2.4.1 短网电力学性能优化
从电弧炉变压器低侧端到石墨末端为止的二次导线称为短网，它主要包括石墨电极、导电横臂、挠性水冷电缆及硬母线，见图2-13。由于这段导线流过的电流特别大，又称大电流导体（或大电流线路），而长度与输电电网相比又很短，一般为10～25m，如200t电弧炉炉中心至变压器墙的距离≤13m，故称为短网。虽然电弧炉短网长度不长， 但是其电阻和电抗对电弧炉装置工作有很大影响，还会影响炉衬的寿命。短网结构在一定程度上决定了电弧炉装置的效率、功率因数及炉子是否能稳定生产。
短网是输送低电压、强电流电能的桥梁。对它的要求是：
1）电阻越小越好，减少电压降及有功损耗；
2）电抗越小越好，减少无功损耗、提高功率因数；
3）每个相的阻抗值和复合分配达到平衡；
4）保证绝缘性能，并有可绕部分适应电极升降；
5）减少温度和铁磁体对阻抗值的影响；
6）缩小或克服大电流的不利作用。
为使短网高效供电，主要从以下五个方面来提高其电力学性能。
1.减少短网电阻
（1）缩短短网长度。短网的电阻与长度成正比，缩短短网的措施有：移动电弧炉变压器，使其尽量靠近电弧炉；升高电弧炉变压器的安装位置，使各段短网处在同一个水平面上；在保证电极升降和炉体转动需要的前提下，尽量减少短网电缆的长度。
（2）减少接触电阻。短网的连接不良，接触电阻增大，工作时连接处会产生大量的热量，甚至烧红，加速了接触面氧化，进而使接触电阻增大，不仅增大了短网的功率损耗，同时还会烧坏接头。为了降低接触电阻，一般对不拆卸的连接部位采用焊接或增大接触面积的办法，对接触面进行精加工并保持足够的接触压力。在运行时，定期对接触处进行温度检测，发现温度升高处应及时检修。
2.采用水冷短网 随着温度升高，电阻增加，短网损耗增大。据测在10kA运行下的短网，温度每升高1℃，每米母线增加3～6W损耗。因此降低短网工作温度，也可减少电能损耗。目前普遍采用水冷的方法来降低短网的温度，对软电缆甚至短网的全部导电母线采用水冷。
3.减少短网周围的铁磁物质 在短网通过强大的交流电时，电极架、水冷密封圈和紧固铁螺钉等会产生交变磁场，并在铁磁物质中产生涡流和磁滞损耗，引起了短网的附加损耗。为了减少附加损耗，所有固定和连接用的螺钉，应采用非磁性材料，尽量避免用铁磁材料包围短网的导体。(www.xing528.com)
4.合理选择短网的电流密度 短网电流密度的选择关系到短网的电能损耗。在电弧炉短网设计时，往往偏重于对有色金属的节约，而忽视了电耗的降低，选用的电流密度一般偏大，造成短网损耗增大的现状。在实践中应该合理选择短网的电流密度以节约能源并取得最佳经济效果。
5.改变短网的布线方式 普通平面布置，两侧边相对于中相导体来说为对称布置，各相导体的数量及布置形式完全相同。这种短网布线方式会造成各相的阻抗和电抗不平衡，并由此造成输入炉内功率不平衡和炉壁热负荷分布严重不均衡，还会对前级电网造成较大的冲击。这些现象随着变压器功率的增大、电流的提高，特别是电弧炉超高功率化后，其危害越来越突出，从而严重影响炼钢的各相技术经济指标。因此，必须改进电弧炉的短网结构与布线。根据电弧炉短网阻抗的计算，对不同容量的电弧炉，按照不同目的，采取不同的布线方案，以减少电弧炉的无功损耗，克服因二次导体阻抗和电抗的差异引起的功率不平衡，特别是为降低电耗创造有利条件。
修正平面布置的特征是：边相导体相对于中相导体为对称布置，各相导体的惯性中心在空间上位于同一水平面；中相导体的数量及间距减小，边相导体的数量及间距增大。这种布线结构简单，并实现了三相电抗平衡，可用于30t以上的大、中型电弧炉。
如将电弧炉各相二次导体分别置于正三角形的三个顶点的位置，则因为各相导体彼此之间相对距离相等，电磁耦合对称，所以在各相导体自身几何尺寸一致的情况下，各相导体大致相等。这种布线称为正三角形布线。它能实现三相电抗平衡，但提高中相会受厂房高度的限制。而且为便于安装挠性电缆，需加大变压器到电弧炉间的距离，当车间作业面积受到限制时不易实现。此外，也会给安装工艺带来一些麻烦。因此，常用于小电弧炉。
吸取两种布置的优点，可组成更理想的修正三角形布线等方案，见图2-14。修正三角形布线时，三相导体的惯性中心在空间位于一个有两个锐角的等腰三角形的三个顶点上，各相的数量相同，中间导体的间距减小，边相导体的间距加大。这种布线结构紧凑，可用于30t以上的电弧炉。
一般电弧炉的短网均采用双线布线形式，这种布线方式产生较大的感抗，感抗是由电磁感应作用产生的自感和互感电动势所造成的。如果相邻两根平行导体中通过的电流方向相反时，则自感电动势与互感电动势的方向也相反，这时对导体造成的感抗会减小，根据这个道理，将短网改为双线布线形式，可减少短网的电抗，提高运行的功率因数，降低了短网上的电压降，从而提高了电弧炉内电极电压，增加了电弧炉的熔化功率，缩短了熔化时间，这个改造短网的方法，在许多企业中应用后，都取得了很好的节电效果。如某钢厂改用双线布线后，功率因数从原来的0.76提高到0.82～0.87。
图2-14 流过线电流的短网导体布置示意图
2.4.2 导电横臂材质优化
导电横臂是国外首先研究成功的一种电弧炉新设备，它将传统的电弧炉横臂和导线结合为一体，使之成为既起支撑电极作用，又起导电作用的新型横臂。使用导电横臂，可降低电抗，提高输入功率，简化设备与水冷系统，减轻重量、便于维修。按照材质不同横臂可分为以下三种。
1.全钢导电横臂 传统的电极横臂是钢制的，电流顺导电铜管、电极夹头流过石墨电极而输入炉内。导电横臂带动电极上下移动，本身承受较大的加速度和机械应力，外加高温区工作环境恶劣和粉尘产生飞弧现象，容易造成连接处漏水。冶炼中需停工检修，维修量很大，电能损耗增加。鉴于以上原因，出现了铜钢复合导电横臂。
2.铜钢复合导电横臂 铜钢复合导电横臂外表面全部为铜板，内表面为钢板，整体导电。其中钢板支撑电极，表面的铜板传输电能，取代了原来两根导电铜管。电极横臂内部通水冷却，既提高了刚度又使导电截面积增大，使传输阻抗减小，电极横臂的高温区绝缘采用喷镀高温耐磨陶瓷，提高了绝缘性能，减少了维修量。电极横臂的夹头导电块采用铬青铜，电阻率相对较低，导电性能较好，而且抗氧化能力强，特别是耐电弧熔蚀性能强，当导电块和电极之间放电产生电弧时，导电块不产生凹坑。这就使维修量大大减小，生产率得到提高。但是，复合板中的铜板相对较薄，其导电横截面积相对较小，因此电阻值和电抗值仍未得到根本改善。从外部看，电弧炉炉盖以上只有三个横臂，使结构大为简化，见图2-15。西安电炉研究所为上钢三厂设计的100t钢包精练炉，横臂采用的是铜钢复合导电横臂，使用情况良好。
图2-15 电弧炉导电横臂示意图
3.全铝合金导电横臂 全铝合金导电横臂是由专用铝合金板焊接制成的箱式结构。这种结构不仅刚度和强度好，而且重量轻。全铝合金导电横臂强度比钢结构高约l.5倍；比全钢导电横臂轻约50%；比铜钢复合导电横臂轻20%，整个电极提升机构的重量也随之减少20%～30%。由于系统共振频率与电极调节器的灵敏度成正比，降低重量就是提高调节器灵敏度，同时也使电极立柱的升降调节响应能力大大提高，在这种情况下，电极提升速度最大可达15m/min，电极自动提升速度加大，消除电弧短路的响应加快，减少电极损耗，既提高效率又降低成本。
根据国内外有关资料表明，全铝合金导电横臂比全钢导电横臂的电抗值相对减少1/4，功率因数和有功功率均提高10%，吨钢节电30～80kW·h，其节能降耗效果显著。全铝合金导电横臂工作可靠，维修简单，使用寿命长；同时还具有材质和制造成本低，易于机加工等优点。为防止全铝合金导电横臂由于冷却水的腐蚀，需用镁合金材料进行电化防腐，防腐材料3～5年更换一次。在正常冷却和防腐条件下，全铝合金导电横臂的工作寿命可达10年以上。国际上，自从德国BSE公司率先采用全铝合金导电横臂技术以来，日本、法国和美国都相继采用。
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