Система электроснабжения ферросплавного производства

Введение

 

Использование электроэнергии для целей нагрева получает все более широкое распространение. Внедрение электронагрева в различные отрасли народного хозяйства способствует повышению производительности труда и улучшению качественных показателей технологических процессов. Электротермическая технология, основанная на использовании электротермических установок - электропечей и электронагревательных устройств, применяется для получения новых высококачественных материалов, которые иным путем получить нельзя, а также улучшения свойств уже существующих, для нагрева заготовок перед обработкой давлением, для термической обработки деталей машин, механизмов и элементов конструкций и других назначений. По сравнению с другими способами электронагрев обладает рядом преимуществ, таких как хорошая управляемость тепловыми потоками; обеспечение высоких температур и больших удельных мощностей на единицу объема; получение продукции высокого качества; улучшение условий труда и снижение его вредности и тяжести. В некоторых случаях электротермические процессы являются единственно возможными способами производства.

Наиболее распространенным видом электротермических установок можно считать электрические печи. Кроме дуговых электрических печей, в которых преобразование электрической энергии в тепло в основном происходит в электрическом разряде, протекающем в газовой или паровой среде, существуют печи смешанного действия, в которых обрабатываются материалы со значительным удельным электрическим сопротивлением, благодаря чему в них выделяется джоулево тепло. Такие печи можно назвать дуговыми печами сопротивления. Дуговые печи сопротивления - это мощные рудовосстановительные и рудоплавильные печи (РВП), в которых плавят материалы с высоким удельным сопротивлением. Таковы печи для получения ферросплавов, карбида кальция, чугуна, никелевого штейна, абразивов, фосфора. Рудовосстановительные и рудоплавильные печи, охватываемые более общим и распространенным термином «руднотермические печи», являются наиболее широким и сложным классом печей, различающихся по назначению, особенностям технологического процесса и конструктивного исполнения, виду источника питания, связям с другими агрегатами технологического цикла и т.д.

Мощные дуговые руднотермические печи работают с весьма низким коэффициентом мощности. Это крайне невыгодно, так как реактивная мощность, циркулируя в системе энергоснабжения между источником и потребителем, не создает никакой полезной работы в электроустановке. Потоки реактивной мощности в системе электроснабжения вызывают дополнительные потери активной мощности и энергии во всех элементах системы электроснабжения, обусловленные загрузкой их реактивной мощностью. Кроме того, возникают дополнительные потери напряжения, а дополнительные потери напряжения увеличивают отклонение напряжения на зажимах приемника от номинального значения при изменениях нагрузок и режимов электрической сети. Загрузка реактивной мощностью систем промышленного электроснабжения и трансформаторов уменьшает их пропускную способность и требует увеличения сечений проводов воздушных и кабельных линий, увеличения номинальной мощности или числа трансформаторов подстанций, номинальной мощности генераторов на станциях, коммутационной и другой силовой аппаратуры, что ведет к большим дополнительными затратами.

Целью данной работы является исследование потоков распределения реактивной мощности в системе электроснабжения ферросплавного производства. Определить основные источники реактивной мощности и причины ассиметричного распределения по фазам реактивной мощности в системе электроснабжения ферросплавного производства. Найти пути уменьшения ассиметричного по фазам распределения реактивной мощности по фазам в системе электроснабжения ферросплавного производства.

Обзор литературных источников

Система электроснабжения ферросплавного производства

 

Ферросплавное производство представляет собой одну из самых крупных отраслей черной металлургии с законченным циклом переработки рудного сырья в готовую продукцию - ферросплавы. Ферросплавами называются сплавы железа с кремнием, марганцем, хромом, ванадием и другими элементами. В процессе производства ферросплавов оборудование подвергается воздействию расплавленного металла, шлака и раскаленных газов [1]. При данных условиях работы оборудование ферросплавного производства должно отвечать высоким требованиям прочности, надежности, отличаться удобством ремонта и замены узлов и деталей оборудования, пришедших в негодность. Этим требованиям отвечают руднотермические печи [2…4]. Руднотермические печи являются потребителями электроэнергии, оказывающими значительное влияние на системы электроснабжения [5]. Для работы руднотермических печей характерны следующие особенности:

сравнительно низкие значения напряжения горения дуг при больших мощностях печей обусловливают очень большие токи фаз. Это вызывает необходимость в согласующем трансформаторе и мощных, способных пропускать токи в десятки тысяч ампер, токоподводах. Высокая индуктивность этих токоподводов обусловливает низкий коэффициент мощности печной установки, а их несимметрия - несимметрию загрузки фаз печи. Следовательно, необходимо укорачивать эти токоподводы, т.е. размещать печной трансформатор как можно ближе к печи;

мощность и напряжение на печи меняются в разные периоды плавки, поэтому они должны регулироваться в широких пределах;

электрическая дуга является нелинейным проводником, формы кривой тока и особенно напряжения дуговых печей искажены. Дуга является генератором высших гармоник, проникающих в питающую сеть [6].

Таким образом, применяемое в электрических печах электрооборудование должно выдерживать токи эксплуатационных коротких замыканий и возможные перенапряжения, должно обеспечить возможность регулирования электрического режима печи. Кроме того, должны быть предусмотрены меры по ограничению токов эксплуатационных коротких замыканий в небольших печных установках, в которых собственная реактивность недостаточна. Система электроснабжения современного промышленного предприятия, а, следовательно и ферросплавного производства должна формироваться на базе ряда основополагающих принципов, содержащихся в нормативно-технической документации [7…11]. Несмотря на различное географическое положение и особенности технологических процессов, ферросплавные производства металлургических предприятий оснащены однотипным оборудованием.

В основном электрооборудовании электрических печей, прежде всего, следует выделить печной трансформатор - агрегат, обеспечивающий согласование параметров печи с параметрами системы электроснабжения и регулирование подаваемого на печь напряжения. По сравнению с обычными силовыми трансформаторами печные имеют ряд особенностей [12, 13]:

высокий коэффициент трансформации и большие токи на стороне низкого напряжения приводят к тому, что вторичная обмотка имеет всего лишь несколько, а иногда и один виток и выполняется из ряда параллельных ветвей, регулирование вторичного напряжения осуществляется на стороне высокого напряжения.

наличие эксплуатационных коротких замыканий приводит к необходимости выполнения конструкции трансформатора более жесткой (особенно в части крепления обмоток и выводов), способной выдержать возникающие при коротких замыканиях динамические усилия. Из этих же соображений предпочитают вторичную обмотку трансформатора включать в треугольник, так как при этом ток короткого замыкания распределяется на две фазы. Это не только снижает механические усилия в обмотках, но и их нагрев. Кроме того, это позволяет, как будет показано далее, уменьшить индуктивность токоподвода.

Мощные руднотермические печи имеют относительно стабильный электрический режим. Тем не менее, стандартные силовые трансформаторы для их питания не пригодны, так как ввиду низкого напряжения на печах вторичные токи велики, кроме того, необходимо регулирование подаваемого на печь напряжения. В руднотермических печах изменение напряжения в широких пределах требуется лишь во время пуска печи (сушка футеровки и ее постепенный разогрев). В эксплуатации изменение напряжения осуществляют в сравнительно узких пределах при изменении влажности, состава и размеров загружаемой шихты, а также при изменении теплового режима печи от выпуска к выпуску, поэтому ранее печные трансформаторы снабжались переключателями для регулирования напряжения с дистанционным управлением при снятой нагрузке. С появлением мощных печей оказалось нежелательным их частое отключение, так как оно вызывало колебания напряжения в питающей системе. Вследствие этого все трансформаторы для руднотермических печей средней и большой мощности последней серии оборудованы переключателями ступеней напряжения под нагрузкой. Число ступеней напряжения колеблется от 5 (у малых трансформаторов) до 23. Регулирование напряжения у трансформаторов на напряжение 10 и 35 кВ осуществляется переключением секций первичных обмоток. В мощных установках, питаемых от сетей 110 кВ, используют агрегаты, состоящие из регулировочного и печного трансформаторов или из главного и вольтодобавочного трансформаторов.

В отличие от трансформаторов для дуговых печей, у которых вторичный ток постоянен и мощность убывает пропорционально рабочему напряжению, трансформаторы для руднотермических печей выполняются с частью ступеней напряжения, имеющих различные сочетания вторичного тока и напряжения при неизменной мощности трансформатора. Это позволяет работать на разных напряжениях (в зависимости от выплавляемого сплава, качества сырья и параметров короткой сети и электродов), используя полную мощность трансформатора. Печи малой и средней мощности оборудуются трехфазными трансформаторами, печи большой мощности - тремя однофазными. С одной стороны, трехфазные трансформаторы имеют на 30 - 35% меньшую массу, габариты и стоимость по сравнению с тремя однофазными, они экономичнее в работе и обслуживании. С другой стороны, однофазные трансформаторы позволяют сконструировать короткую сеть с меньшем индуктивностью, нуждаются лишь в одном резервном однофазном агрегате, их транспортировка облегчается. Вес эти преимущества однофазных трансформаторов наиболее выявляются при больших мощностях. Как правило, обмотки высшего и низшего напряжения трансформаторов для руднотермических печей соединяются в треугольник. Основным видом охлаждения является масляно-водяное с принудительной циркуляцией масла, это наиболее эффективное охлаждение. Лишь отдельные типы печных трансформаторов малой мощности имеют естественное масляное охлаждение. Параметры серий трансформаторов для руднотермических печей приведены в [14]. Вопросы, связанные с особенностями режимов работы и конструкции трансформаторов для промышленных электропечей освещены в [15].

К высоковольтным выключателям, устанавливаемым на подстанциях дуговых электрических печей, предъявляются очень высокие требования. С одной стороны, этот выключатель должен применяться как оперативный, причем число включений и отключений дуговых печей доходит до 50 в сутки. Кроме того, моменты отключения могут совпасть в ряде случаев с эксплуатационными короткими замыканиями, когда ток отключения составляет 2 - 3,5 - кратный номинальный ток. Это требует усиления, как механической части, так и контактной системы выключателя. С другой стороны, выключатель должен иметь способность отключать значительные токи аварийного короткого замыкания и иметь, следовательно, большую отключающую мощность. Сейчас для установок дуговых печей применяются специально разработанные (печные) выключатели. Маломасляные выключатели на 10 кВ типа ВМП-10 были видоизменены (усиление механической части и контактной группы), в результате этого они (ВМП-10К и ВМП-10У) оказались способными выдерживать до 50000 операций «включено - отключено». Однако и эти выключатели неудобны в условиях эксплуатации дуговых печей и требуют тщательного ухода (смена масла через 15 дней, частичная замена контактов - через 30 дней, полная замена контактов и камер через 2 месяца). Наибольшее распространение в установках дуговых печей получили модификации воздушных выключателей типов ВВ-10П на напряжение 10 кВ и ВВП-35 на напряжение 35 кВ. Эти выключатели пожаробезопасны и имеют большую быстроту действия по сравнению с масляными выключателями. Перспективными являются также электромагнитные выключатели на 10 кВ типа ВЭМ, представляющие собой высоковольтные контакторы с дугогасящими камерами и магнитным дутьем. Они обладают значительной мощностью отключения и рассчитаны на тяжелые условия работы с частыми включениями и отключениями. На напряжение 110 кВ специализированных печных выключателей нет, применяются воздушные выключатели типа ВВН-110. В качестве оперативных выключателей в маломощных установках могут применяться вакуумные выключатели типа РМВак-10 на 300 А, 10 кВ. Они снабжены вакуумными камерами, выдерживающими 30000 циклов отключения номинального тока, после чего камеры заменяются. Выключатели взрыво- и пожаробезопасны и не требуют обслуживания в пределах срока службы камеры.

В установках дуговых печей применяются обычные разъединители, например типа РВК, рассчитанные на большие токи (токи эксплуатационных коротких замыканий). Они могут коммутировать цепь печи лишь при отключенном высоковольтном выключателе и используются для создания видимого разрыва силовой цепи, например, при ремонтах.

Для коммутации руднотермических печей могут быть использованы все высоковольтные выключатели, приведенные выше. Однако условия их работы ввиду непрерывности процесса (редкие отключения и включения) и отсутствия эксплуатационных коротких замыканий будут намного легче, поэтому в ряде случаев применяются не только специальные печные, но и обычные выключатели [16, 17].

Для питания защиты, контрольно-измерительных приборов и автоматических регуляторов (АР) применяются трансформаторы напряжения и тока. Трансформаторы напряжения обычного типа устанавливаются на сторонах высшего и низшего напряжения. Трансформаторы тока стороны низшего напряжения выполняются на токи до 25 кА со стержневой первичной обмоткой; при больших токах ограничиваются использованием трансформаторов тока стороны высокого напряжения. В этом случае, чтобы компенсировать изменения коэффициента трансформации печного трансформаторного агрегата Тр при переключении его ступеней напряжения к трансформатору тока подключается специальный автотрансформатор АТ, сблокированный с переключателем ступеней напряжения ПСН (рис. 1.1). Для защиты электропечной установки от перегрузок и аварийных коротких замыканий используют реле максимального тока с зависимой выдержкой времени и реле мгновенного действия. Уставку реле мгновенного действия выбирают так, чтобы они не реагировали на эксплуатационные короткие замыкания, которые должны ликвидироваться системой автоматического регулирования мощности дуговой печи. Выдержка времени при токах эксплуатационного короткого замыкания равна 5 - 10 с, чтобы автоматика успела сработать. Поэтому высоковольтные выключатели отключают печь только в случаях аварийных коротких замыканий, при срабатывании газовой защиты трансформаторов и при длительных эксплуатационных перегрузках.

Рис. 1.1. Схема включения приборов защиты, контроля и регулирования дуговой печи при установке трансформаторов тока на стороне высокого напряжения

 

На дуговых электрических печах на стороне высшего напряжения, как правило, устанавливают амперметры и вольтметры на регулирования дуговой печи на всех трех фазах, а также ваттметры и счетчики активной и реактивной энергии. Иногда ставят также регистрирующие приборы. На стороне низшего напряжения осуществляются контроль линейных и фазных напряжений и контроль токов фаз (при наличии трансформаторов тока). В связи с резкими колебаниями значений токов фаз амперметры стороны низшего напряжения выбирают с тройным запасом шкалы, с расширенной средней и суженной правой частями шкалы. Остальные приборы обычные, технического класса.

Руднотермические печи малой емкости подключаются к сети напряжением 10 кВ, большой емкости - к сети 35 кВ. На рис. 1.2 представлена схема питания малых руднотермических печей. Крупные руднотермические печи питаются от трех однофазных печных трансформаторов, причем последние для мощности до 5500 кВ∙А выполняются для подключения к сети 10 кВ, а более мощные - к сети 35 и даже 110 и 220 кВ. На рис. 1.3 представлена схема питания печи с тремя однофазными трансформаторами, включенными с высшей и низшей стороны в треугольник. Печные трансформаторы включаются на сеть 35 кВ. Печь снабжена аппаратом для прожига летки, подключенным к одной из фаз короткой сети. В ряде случаев, однако, питание аппарата для прожига летки осуществляется от отдельного трансформатора.

печь ферросплавный руднотермический мощность