Принцип устройства и работа печи ДСП-120

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

Основными агрегатами, обеспечивающими выплавку качественных легированных сталей и сплавов, являются дуговые сталеплавильные печи. На ПАО «АМЗ» применяются ДСП емкостью 120 тонн и мощностью до 90 МВА. За границей работают печи емкостью от 320 до 350 тонн и мощностью до 160МВА. Они представляют собой трехэлектродные устройства, питаемые от высоковольтной сети током промышленной частоты через трехфазные понизительные трансформаторы. Питание ДСП-120 осуществляется от главной понизительной подстанции (ГПП) в основном по радиальным схемам. Учитывая, что ДСП-120 являются по надежности электроснабжения потребителями второй категории, предусматривается резервирование печной нагрузки. Для этого ГПП получают питание минимум от двух линий, имеют в своем составе два и более силовых трансформатора или автотрансформатора.

Выбор систем электроснабжения ДСП-120 во многом определяется стремлением уменьшить влияние их резко переменной нагрузки на качество электроэнергии. Одним из вариантов является подключение ДСП-120 в точку с максимально возможной мощностью короткого замыкания. Другим вариантом является питание ДСП-120 по схеме глубокого ввода с максимально возможным напряжением. К сожалению, в настоящее время отсутствует необходимое оборудование (печные трансформаторы и выключатели высокого напряжения с требуемыми коммутационной способностью и ресурсом работы) на напряжение 110 кВ и выше. Поэтому применяется напряжение 6, 10 и 35 кВ, что требует обычно дополнительной трансформации на ГПП, питаемых от линий 110 и 220 кВ. способом повышения мощности короткого замыкания является параллельная работа линий и трансформаторов, обеспечивающих надежное питание цехов с ДСП-120. Кроме того, для уменьшения влияния ДСП-120 на работу других потребителей внутри завода применяются специальные схемы. Наиболее простым вариантом является питание ДСП-120 и спокойной нагрузки от разных секций ГПП или различных трансформаторов.

Иногда практикуется подключение ДСП-120 и спокойной нагрузки через трансформатор с расщепленной обмоткой. При прохождении в одной ветви обмотки трансформатора резко переменного тока в другой появляется положительная ЭДС, которая уравновешивает появившиеся колебания напряжения.

Для более подробного изложения пояснительной записки, считаю нужным более подробно изучить принцип устройства и работу печи ДСП-120. Выполнить модернизацию с целью улучшения работы и обслуживание при этом выполняя правила охраны труда.

1. Общие сведения

Дуговая сталеплавильная печь (ДСП-120) состоит из плавильной ванны (рабочего пространства), регулятора мощности дуги и вспомогательных технологических механизмов, позволяющих открыть (закрыть) свод печи, собрать шлак и выпустить расплавленный металл.

Регулирование мощности электрической дуги производится программно-адаптивным регулятором, который с помощью привода перемещает электроды в вертикальной плоскости. Известны регуляторы электрической дуги с электромеханическим приводом, которые вследствие своей инерционности не получили большого распространения и сейчас практически полностью вытеснены регуляторами с электрогидравлическим приводом.

Как правило, ДСП-120 имеет индивидуальное электроснабжение через так называемый «печной» трансформатор, подключенный к высоковольтной линии электропередач. Мощность трансформатора может достигать 180 МВА. Его вторичное напряжение находится в пределах от 50 до 300 В (в современных печах до 1200 В), а первичное от 6 до 35 кВ (для высокомощных печей до 110 кВ). Вторичное напряжение регулируется при помощи ступенчатого переключателя, который сохраняет свою работоспособность так же и в режиме плавки.

Плавка стали производится в рабочем пространстве печи, которое ограничено сверху куполообразным сводом, снизу и с боков, соответственно, сферическим подом и стенками, кожух которых изнутри выложен огнеупорным материалом. Съёмный свод может быть набран из огнеупорных кирпичей, опирающихся на опорное кольцо, или, как и стенки печи, может быть сделан из водоохлаждаемых панелей. Через три симметрично расположенных в своде отверстия в рабочее пространство введены токопроводящие графитовые электроды, которые с помощью специальных механизмов могут перемещаться вверх и вниз. Печь обычно питается трёхфазным электрическим током, также существуют печи постоянного тока.

1.1 Устройство дуговых печей

Основное назначение дуговых печей - плавка металлов и сплавов. Существуют дуговые печи прямого и косвенного нагрева. В дуговых печах прямого нагрева дуга горит между электродами и расплавленным металлом. В дуговых печах косвенного нагрева - между двумя электродами. Наибольшее распространение получили дуговые печи прямого нагрева, применяемые для плавки черных и тугоплавких металлов. Дуговые печи косвенного нагрева применяются для плавки цветных металлов и иногда чугунов.

Дуговая печь представляет собой футерованный кожух, закрытый сводом, сквозь отверстие в своде внутрь опущены электроды, которые зажаты в электрододержателях, которые соединены с направляющими. Плавление шихты и обработка металла ведется за счет тепла электрических дуг, горящих между шихтой и электродами. Для поддержания дуги подается напряжение от 120 до 600 В и ток от 10 до 15 кА. Меньшие значения напряжений и токов относятся к печам емкостью 12 тонн и мощностью 50000 кВА.

Конструкция дуговой печи предусматривает слив металла через сливной насос. Скачивание шлака осуществляется через рабочее окно, вырезанное в кожухе. Структурный рисунок печи ДСП показан в приложении А.

1.2 Технологический процесс плавки металла в дуговой печи

Обработка загруженной в дуговую печь твердой шихты начинается со стадии расплавления, на этой стадии в печи зажигается дуга и начинается расплавление шихты под электродом. По мере расплавления шихты электрод спускается вниз, образуя колодцы для ускорения. Особенностью стадии расплавления является неспокойное горение электрической дуги. Низкая устойчивость дуги объясняется низкой температурой в печи.

Переход дуги с одной шихты на другие, а также многочисленное обрывание дуги эксплуатационными короткими замыканиями, которые вызываются обвалами и перемещениями проводящих кусков шихты. Другие стадии обработки металла находятся в жидком состоянии и характеризуются спокойным горением дуг. Однако требуется широкий диапазон оперативного регулирование и высокая точность поддержания мощности, вводимой в печь. Регулирование мощности обеспечивает требуемый ход металлургической реакции.

Рассмотренные особенности технологического процесса требуют от дуговой печи:

1. Способности быстро реагировать на эксплуатационные короткие замыкания и обрывы дуги, быстро восстанавливать нормальный электрический режим, ограничивать до допустимых пределов токи эксплуатационных замыканий.

2. Гибкость управления мощностью, вводимой в печь.

1.3 Электрооборудование дуговых печей

Установка дуговой печи включает в свой состав, кроме собственно печи и ее механизмов с электро- или гидроприводом, также комплектующее электрооборудование: печной трансформатор, токопроводы от трансформатора к электродам дуговой печи -- так называемую короткую сеть, распределительное устройство (РУ) на стороне высшего напряжения трансформатора с печными выключателями; регулятор мощности; щиты и пульты управления, контроля и сигнализации; программирующее устройство для управления режимом работы печи и др.

Установки дуговых печей -- крупные потребители электроэнергии, их единичные мощности измеряются тысячами и десятками тысяч киловатт. Расход электроэнергии на расплавление тонны твердой завалки достигает от 400 до 600 кВт. Поэтому питание печей производится от сетей 6, 10 и 35 кВ через понизительные печные трансформаторы (максимальные значения вторичного линейного напряжения трансформаторов лежат обычно в пределах до 320 В у печей малой и средней емкости и до 510 В у крупных печей).

В этой связи для установок печей характерно наличие специальной печной подстанции с трансформатором и РУ. В новых установках применяются шкафы комплектных распределительных устройств (КРУ), выполненных по унифицированным схемам. Печные подстанции располагают в непосредственной близости от печей. Щиты и пульты управления для установок дуговых сталеплавильных печей емкостью до 12 т размещают в пределах печной подстанции с обслуживанием пультов из цеха (с рабочей площадки). Для более крупных печей могут предусматриваться отдельные пультовые помещения с удобным, обзором рабочих окон печей.

Электрические дуговые печи потребляют значительные токи, измеряемые тысячами и десятками тысяч ампер. Такие токи создают большие падения напряжения даже на малых активных и индуктивных сопротивлениях цепей питания электродов. Вследствие этого печной трансформатор размещают в непосредственной близости от печи в специальной печной подстанции. Цепи, соединяющие печной трансформатор и электроды печи и имеющие малую длину и сложную конструкцию называют короткой сетью.

Короткая сеть дуговой печи состоит из ошиновки в трансформаторной камере, гибкой кабельной гирлянды, трубошин, электрододержателя и электрода, перемещающихся вместе с кареткой. На дуговых печах емкостью до 10 т используют схему «звезда на электродах», когда вторичные обмотки печного трансформатора соединены в треугольник на выходе из камеры. Другие схемы короткой сети, позволяющие уменьшить ее реактивное сопротивление, применяют на более мощных печах.

В электроприводах механизмов печи применяют обычно асинхронные двигатели с короткозамкнутым ротором напряжением 380 В на мощности от 1 до 2 кВт в небольших печах от 20 до 30 кВт в более крупных печах. Двигатели приводов перемещения электродов -- постоянного тока с питанием от электромашинных или магнитных усилителей, а также от тиристорных преобразователей. Эти приводы входят в состав самостоятельного агрегата -- регулятора мощности печи.

В печах емкостью более 20 т с целью увеличения производительности и облегчения труда сталеваров предусматриваются устройства для перемешивания жидкой ванны металла, основанные на принципе бегущего магнитного поля. Под днищем печи из немагнитного материала размещается статор с двумя обмотками, токи которых- сдвинуты по фазе на 90°. Создаваемое статорными обмотками бегущее поле приводит в движение слои металла. При переключении обмоток возможно изменение направления движения металла. Частота тока в статоре перемешивающего устройства от 0,3 до 1,1 Гц. Питание устройства производится от электромашинного преобразователя частоты.

Двигатели, обслуживающие механизмы дуговых печей, работают тяжелых условиях (пыльная среда, близкое расположение сильно нагретых конструкций печи), поэтому они имеют закрытое исполнение с теплостойкой изоляцией (краново-металлургических серий).

1.4 Печные трансформаторные агрегаты

В установках дуговых печей используются специально предназначенные для них трехфазные- масляные трансформаторы. Мощность печного трансформатора является после емкости вторым важнейшим параметром дуговой печи и определяет длительность расплавления металла, что в значительной степени сказывается на производительности печи. Полное время плавки стали в дуговой печи составляет от1 до 1,5 ч для печей емкостью до 10 т и до 2,5 ч для печей емкостью до 40 т.

Напряжение на дуговой печи в ходе плавки требуется изменять в довольно широких пределах. На первом этапе плавки, когда происходит расплавление скрапа, в печь должна вводиться максимальная мощность, чтобы ускорить этот процесс. Но при холодной шихте дуга неустойчива. Поэтому для увеличения мощности необходимо повышать напряжение. Продолжительность этапа расплавления составляет 50% и более от общего времени плавки, при этом потребляется от 60 до 80% электроэнергии. На втором и третьем этапах -- при окислении и рафинировании жидкого металла (удалении вредных примесей и выжигании лишнего углерода) дуга горит спокойнее, температура в печи выше, длина дуги увеличивается.

Во избежание преждевременного выхода из строя футеровки печи дугу укорачивают, снижая напряжение. Кроме того, для печей, в которых могут выплавляться разные марки металла, соответственно изменяются условия плавки, а значит, и требуемые напряжения.

Для обеспечения возможности регулирования напряжения дуговых печей питающие их трансформаторы выполняют с несколькими ступенями низкого напряжения, обычно с переключением отпаек обмотки высокого напряжения (12 ступеней и более). Трансформаторы мощностью до 10000 кВ-А снабжены переключающим устройством ПБВ. Более мощные трансформаторы имеют переключающее устройство РПН. Для небольших печей применяют две -- четыре ступени, а также простейший способ регулирования напряжения -- переключение обмотки высокого напряжения (ВН) с треугольника на звезду.

Для обеспечения устойчивого горения дуги переменного тока и ограничения толчков тока при коротких замыканиях между электродом и шихтой от 2 до 3 кратным значением номинального тока электрода общее относительное реактивное сопротивление установки должно составлять от 30 до 40%. Реактивное сопротивление печных трансформаторов равно от 6 до 10%, сопротивление короткой сети для малых печей от 5 до 10%. Поэтому со стороны ВН трансформатора для печей емкостью до 40 т предусматривают пред включённый реактор с сопротивлением около от 15 до 25%, входящий в комплект трансформаторного агрегата. Реактор выполнен как дроссель с не насыщающимся сердечником.

Все трансформаторы для питания дуговых печей снабжают газовой защитой. Газовая защита, как основная защита печного трансформатора, выполнена двухступенчатой: первая ступень воздействует на сигнал, вторая отключает установку.

Автоматическое регулирование мощности дуговых печей. Для обеспечения нормальной и высокопроизводительной работы дуговые печи оборудуются автоматическими регуляторами мощности (АР), которые осуществляют поддержание постоянства заданной мощности электрической дуги. Работа автоматического регулятора мощности дуговой печи основана на изменении положения электродов относительно загрузки -- в дуговых печах прямого нагрева или относительно друг друга в дуговых печах косвенного нагрева, т. е. в обоих случаях используется регулирование длины дуги. Исполнительными устройствами чаще всего являются электродвигатели.

1.5 Регулирование электрических режимов дуговой электрической печи

Рассмотрение конструкций позволяет показать на возможные способы регулирования её электрического режима:

1. Изменение подводимого напряжения.

2. Изменение сопротивления дуги, т.е. изменение ее длины.

В современных установках используются оба способа. Грубая регулировка режима осуществляется переключением ступеней вторичного напряжения трансформатора, точное - с помощью механизма перемещения. Управление механизмами перемещения электродов осуществляется с помощью использования автоматических регуляторов мощности (АРМ).

АРМ дуговых печей должны обеспечивать:

1. Автоматическое зажигание дуг.

2. Автоматическое устранение обрывов дуги и эксплуатационного короткого замыкания.

3.Быстродействие около 3 секунд при устранении обрывов дуги эксплуатационного короткого замыкания.

4. А периодический характер процесса регулирования.

5. Возможность плавно изменять мощность, вводимую в печь, в пределах от 20 до 125% от номинальной и поддерживать ее с точностью 5%.

6. Остановка электродов при исчезновении напряжения питания.

А периодический характер процесса регулирования необходим, чтобы исключить опускание электродов в жидкий металл, что может науглеродить его и испортить плавку, а также исключить поломку электродов при контакте их с твердой шихтой. Выполнение этого требования обеспечивает защиту от перечисленных выше режимов при аварийном или рабочем отключении печи.

1.6 Дуговые сталеплавильные печи как потребители электроэнергии

Дуговые сталеплавильные печи являются мощным и неприятным потребителем для энергосистемы. Она работает с низким коэффициентом мощности равным от 0,7 до 0,8, потребляемая из сети мощность меняется в течение плавки, а электрический режим характеризуется частыми толчками тока, вплоть до обрыва дуги эксплуатационных коротких замыканиях. Дуги генерируют высокочастотные гармоники, нежелательные для других потребителей и вызывающие дополнительные потери в питающей сети.

Для повышения коэффициента мощности можно включать конденсаторы на шины главной питающей подстанции, питающие группы печей, т.к. при толчках тока реактивная мощность колеблется в больших пределах, необходимо обеспечить возможность быстрой смены этой емкости. Для такого регулирования можно использовать высоковольтные тиристорные ключи, управляемые схемой поддержания КМ близким к 1. Для борьбы с высшими гармониками используются фильтры, настроенные на наиболее интенсивные гармоники.

Широко применяется выделение печных подстанций на самостоятельное питание, связанное с другими потребителями на напряжение 110, 220 кВ. В этом случае искажение кривых тока и напряжения у других потребителей удается удержать в допустимых пределах.

2. Печной трансформатор 90МВА ДСП-120

В ЭСПЦ-2 ПАО «АМЗ» эксплуатируется масленый силовой трансформатор фирмы «WEG Equipamentos Elйtricos S/A - Transformadores».

Технические данные печного трансформатора ДСП-120 представлены в табл. 1

Таблица 1. Технических данных печного трансформатора ДСП-120

№ п/п	Параметры	Ед. изм.	Кол-во
1	2	3	4
1	Габаритные характеристики
1.1	Полный вес эксплуатируемого трансформатора (с маслом)	кг	117500
1.2	Вес масла трансформатора	кг	26980
1.3	Вес активной части	кг	65125
1.4	Вес обмоток трансформатора	кг	17580
1.5	Вес сердечника трансформатора	кг	35165
1.6	Вес трансформатора (без масла)	кг	88200
1.7	Габаритная длина /ширина/ высота трансформатора	мм	7650/4100/6450
1.8	Габаритная длина /ширина/ высота трансформатора готового к транспортировке	мм	6600/4000/4800
1.9	Толщина стенок бака	мм	9,53
1.10	Расстояние между осями колес	мм	2500/1800
2	Электрические характеристики
2.1	Тип управления вторичным напряжением	Переменная индукция
2.2	Напряжение короткого замыкания при 1000/859/650, 90 МВА	В	13,0/17,8/33,7
2.3	Импульсное напряжение при ударе молнии на высоте 0 м над уровне моря	кВ	190
1	2	3	4
2.4	Потери при коротком замыкании, 75°С и 1000/859/650	кВт	542/620/545
2.5	Потери холостого хода при номинальном напряжении	кВт	48
2.6	Ток холостого хода при номинальном напряжении	А	5,93
2.7	Плотность тока в каждой обмотке	А/мм2	3,6/3,4
2.8	Индукция магнитного поля	Т	1,71
2.9	Максимальный перегрев обмотки при номинальной мощности/ при max мощности, включая перегрузку	°С	55/65
2.10	Максимальный перегрев масла при номинальной мощности/ при max мощности, включая перегрузку	°С	50/60
2.11	Потери мощности в окружающей среде	кВт	26
2.12	Тип трансформаторного масла	минеральное
3	Характеристики переключателя выходных обмоток трансформатора
3.1	Изготовитель и тип	MR/RMVII1500 69kV
3.2	Срок службы контактов	операций	500 000
3.3	Время переключения	с	4
3.4	Мощность электродвигателя	кВт	0,75
4	Характеристики теплообменника
4.1	Изготовитель и тип	Boldrochi RDT 52/260
4.2	Расход воды	л/мин	1150
4.3	Максимальное давление	Па	7,0
4.4	Расчетное значение температуры масла на входе / выходе	°С	75/64
4.5	Расчетное значение температуры воды на выходе	°С	35/45
4.6	Ток привода масляного насоса электродвигателя (горячего/холодного)	А	12/23,5
4.7	Мощность двигателя масляного насоса	кВт	5,2

3. Описание и причины модернизации

В ПАО «Ашинский металлургический завод» (АМЗ), в электростале-плавильном цехе №2 (ЭСПЦ-2) эксплуатируется 120 тонная дуговая сталеплавильная печь (ДСП-120),

Особенностью ДСП-120 является непрерывная загрузка металлошихты в рабочее пространство по системе Consteel.

Для коммутаций ДСП-120 используется высоковольтный оперативно защитный элегазовый выключатель фирмы Schneider Electric. Режимы работы высоковольтных выключателей дуговых сталеплавильный печей имеют ряд особенностей: большое число коммутаций до 100 и более циклов в сутки, вариации режимов коммутаций - холостой ход, широкий диапазон изменений нагрузки, эксплуатационные короткие замыкания, высокие уровни токов включения и пр. Поэтому к выключателям для ДСП-120 предъявляются специальные требования по основным показателям надежности - механическому и коммутационному ресурсам. В связи с повторяющимися авариями элегазового выключателя ДСП-120 в ПАО«АМЗ» было принято решение о проведении работы, целью которой является выявление вероятных причин выхода выключателя из строя и разработка мероприятий по обеспечению надежной работы высоковольтного выключателя электропечи. Настоящая работа направлена на решение поставленных задач.

При выполнении работы потребовалось проведение комплексного обследования режимов работы и условий эксплуатации высоковольтного электрооборудования и линий электропередачи ДСП-120, сбор и анализ информации о характеристиках линий и электрооборудования 35 кВ, внешней электрической сети, об авариях элегазового выключателя и пр. Дополнительно по предложению ПАО «АМЗ» проводились обследования водоохлаждаемых панелей ДСП-120, подверженных прожогам, и разработка предложений по минимизации прожогов.

3.1 Характеристики высоковольтного электрооборудования и линий электропередачи главной электрической цепи ДСП-120

Исходная информация по параметрам и характеристикам электрооборудования и линий 35 кВ, внешней электрической сети питания ДСП-120 предоставлена специалистами ПАО «АМЗ» и получена при проведении обследования объекта в марте 2015 г.

Электропечь питается от силового понижающего трансформатора типа ТДЦНМ-160000/220 кВ номинальной мощностью 160 МВА и номинальным напряжением 230/35 кВ, установленного на подстанции "АМЕТ". Напряжение короткого замыкания на номинальном ответвлении переключающего трансформатора 12,8%, потери короткого замыкания и холостого хода 450 кВт и 115 кВт соответственно, ток холостого хода - 0,6%. Схема и группа соединения обмоток трансформатора Х/Д-11.Напряжение 35 кВ поступает в распределяющее устройство РУ-35 кВ по двум параллельным линиям электропередачи, в каждой из которых воздушная и кабельная линии включены последовательно. Каждая фаза воздушных линий выполнена из трех проводов, расположенных по треугольнику с расстоянием между проводами 400 мм. К шинам 35 кВ РУ-35 кВ подключен статический тиристорный компенсатор реактивной мощности (СТК-35), обеспечивающий быстродействующую компенсацию реактивной мощности дуговой электропечи и её электромагнитную совместимость с системой электроснабжения. Суммарная рабочая мощность силовых фильтров 2-й, 3-й и 4-й гармоник (Ф2, Ф3 и Ф4) и тиристорно-реакторной группы (ТРГ) компенсатора одинакова и составляет по 100 Мвар. От РУ-35 кВ напряжение к печной подстанции поступает по кабельной линии. РУ-35 кВ на отходящей к ДСП-120 линии установлен защитный элегазовый выключатель на номинальный ток 2500 А и ток отключения 25 кА. В печной подстанции размещены измерительные трансформаторы напряжении и тока, разъединители с заземляющими ножами и оперативно защитный элегазовый выключатель типаISF2 производства фирмы Schneider Electric. Основные технические характеристики выключателя ISF2 приводятся ниже. В печной подстанции, на выходе кабельной линии питания ДСП-120, установлены ограничители перенапряжений типа DMI 48 10 3 SN 1579. Электропечной трансформатор и его средства защиты от коммутационных перенапряжений размещены в трансформаторном помещении ДСП-120 в ЭСПЦ-2.

3.2 Обследование режимов работы и условий эксплуатации элегазового выключателя, высоковольтного электрооборудования и линий питания ДСП-120

Обследование электрооборудования и линий питания ДСП-120 преследовало цель получения фактической информации для выяснения причин частых выходов из строя оперативного элегазового выключателя электропечи. В период обследования электрические режимы ДСП-120 характеризовались использованием ступеней вторичного напряжения электропечного трансформатора 10, 11, 12, 13 и 14 и кривых проводимостей регулятора электрического режима 4, 5 и 6. Рабочие токи в линии 35 кВ питания ДСП-120 составляли от 1480 до 1540 А. Напряжение в электрической сети 35 кВ в режиме холостого хода (ДСП отключена) не превышало 35 кВ, а при работе ДСП - 34,5 кВ. По информации электрического персонала ЭСПЦ-2 срабатывание ограничителей перенапряжений, снабженных счетчиками, не зафиксировано. Последнее свидетельствует об отсутствии перенапряжений высокого уровня в Электрической сети 35 кВ. В ходе обследования установлено, что электрооборудование 35 кВ (разъединители, измерительные трансформаторы тока и напряжения, оборудование для защиты от перенапряжений), кабельная линия к ДСП находятся в нормальном рабочем состоянии. Рабочие токи в линии 35 кВ не превышают номинальных значений для установленного электрооборудования. Уровни напряжений в сети 35 кВ соответствуют нормативным значениям; перенапряжения высокой кратности не зафиксированы. Персонал ПАО «АМЗ», обслуживающий электрооборудование 35 кВ линии питания ДСП-120, замечаний по его работе не имеет, за исключением элегазового выключателя электропечи. Режимы нагрузки электропечного трансформатора, значения рабочих токов и напряжений на стороне ВН и НН соответствуют техническим характеристикам трансформатора. Силовой питающий трансформатор, установленный на подстанции "АМЕТ", работает с недогрузкой по средней мощности; толчки токов включения электропечного трансформатора и токи эксплуатационных коротких замыканий ДСП-120 компенсируются статическим тиристорным компенсатором (СТК).Обследование режимов эксплуатации элегазового выключателя проводилось на промышленных плавках. Наблюдения показали, что отключения выключателя производятся технологическим персоналом преимущественно под нагрузкой. Факт отключений выключателя под нагрузкой подтверждается данными, полученными при обработке трендов рабочих токов в моменты отключений ДСП-120. Согласно этой информации до 90% отключений ДСП-120 выполняется под нагрузкой. По информации персонала ЭСПЦ-2 в системе управления ДСП-120 ранее была реализована функция подъема электродов на определенное расстояние при подаче сигнала на отключение элегазового выключателя электропечи. Функция подъема электродов перед отключением выключателя была выведена из работы по причине выхода из строя датчиков перемещения электродов. Поэтому режим коммутаций выключателя полностью определяется действиями технологического персонала, обслуживающего ДСП-120. Количество циклов коммутаций элегазового выключателя за плавку определялось по данным эксплуатации. Среднее количество циклов коммутаций за плавку в период составило 3,4. На ДСП-120 в постоянной эксплуатации находятся 2 элегазовых выключателя - один в работе, другой в резерве. При выходе из строя работающего выключателя последний отправляется в ремонт на фирму- изготовитель, либо, при наличии запчастей, ремонт производится в ПАО «АМЗ». За период с даты ввода электропечи в эксплуатацию по настоящее время произошло 5 аварий (отказов в работе) элегазовых выключателей. Основной причиной аварий является выход из строя полюсов выключателей вследствие нарушения герметичности и потери элегаза. Также отмечены отказы по причинам механического характера. Количество циклов коммутаций элегазового выключателя с момент ввода в работу и до аварии изменяется в широких пределах . В процессе эксплуатации ДСП-120 существенно возросла интенсивность коммутаций. Отключения элегазового выключателя под нагрузкой производятся при токах, близких к номинальному току электропечного трансформатора (около1500 А). Этот ток составляет 0,6 I ном элегазового выключателя. По информации специалистов ПАО «АМЗ» от 1 до 2 раза в месяц происходят отключения элегазового выключателя действием токовой защиты ДСП-120 от перегрузки. Значения отключаемых токов соответствуют токам эксплуатационных коротких замыканий ДСП-120.

3.3 Технические решения по обеспечению надежной работы высоковольтного выключателя электропечи

Элегазовый выключатель ISF2, установленный ДСП-120 ПАО «АМЗ», позиционируется фирмой Schneider Electric как выключатель с повышенной коммутационной способностью, предназначенный для коммутаций дуговых электропечей.

Опыт эксплуатации элегазовых выключателей ISF2 на дуговых электропечах российских металлургических предприятий показал, что реальный коммутационный и механический ресурсы выключателей существенно ниже заявленных в технической документации фирмы-изготовителя. Поэтому предприятия вынуждены закупать большое количество запчастей и новые выключатели, проводить частые ремонты и плановые замены действующих выключателей на новые.

В качестве примера ниже приводится информация по эксплуатации элегазового выключателя ISF2 на ДСП-160 дуговой сталеплавильной печи Литейно-прокатного комплекса «ОМК-Сталь», г. Выкса. На ДСП-160 после каждых 10000 циклов коммутаций проводится плановая замена эксплуатирующего элегазового выключателя ISF2 на новый в целях обеспечения надежной работы выключателя. При этом производится замена не только полюсов выключателя, но и его механической части.

Для ДСП-120 системы Consteel элегазовый выключатель ISF2 был выбран вероятно в связи с предполагавшимся сравнительно невысоким количеством циклов коммутаций - один плановый цикл коммутаций на холостом ходу за плавку и крайне малая вероятность отключения выключателя действием токовой защиты от перегрузки.

Условия эксплуатации ДСП-120 в ПАО «АМЗ» отличаются от традиционных электропечей Consteel использованием значительного количества скрапа в металлошихте, подачей части металлошихты через верх и пр.

Это привело к увеличению количества коммутаций выключателя за плавку в среднем до 3,4 и изменению режимов коммутаций - отключения выключателя производятся преимущественно под нагрузкой.

Анализ результатов обследования высоковольтного электрооборудования и электрической сети питания ДСП-120 показывает, что причиной частых аварий элегазового выключателя является низкий реальный ресурс выключателя по коммутационной стойкости в условиях эксплуатации на 120-тонной электропечи ПАО «АМЗ».

Надежная работа высоковольтного выключателя на ДСП-120 может быть обеспечена реализацией следующих мероприятий:

1. Проведение превентивных (плановых) замен эксплуатирующегося элегазового выключателя на новый, либо замены основных элементов после проведения определенного количества циклов коммутаций.

2. Установка на электропечи вакуумного выключателя с более высоким ресурсом по механической и коммутационной стойкости взамен элегазового выключателя.

При реализации мероприятия 1 плановые замены элегазового выключателя должны производиться не более чем через 8000 циклов коммутаций, основываясь на данных по минимальному фактическому ресурсу элегазового выключателя по статистике аварий.

При интенсивности коммутаций выключателя ДСП-120 и объемах выплавки стали в год производится около 20000 циклов коммутаций. Следовательно, плановая замена выключателя должна производиться приблизительно через каждые 4,8 месяца. Такое мероприятие представляется достаточно затратным.

Мероприятие 2 предусматривает замену элегазового выключателя ДСП-120 на вакуумный выключатель. Вакуумные выключатели широко используются для коммутаций дуговых электропечей благодаря их высокому ресурсу по механической и коммутационной стойкости, в частности, в сравнении с элегазовыми выключателями. Согласно ГОСТ 18397-86 на выключатели для частых коммутаций вакуумные выключатели на напряжение 35 кВ для электротермических установок должны иметь ресурс 100000 циклов коммутаций, что превышает ресурс выключателей других типов.

Для коммутаций дуговых электропечей с первичным напряжением 35 кВ хорошо зарекомендовали себя вакуумные выключатели серии 3АН4 фирмы Siemens, предназначенные для частых коммутаций и имеющие высокий ресурс до 120000 циклов коммутаций]. На металлургических предприятиях России и стран СНГ накоплен значительный опыт эксплуатации выключателей 3АН4, подтверждающий их надежную работу при коммутациях дуговых сталеплавильных печей.

К установке на ДСП-120 ПАО «АМЗ» предлагается вакуумный выключатель 3АН4 305-6, имеющий следующие основные технические характеристики:

1) Номинальное напряжение, 36 кВ;

2) Номинальный ток, 2500 А;

3) Номинальный ток отключения, 31,5кА;

4) Ток электродинамической стойкости, 63кА.

Ресурс по коммутационной стойкости выключателя 3АН4 составляет 30000 циклов коммутаций практически номинального тока выключателя и 50 циклов коммутаций номинального тока отключения. Заявленный в технической документации ресурс выключателя 3АН4 в целом соответствует данным эксплуатации выключателя на многочисленных дуговых электропечах.

Вакуумный выключатель 3АН4 имеет значительно более высокие показатели надежности в сравнении с элегазовым выключателем ISF2. В связи с этим рекомендуется реализация мероприятия по установке на ДСП-120 вакуумного выключателя 3АН4 взамен элегазового выключателя.

Внедрение вакуумного выключателя кардинально решает проблему обеспечения надежной работы высоковольтного выключателя электропечи.

Выключатель 3АН4 устанавливается на специальной выкатной тележке и размещается в шкафу элегазового выключателя. Потребуется незначительная доработка ошиновки 35 кВ в шкафу выключателя и изготовление переходного клемного разъема для подключения вспомогательных цепей.

При установке вакуумного выключателя на ДСП-120 требуется проведение специальных расчетов для определения возможности использования имеющихся средств защиты от коммутационных перенапряжений, либо необходимости приобретения нового защитного оборудования. Расчеты процессов коммутаций ДСП вакуумным выключателем и выводы по результатам расчетов приводятся в разделе 3 настоящей работы.

В целях минимизации количества отключений под нагрузкой высоковольтного выключателя ДСП-120 предлагается ввести в систему управления электропечи функцию форсированного подъема электродов в течение 5 секунд при подаче сигнала на отключение выключателя. Реализация предложения позволит повысить эксплуатационный ресурс выключателя.

3.4 Расчеты процессов коммутации 120-тонной электропечи ПАО «АМЗ» вакуумным выключателем

В настоящем разделе приводятся расчеты переходных процессов при коммутациях ДСП-120 вакуумным выключателем 3АН4, предлагаемым к установке взамен элегазового выключателя. При использовании вакуумных и элегазовых выключателей для коммутаций дуговых электропечей первостепенное значение имеет проблема защиты от перенапряжений высоковольтного электрооборудования и электрических сетей и в первую очередь - электропечных трансформаторов. Такие выключатели способны создавать перенапряжения высокой кратности в связи с интенсивным гашением дуги и быстрым нарастанием электрической прочности меж контактного промежутка. При этом могут возникать срезы тока, многократные повторные зажигания дуги между контактами, вызывающие коммутационные перенапряжения. В связи с большим числом циклов включения и отключения дуговых сталеплавильных печей (до 100 и более в сутки) вероятность возникновения опасных перенапряжений весьма высока.

Уровень коммутационных перенапряжений, создаваемых вакуумными и элегазовыми выключателями, зависит от многих факторов и, прежде всего, от технических характеристик коммутационного аппарата, параметров и режимов коммутируемой сети и пр. Поэтому состав и характеристики комплекта средств защиты от перенапряжений выбираются индивидуально для конкретных условий.

3.5 Особенности коммутаций дуговых электропечей вакуумными и элегазовыми выключателями и выбора средств защиты от перенапряжений.

Вакуумные и элегазовые выключатели имеют высокую отключающую способность и могут "срезать" (резко обрывать) ток до естественного перехода его через нулевое значение, а также отключать высокочастотные токи с частотой несколько сотен килогерц. При коммутациях относительно малых индуктивных токов эти свойства выключателей при определенных сочетаниях параметров схемы и начальных условий переходного процесса могут возбуждать опасные для изоляции электрооборудования перенапряжения.

Отключение тока при срезе происходит практически мгновенно. Магнитная энергия, накопленная в индуктивности к моменту среза, рассеивается в переходном процессе при колебаниях контура цепи нагрузки. Теоретический максимум перенапряжений Uм на нагрузке формируется при полном переходе накопленной контуром энергии в емкость контура. Из условий баланса энергии максимум перенапряжений

Uм = U0 + Iср Ч Zк

где: U0 - максимальное значение напряжения рабочей частоты на нагрузке в момент среза тока: В;

Iср - значение тока индуктивности в момент среза: А.

Zк - характеристическое сопротивление колебательного контура цепи нагрузки, Ом.

Абсолютные значения перенапряжений этого типа не зависят от номинального напряжения сети и поэтому наибольшую опасность они представляют для оборудования систем низших классов напряжения. В последние годы подбором контактных материалов существенно снижены уровни тока среза в вакуумных выключателях, что привело к снижению кратностей перенапряжений этого типа. Однако, срез тока может инициировать многократные повторные зажигания (ПЗ) со значительно более тяжелыми воздействиями на изоляцию.

Срез напряжения на контактах выключателя при повторном зажигании возбуждает колебания в высокочастотном (ВЧ) контуре, вызванные перераспределением заряда между емкостями коммутируемого ответвления и емкостями, подсоединенными на стороне источника питания. Сразу после "среза" тока между расходящимися контактами выключателя начинает действовать переходное восстанавливающиеся напряжение, определяемое разностью напряжения на отключаемом присоединении и напряжением питающей сети. Если переходное восстанавливающееся напряжение превысит электрическую прочность межконтактного промежутка, которая растет с увеличением расстояния между контактами выключателя, возникает пробой и через промежуток протекает высокочастотный ток. Ток в выключателе содержит составляющую рабочей частоты и наложенную на нее составляющую тока с частотой несколько сотен килогерц. При этом суммарный ток выключателя может переходить через нулевое значение и, если крутизна тока вблизи нуля не чрезмерно высока, выключатель отключит нагрузку.

После отключения переходное восстанавливающееся напряжение может снова превысить прочность промежутка выключателя и вызвать ПЗ. Рассмотренный процесс может повторяться многократно. В процессе многократных ПЗ прочность межконтактного промежутка нарастает. При этом растут также напряжения ПЗ и амплитуды токов ВЧ колебаний. Кроме того, на каждом интервале проводимости выключателя увеличивается ток в индуктивности нагрузки, а вместе с ним и переходное восстанавливающееся напряжение при каждом отключении ВЧ тока. В зависимости от параметров схемы, характеристик восстанавливающейся прочности промежутка выключателя, а также от интервала времени между моментом отделения контактов выключателя и следующим за ним моментом отключения тока возможны два варианта завершения процесса многократных ПЗ:

1. После многократных ПЗ выключатель перестает отключать ток, поскольку мгновенное значение тока рабочей частоты превышает максимальное значение ВЧ тока и суммарный ток не переходит через нулевое значение. Дуга в промежутке горит в течение полупериода рабочей частоты, а отключение тока нагрузки происходит при следующем переходе его через нулевое значение без ПЗ, поскольку к этому моменту восстанавливается полная прочность промежутка выключателя. Таким же образом после первого ПЗ завершается процесс отключения нагрузки, когда частота колебаний превышает предел способности выключателя отключать ВЧ токи.

2. Отключение происходит при первом переходе тока через нулевое значение, когда в процессе многократных ПЗ нарастающая прочность межконтактного промежутка превышает переходное восстанавливающееся напряжение на контактах.

Наиболее опасным режимом (и наименее вероятным) при коммутациях цепей вакуумными и элегазовыми выключателями является так называемый "виртуальный срез" тока. Явление "виртуального среза" вызвано следующим обстоятельством. За счет существования межфазной связи после отключения первой фазы в двух остальных фазах также начинаются высокочастотные колебания, при этом токи промышленной частоты в этих фазах близки к максимальному значению. Если высокочастотный ток близок по значению к току промышленный частоты, это может привести к резкому снижению тока до нуля, что может привести к его отключению. Отключение такого большого тока нагрузки может привести к перенапряжениям, гораздо более опасным, чем возникающие в случае обыкновенного "среза" тока.

В реальных условиях, особенно при большом количестве ПЗ, значения перенапряжений на зажимах нагрузки могут существенно превышать уровни допустимых воздействий на изоляцию. В таких случаях только применение защиты от перенапряжений может обеспечить надежную эксплуатацию электрооборудования.

Условия работы изоляции электрооборудования и электрических сетей дуговых электропечей имеют ряд отличий от электроустановок общего назначения. Это связано с особенностями схем электроснабжения, спецификой параметров, режимов работы и устройства установок.

Наибольшие уровни перенапряжений возникают при коммутациях дуговых электропечей выключателями с интенсивным гашением дуги и быстрым нарастанием электрической прочности межконтактного промежутка - вакуумными и элегазовыми выключателями. Поэтому вопросы защиты от перенапряжений электрооборудования установок дуговых электропечей, коммутируемых такими выключателями, имеют особо важное значение.

Условия работы электропечных трансформаторов отличаются от условий работы трансформаторов электроустановок общего назначения. Эти отличия могут усилить негативные воздействия на изоляцию, вызванные явлениями, которые были отмечены выше. Такими особенностями являются: большое число включений со стороны питания (до ста и более раз в сутки), вариации режимов, предшествующих коммутациям, конструктивные особенности обмоток электропечных трансформаторов. Большое число коммутаций приводит к увеличению вероятности появления неблагоприятных воздействий на изоляцию трансформатора. Коммутации могут осуществляться как в режиме холостого хода, так и в режимах минимальной и номинальной нагрузки, двух- трехфазных эксплуатационных коротких замыканий.

По причине малого числа присоединений в сети, в процессе коммутаций высокочастотные колебания возникают и на стороне питания, что увеличивает вероятность возникновения повторных зажиганий. Приход серии импульсов напряжений, вызванных повторными зажиганиями, частота следования которых близка к собственным колебаниям регулировочной обмотки электропечного трансформатора, может возбудить в ней резонансные колебания.

Ввиду того, что регулировочная обмотка в момент коммутации представляет собой колебательную систему со слабым демпфированием, резонансные колебания могут привести к повреждению обмотки, что наблюдалось на практике.

В отечественной практике и за рубежом накоплен значительный опыт применения средств защиты от перенапряжений электропечных трансформаторов и другого высоковольтного электрооборудования при использовании вакуумных и элегазовых выключателей для коммутаций дуговых электропечей.

Вместе с тем, в зависимости от технических характеристик коммутационного аппарата, параметров и режимов работы электрической сети состав и характеристики комплекта средств ограничения перенапряжений выбираются индивидуально для конкретных условий.

В установках дуговых электропечей с напряжением питания 35 кВ для защиты от коммутационных перенапряжений принято устанавливать два комплекта ограничителей перенапряжений (ОПН), включаемых между фазами и между каждой фазой и землей. С целью снижения опасных воздействий на изоляцию частых импульсов перенапряжений, возникающих при повторных зажиганиях дуги в выключателе, между каждой фазой и землей устанавливаются защитные резистивно-емкостные цепи (RC-цепи).

ОПН начинает оказывать свое влияние на переходный процесс, только если напряжение превысит значение его наибольшего длительно допустимого напряжения. При этом ОПН не влияет на частоту колебаний, а это значит, что не исключается возможность инициирования процесса ПЗ. Напряжение ограничивается до уровня остающегося напряжения, определяемого током, протекающим через ОПН. Таким образом, использование одних ОПН в качестве защиты электропечных трансформаторов от коммутационных перенапряжений, вызванных вакуумными и элегазовыми выключателями, является недостаточной защитной мерой.

Влияние резистивно-емкостных цепей на переходный процесс характеризуется уменьшением частоты колебаний и их демпфированием, а также способствует затуханию волновых процессов в кабелях, что позволяет существенно уменьшить вероятность возникновения повторных зажиганий. При правильно выбранных значениях активного сопротивления и емкости можно полностью исключить возможность возникновения ПЗ. На выбор параметров RC-цепей оказывает влияние большое число факторов, связанных с особенностями сетей электроснабжения дуговых электропечей, режимами, в которых осуществляются коммутации, конструктивными особенностями выключателей. При выборе параметров необходимо учитывать, что установка RC-цепей неизбежно ведет к увеличению тока однофазного замыкания на землю.

RC-цепи выполняют следующие функции:

- снижают уровень коммутационных перенапряжений, обусловленных срезом тока, так как емкость уменьшает волновое сопротивление линии и благодаря этому примерно в той же пропорции снижает амплитуду импульса;

- замедляют нарастание импульса перенапряжения и за счет этого исключают повторные зажигания дуги в выключателе;

- обеспечивают равномерное распределение напряжения в обмотках трансформатора при переходном процессе и благодаря этому предохраняют от пробоя витковую изоляцию;

- резистор используется для демпфирования колебательных процессов между индуктивностью и емкостью.

Параметры и оборудование устройств защиты от перенапряжений выбираются на основании расчетов процессов коммутаций электрической цепи дуговой электропечи.

3.6 Режимы коммутации и представления данных расчетов переходных процессов

Расчеты процессов коммутаций ДСП-120 вакуумным выключателем проводились для наиболее тяжелых режимов, сопровождающихся максимальными уровнями перенапряжений. Для представления результатов расчетов выбраны режимы номинальной и пониженной нагрузки, перегрузки, холостого хода, режимы эксплуатационных коротких замыканий. Коммутации при промежуточных значениях нагрузок сопровождаются меньшими уровнями перенапряжений. Специальное внимание в расчетах уделялось режимам пониженной нагрузки и холостого хода как наиболее неблагоприятным при коммутациях.

Результаты расчетов процессов коммутаций для режимов номинальной и пониженной нагрузки, перегрузки, холостого хода и режимов эксплуатационных коротких замыканий представлены в последующих материалах.

Приняты следующие обозначения время отключения, при котором имеют место повторные зажигания, расчетное количество повторных зажиганий в переходном процессе, кратность перенапряжений на вводах электропечного трансформатора в относительных единицах (относительно амплитудного значения фазного напряжения сети 35 кВ, т.е. 28,56 кВ) и максимальный в данном переходном процессе интервал времени между началом расхождения контактов первого отключаемого полюса выключателя и моментом отключения первой фазы нагрузки, в пределах которого отключение происходит с повторными зажиганиями дуги в выключателе за пределами этого диапазона отключение происходит без повторных зажиганий.

Применяемые средства защиты от перенапряжений:

ОПН - ограничители перенапряжений, «R» и «C» - защитные «RC»-цепи, «R» и «C» + «ОПН» - защитные «RC»-цепи и «ОПН» совместно.

При коммутациях вакуумным выключателем рассматривался режим, когда все другие электроприемники отключены. Такой подход позволяет рассмотреть самые тяжелые режимы коммутаций с точки зрения уровней возникающих при этом перенапряжений.

Наиболее опасными при отключениях нагрузочных режимов, двух- и трехфазных эксплуатационных коротких замыканий, являются коммутации, при которых инициируется процесс повторных зажиганий. Поэтому расчеты коммутаций проводились для нескольких значений времени отключения. Чтобы охватить весь временной диапазон, внутри которого происходят повторные зажигания, в качестве расчетных значений времени отключения были приняты: t равно 0,14 мс, что соответствует углу отключения j равно 2,5°, максимальное время отключения t равно 0,28 мс ( j равно 5°). Выбор расчетных значений времени отключения проводился в зависимости от величины Тmах.

При проведении расчетов фиксировались значения наибольшей кратности перенапряжений и расчетного числа повторных зажиганий. Оценка возможности использования установленного оборудования для защиты от коммутационных перенапряжений, создаваемых вакуумным выключателем, производилась на основе анализа значений кратности перенапряжений и количества повторных зажиганий.

3.6.1 Обследование стеновых водоохлаждаемых панелей ДСП-120 ПАО «АМЗ», подверженных прожогам

По предложению ПАО «АМЗ» специалистами НПЦ «Энерготехнология» и ЭСПЦ-2 ПАО «АМЗ» проводилось обследование стеновых водоохлаждаемых панелей 120-тонной электропечи, подверженных прожогам. Обследование преследовало цели выявления причин прожогов и разработки предложений по минимизации прожогов.

Согласно информации специалистов ЭСПЦ-2 в основном прогорают панели, в которые встроены устройства интенсификации плавки, панели, причем наиболее часты прожоги панели расположенной слева со стороны рабочего окна ДСП.

Конструкция водоохлаждаемых панелей ДСП-120, подверженных прожогам, это так называемые панели-зонтики разработки ООО НТП «Аконт». На панелях прогорают только нижние медные трубы. Прожоги носят случайный характер и происходят без привязки к каким-либо специфичным явлениям в рабочем пространстве ДСП. Необходимо отметить, что на использовавшихся ранее панелях с интенсификаторами конструкции фирмы Даниели (прямые панели) прожоги труб отсутствовали.

Проводилось обследование подверженных прожогам водоохлаждаемых панелей ДСП-120 с целью оценки и минимизации влияния на прожоги факторов электрического характера. По результатам обследования разработана рабочая документация по усилению заземления панелей. Реализация предложенных в мероприятий, по отзывам специалистов в ЭСПЦ-2, не решила проблему прожогов панелей.

Комплексный анализ информации по прожогам медных труб панелей зонтиков конструкции ООО НТП «Аконт» показывает, что прожоги, с высокой вероятностью, обусловлены причинами не электрического характера.

Нижняя часть стеновых водоохлаждаемых панелей-зонтиков, выполненная из медных труб, испытывает максимальные тепловые нагрузки от электрических дуг, зеркала расплавленного металла и шлака. Поэтому, по нашей оценке, наиболее вероятной причиной прожогов нижних медных труб водоохлаждаемых панелей-зонтиков является недостаточно эффективное водяное охлаждение медных труб при возможном прямом излучении электрических дуг, а также конструктивные особенности панелей-зонтиков.