧器の多頻度開閉は、スイッチングサージ電圧の発生を生む。開閉能力のチェック、スイッチングサージの発生検討およびサージ吸収器の適正な配置等が不可欠
製鋼母線の電圧上昇	製鋼母線には大量の進相コンデサが接続される。このコンデンサの量と電源インピーダンスによっては、炉の負荷時（頻繁に発生）の電圧上昇(フェランチ現象)を招く。