Электрооборудование и короткие сети ДСП

Выбор электрического оборудования и схемы питания дуговых сталеплавильных печей определяется следующими условиями.

Напряжение печи при ее работе требуется регулировать в довольно широких пределах. В период расплавления при холодной шихте дуга в печи неустойчивая, короткая, и для увеличения мощности необходимоповышать напряжение. При рафинировании вследствие изменившихся тепловых условий в ванне дуга значительно удлиняется. Во избежание выхода из строя футеровки стен и свода ее укорачивают, снижая напряжение. Для регулирования рабочего напряжения каждую печь комплектуют печным трансформатором с несколькими ступенями напряжения. Для малых печей, выплавляющих сталь для фасонного литья, период рафинирования сравнительно короток, что позволяет ограничить число ступеней напряжения; трансформаторы же крупных печей, выплавляющих сталь слитков, должны иметь много ступеней напряжения, чтобы для каждого периода плавки и каждого технологического процесса можно было подобрать оптимальное напряжение.

Так как дуговые печи, мощность которых достигает тысяч и десятков тысяч киловатт, работают при срав­нительно низких напряжениях и очень больших токах, печные транс­форматоры располагают возможно ближе к печи. Поэтому в сталепла­вильных и медеплавильных цехах рядом с дуговыми печами строят внутрицеховые печные подстанции, в которых располагают все необхо­димое электрооборудование.

В дуговой печи короткое замы­кание электродов на металл — нор­мальное эксплуатационное прису­щее ей явление, и необходимо обе­зопасить установку от его последствий. С этой целью стремятся огра­ничить толчки тока при коротком замыкании, а само замыкание стре­мятся возможно быстрее ликвиди­ровать, оснащая установку быстро­действующим автоматическим регу­лятором мощности.

Дуговая печь, как и любая круп­ная электроустановка, должна быть оснащена необходимой коммутаци­онной, измерительной и сигнальной аппаратурой, а также защитой от перегрузок и аварийных коротких замыканий. На рис. 1.21 приведена однолинейная схема питания уста­новки ДСП.

Печные трансформаторы, под­верженные частым эксплуатацион­ным коротким замыканиям, должны иметь повышенные механическую прочность и перегрузочную способ­ность. В новой серии печи для фа­сонного литья снабжены трансфор­маторами с 12 ступенями напряже­ния. У более крупных печей, вы­плавляющих слитки, трансформато­ры имеют 23 ступени напряжения. Это дает известные удобства в эксплуатации, в особенности при пе­реходе с одной марки стали на дру­гую.

Ступени напряжения транс­форматора изменяют обычно пере­ключателем с дистанционно управ­ляемым приводом. Переключение ступеней напряжения у трансфор­маторов с номинальной мощностью до 10 MB∙А осуществляется при отключенной печи (без нагрузки), более крупные агрегаты переключаются под нагрузкой. При переключениях без нагрузки привод переключателя во избежание аварии блокируют с выключателем высокого напряжения. Реактивное сопротивление печных трансформаторов составляет 7–8 %; для малых печей индуктивное сопротивление короткой сети равно 5–10 %. Между тем реактивное сопротивление установки должно составлять 30–40 %, для того чтобы обеспечить устойчивость дуги в период расплавления и ограничить толчки тока при эксплуатационных коротких замыканиях до значений 2,5–3-кратных от номинального тока.

Рис. 1.21. Однолинейная схема ДСП:   1— печь; 2— печной трансформатор; 3 — дроссель; 4 — высоковольтный выключатель; 5 — разъединитель; 6 — трансформатор тока; 7 — трансформатор напряжения.

Поэтому в контур печи со стороны высшего напряжения включают дополнительную индуктивность — реактор с сердечником и масляным охлаждением, имеющий относительное реактивное сопротивление 15—25 %.Так как индуктивность дросселя не должна зависеть от тока, его сердечник рассчитывается на работу в режиме, далеком от насыщения. Часто реак­тор устанавливается в одном баке с трансформатором, причем пере­ключатель ступеней напряжения позволяет отключать его или вклю­чать, а также менять его реактив­ность, переключая число его рабо­чих витков. Это необходимо, так как ограничение толчков тока и стабилизация горения дуги нужны лишь в период расплавления и в начале периода окисления. В ос­тальное время дуга горит вполне устойчиво без дополнительной ин­дуктивности, а крупные толчки тока маловероятны. Если же реактор ус­тановлен в отдельном баке, то па­раллельно ему включают разъеди­нитель или вспомогательный выклю­чатель, позволяющие его закоротить на время рафинирования.

В установках крупных печей реактивное сопротивление короткой сети может превысить 20 %, а уста­новки в целом 30–40 %. В этом случае нет необходимости в реакто­ре. Индуктивность контура наиболее крупных печей возрастает настоль­ко, что возникает задача ее сниже­ния, а не увеличения.

Печные трансформаторы мощно­стью до 15 MB·А выполняют на на­пряжение питания 6 или 10 кВ, бо­лее мощные трансформаторы под­ключаются к сети 35 кВ. В этом случае трансформаторный агрегат выполняют из двух единиц — регулировочного трансформатора или автотрансформатора с переключе­нием ступеней напряжения и ос­новного трансформатора с постоян­ным коэффициентом трансформации.

Коммутационная аппаратура ду­говой печной установки работает в более тяжелых условиях по сравне­нию с аппаратурой общепромыш­ленных установок. Число отключе­ний печи, в том числе при коротких замыканиях, доходит до нескольких десятков в сутки. Это ставит в осо­бо тяжелые условия размыкающие контакты и требует частых (до двух в месяц) ревизий и замен масла. Ввиду этого для установок дуговых печей были разработаны специаль­ные выключатели: на 10 кВ воздуш­ные, вакуумные и электромагнит­ные, на 35 и 110 кВ — воздушные.

В печных дуговых установках необходима защита от аварийных коротких замыканий и от перегру­зок. Защиту от коротких замыка­ний обеспечивают с помощью ма­ксимальных токовых реле мгновен­ного действия, подключаемых к трансформаторам тока на стороне высшего напряжения, защиту от перегрузок — с помощью макси­мальных токовых реле с зависимой выдержкой времени, включаемых на стороне низшего напряжения. Реле устанавливают так, чтобы они не реагировали на эксплуатацион­ные короткие замыкания, ликвида­ция которых должна осуществлять­ся системой автоматического регу­лирования мощности дуговой печи в течение 2–4 с. Поэтому защита от перегрузки, устанавливаемая обычно на 1,5-кратный номиналь­ный ток, имеет выдержку около 10 с, тогда как реле защиты от ава­рийных коротких замыканий сра­батывает мгновенно, но их установ­ки должны быть на 25 % выше кратности токов эксплуатационных коротких замыканий.

В печных трансформаторах обес­печивается газовая защита. Они снабжены также сигнальными тер­мометрами, сигнализирующими о перегреве масла. Дифференциаль­ная защита в печных трансформа­торах не применяется. Остальная аппаратура, применяемая на дуго­вых печных подстанциях, не отли­чается по условиям работы и мето­дам выбора от аппаратуры обще­промышленных электроустановок. Отметим только, что фазовые ам­перметры печи выбирают с учетом эксплуатационных коротких замы­каний с тройным запасом шкалы, расширенной средней и суженной правой частями шкалы.

Короткой сетью дуговой печи называют токопровод, соединяющий печной трансформатор с электрода­ми (рис. 1.22). Ее участки — шинная ошиновка, выполняемая, как прави­ло, из прямоугольных шин, медных или (только у малых печей) алюми­ниевых, соединяющая вторичные вы­воды печного трансформатора с не­подвижными башмаками, к которым присоединены наконечники гибких кабелей. Кабели образуют петлю, компенсирующую перемещение сто­ек при движении электродов и на­клоне печи. Своим другим концом гибкие кабели присоединяются к подвижным (расположенным на стойках) башмакам, в свою очередь соединенным с идущими вдоль ру­кавов стоек трубошинами, подводя­щими ток к электрододержателям.

Рис. 1.22. Эскиз вторичного токоподвода ДСП:   1 – шинный пакет; 2 –гирлянда гибких кабелей; 3 – трубошины на рукавах печи; 4 – зажим электро­да; 5 – электрод

Короткая сеть должна иметь минимальные электрические потери, обеспечивать равномерное распре­деление мощности по фазам и иметь возможно меньшую индуктивность, с тем чтобы коэффициент мощности печной установки был по возможно­сти более высоким. Кроме того, поскольку материал, из которого сделаны шины, кабели и трубошины (медь), является дорогим, жела­тельно свести его затраты к мини­муму. Нетрудно видеть, что некоторые из этих требований противоре­чат друг другу. Так, последнее требует снижения сечения токопроводов, т.е. увеличения в них плотно­сти тока. Это можно осуществить применением водяного охлаждения, но при этом будут возрастать элек­трические потери. Поэтому обычно принимают компромиссные реше­ния. Если в шинах и гибких кабе­лях, не имеющих водяного охлаж­дения, допускают плотность тока в 1,4–1,6 и 1,0–1,4 А/мм² соответст­венно, то в охлаждаемых водой ка­белях и трубошинах можно дово­дить плотность тока до 6–8 А/мм². В действительности эту цифру берут значительно меньшей — от 3 до 4 А/мм² из соображения повышения электрического КПД установки.

Весьма важным является соблю­дение равной загрузки фаз печи. В период расплавления загрузка фаз все время меняется; эта динамичес­кая неравномерность их загрузки обусловливается случайным харак­тером изменения длин дуг и их сопротивлений. Однако в среднем, ес­ли система автоматического регули­рования режима печи отлажена, за­грузка фаз является одинаковой. Но, кроме динамической неравномер­ности, существует еще постоянная статическая, вызываемая геометри­ческой несимметрией короткой сети. Токоподводы фаз, как правило, рас­положены в одну линию, поэтому их взаимоиндуктивности не равны, что приводит при равных токах в фазах к различным мощностям от­дельных дуг и вызывает усиленное разрушение футеровки против той дуги, мощность которой больше. Степень неравномерности загрузки фаз принято характеризо­вать коэффициентом неравномерно­сти , где Р' – мощность дуги наиболее загруженной «дикой» фазы; - мощность дуги наименее загружен­ной «мертвой» фазы; – сум­марная мощность трех фаз.

Для ма­лых печей значение этого коэффици­ента мало, в них неравномерность загрузки фаз несущественна. Но по мере увеличения мощности печей онa оказывается все больше и в самых крупных печах может дости­гать 30 % или даже более. Не менее важным оказывается влияние индуктивности короткой сети на электрический режим печи. Для ограничения токов эксплуатационных коротких замыканий и для обеспечения устойчивого горения дуги требуется, чтобы реактивность контура составляла около 30 %.

В установках малых печей эта реактивность недостаточна, и в контур печи приходится включать дополнительную индуктивность. Но по мере увеличения мощности печи индуктивность короткой сети растет (реактивность печного трансформатора остается примерно одинаковой – 6–8 %), и при мощностях свыше 15 МВт добавочная индуктивность становится излишней. Для еще более мощных печей реактивность короткой сети становится чрезмерной, что снижает коэффициент мощности установки, приводя к повышенным электрическим потерям (за счет реактивной составляющей тока) как в контуре самой печи, так и в питающей сети.

Кроме того, циркуляция реак­тивной составляющей тока в пита­ющей сети вызывает необходимость завышения установленной мощности трансформаторов подстанций и генераторов на питающих станциях.

Из-за этого развитию схем и конструкций коротких сетей дуго­вых печей уделялось большое вни­мание, и за последние годы были разработаны короткие сети, в кото­рых существенно снижена их ин­дуктивность и сведена до практиче­ски допустимых пределов неравно­мерность распределения мощности дуг по фазам.

На рис. 1.23 даны основные схе­мы коротких сетей ДСП. Наиболее простой является схема «звезда на электродах» (рис. 1.23, а). При этой схеме вторичные обмотки трансфор­матора соединяются в звезду, а их выводы сгруппированы пофазно. Шинный пакет тем самым сгруппи­рован также пофазно, то же отно­сится и к гирляндам и трубошинам. Такая схема обладает наибольшей индуктивностью и коэффициентом неравномерности, поэтому ее при­меняют лишь на малых печах, где эти ее недостатки несущественны.

На печах средней мощности при­меняется схема «треугольник на шихтованном пакете» (рис. 1.23, б). В этой схеме вторичные обмотки печного трансформатора включают­ся в треугольник, а их выводы вы­полняются таким образом, чтобы начало и конец каждой фазы рас­полагались рядом.

Рис. 1.23. Короткие сети ДСП:   а — звезда на элeктpoдax; б — треугольник на шихтованном пакете; в — несимметричный треугольник на электродах; г — симметричный треугольник на электродах; д — триангулированная короткая сеть; 1 — печной трансформатор; 2 — шины от трансформатора к неподвижным башмакам; 3 — гибкие кабе­ли; 4 — трубошины на печи; 5 — электроды

В результате шинный пакет от трансформатора до кабелей оказывается «перешихто­ванным», т. е. в нем рядом располо­жены шины, несущие прямой и об­ратный токи. Индуктивность такого перешихтованного пакета неизмери­мо меньше по сравнению с индук­тивностью отдельных пакетов шин фаз. У конца шинного пакета дела­ется соединение шин х с в, у с с, z с а, и далее гибкие кабели и трубошины фаз идут раздельно. Эта схе­ма обладает за счет перешихтованногопакета несколько меньшими индуктивностью и неравномерно­стью по сравнению с схемой «звез­да на электродах».

Дальнейшее уменьшение индук­тивности может быть получено при использовании схемы «несимметрич­ный треугольник на электродах» (рис. 1.23, в). В этой схеме, как и в предыдущей, шины от трансформа­тора образуют перешихтованные па­кеты, однако далее гибкие кабели и трубошины делятся на шесть групп, соединяемых в треугольник на электродах. Как видно из рисун­ка, проводники х и в, а также у и с, несущие токи разных направлений, оказываются расположенными ря­дом, на одной стойке, тогда как проводники г и а разнесены далеко друг от друга. Поэтому, хотя общая индуктивность короткой сети умень­шается, неравномерность нагрузки фаз остается высокой.

Эту неравномерность можно су­щественно снизить, если соединяю­щую проводники z и а перемычку перенести к электродам, как это осуществлено в схеме «симметрич­ный треугольник на электродах» (рис. 1.23, г). При такой схеме пря­мые и обратные токи текут рядом во всех фазах. Расчеты, проведен­ные для печи 200 т [20], дали пара­метры печной установки (без учета трансформатора, по данным опыта короткого замыкания), приведенные в табл. 1.3. Эксплуатационные значения парамет­ров, благодаря дисперсии тока выше ука­занных в табл. 3.6 значений примерно на 15 %.

Таблица 1.3

Параметры печи ДСП-200 при различных

вариантах короткой сети

Схема короткой сети	, Ом	, Ом	, %
Звезда на электродах	3,14	0,411	35,7
Несимметричный треугольник на элек­тродах	2,45	0,409	29,2
Симметричный треугольник на элек­тродах	2,01	0,401	6,2
Триангулированный токоподвод	3,6	0,41	3 — 4 %

Для осуществления схемы «сим­метричный треугольник на электро­дах» требуется четвертая стойка, движущаяся синхронно с первой. Это значительно усложняет конст­рукцию печи, тем более, что эта стойка и ее длинный рукав подвер­гаются действию значительных ди­намических сил и должны быть жесткими. Попытка установить та­кую стойку на первых отечествен­ных печах 200 т не привела к поло­жительным результатам.

Наиболее перспективной являет­ся короткая сеть с триангулирован­ным токоподводом (рис. 1.23, д).В этой схеме после перешихтованного пакета шин гибкие кабели и трубошины средней фазы приподняты от­носительно крайних фаз, образуя в сечении равносторонний треуголь­ник. Поэтому взаимоиндуктивности всех фаз одинаковы, и схема в экс­плуатации обеспечивает коэффици­ент неравномерности нагрузки фаз5 — 8 %. Такая схема токопроводов применена на ряде американ­ских и японских печей сверхвысо­кой мощности и предусмотрена на отечественных печах 100 и 200 т.

Расход электроэнергии на 1 т выплавленной стали и производи­тельность печи зависят не только от технологических факторов — сос­тава стали, состава шихты, умения персонала вести процесс, состояния футеровки, качества электродов, ве­личины простоев и т. п., но и в не меньшей степени от того, насколько правильно выбран электрический ре­жим печи. Регулировать режим мож­но, изменяя либо питающее на­пряжения, либо длину, а следова­тельно, и ток дуги. Первый способ, осуществляемый переключением об­мотки высокого напряжения печного трансформатора, используется обыч­но лишь несколько раз за плавку при изменении протекающего в печи процесса, например к концу рас­плавления шихты, при переходе на окисление и на рафинирование. Вто­рой способ позволяет регулировать режим печи непрерывно и плавно, поднимая и опуская электроды с помощью системы автоматического управления, поддерживающей на заданном уровне ток и мощность печи.

Таким образом, основное, непре­рывное регулирование режима рабо­ты печи ведется по току. Поэтому важно знать электрические характе­ристики печи — зависимость основ­ных электрических показателей пе­чи, в первую очередь ее мощности, КПД и коэффициента мощности, от рабочего тока.

Электрические характеристики строятся на основе схем замещения печных установок.

Схематический чертеж установки дуговой печи показан на рис. 1.24.

С электрической точки зрения ее можно рассматривать как набор ак­тивных и индуктивных сопротивле­ний, подключенных к питающей сети. Считая дуговую печь симметри­чной трехфазной системой, схему замещения можно принять однофазной, включенной на фазное напряжение обмотки н.н.[1] печного трансформатора. Тогда действительные сопротивления и индуктивности сети, дросселя и об­мотки в.н.[2] трансформатора следует пересчитывать на напряжение сто­роны н.н. трансформатора. При по­строении схемы замещения эти эле­менты, а также параметры обмотки н.н. трансформатора, короткой се­ти и дуги заменяют соответствую­щими индуктивными и активными сопротивлениями, включенными на фазное напряжение обмотки н.н. трансформатора (рис. 1.25, а). Ответ­вления , имитируют потери в стали трансформатора. Ввиду не­значительности этих потерь ими обычно пренебрегают, и схема за­мещения превращается в ряд после­довательно, включенных индуктивных и активных сопротивлений, ко­торые условно считают постоянны­ми, кроме сопротивления дуги . Складывая все постоянные сопро­тивления, схеме придают вид цепоч­ки из сопротивлений , х и ,из которых лишь последнее может из­меняться (рис. 1.25, б).

Рис. 1.24. Схематический чертеж установки дуговой печи:   1 — кабель ввода; 2 — разъединитель; 3 — шины высокого напряжения; 4 — высоковольтный выключатель; 5 — дроссель; 6 — выключатель, шунтирующий дроссель; 7 — печной трансформатор; 8 — короткая сеть: а — компенсаторы; б — пакет шин; в — гибкие кабели; г — трубошины на печи; д — электрододержатели; е — контактные соединения; 9 — электроды; 10 — печь

Рис. 1.25. Схемы замещения установки дуговой печи: а — полная; б — упрощенная