Крупные дуговые электропечи являются мощным потребителем электроэнергии, и поэтому электросталеплавильные цехи включают в мощные энергетические системы, объединяющие по нескольку электростанций. К цеховым понижающим подстанциям для уменьшения потерь в линиях передач подводят энергию высокого напряжения (35— 110 кВ). Это напряжение от высоковольтного распределительного устройства по индивидуальной для каждой печи линии подается к печной подстанции (рисунок 1), в которой размещается понижающий печной трансформатор и вспомогательное электрооборудование. Пониженный до 110—600 В ток подается непосредственно к электропечи. Сила тока на этом участке электрической цепи достигает десятков тысяч ампер, вследствие чего на участке от печного трансформатора до электродов имеют место значительные потери мощности. Для уменьшения этих потерь печную подстанцию максимально приближают к печи, а участок цепи от трансформатора до электродов делают возможно более коротким. Поэтому его часто называют короткой сетью печи.
Таким образом, электрическая схема дуговых электропечных установок включает следующее оборудование:
- печь с электродами, исполнительными механизмами регуляторов мощности печи и ванной, в которой горят дуги и находится расплавленный металл;
- понизительные трансформаторы, вместе с которыми размещены дроссели. В настоящее время освоены и выпускаются понизительные трансформаторы со встроенными дросселями, служащими для увеличения индуктивного сопротивления сети и улучшения условий горения дуг;
- короткую сеть, соединяющую вторичные выводы трансформатора с электродами печи;
- коммутационную, измерительную и защитную аппаратуру, провода высокого и низкого напряжения.
Печной трансформатор
Печной трансформатор служит для преобразования электроэнергии высокого напряжения в энергию низкого напряжения.
Понизительные печные трансформаторы вследствие особых условий работы характеризуются рядом особенностей, отличающих их от прочих силовых трансформаторов. К ним относятся:
- большая величина номинальной силы тока на стороне низкого напряжения, составляющая десятки тысяч ампер;
- повышенное индуктивное сопротивление обмоток, необходимое для ограничения силы токов короткого замыкания до 2,5—3,5-кратной величины по отношению к номинальной силе тока, так как сталеплавильные печи работают с частыми замыканиями электродов на шихту при зажигании дуги и обвале шихты в период расплавления;
- повышенная механическая прочность крепления обмоток и отводов, рассчитанных на частые толчки токов и короткие замыкания;
- возможность регулирования напряжения под нагрузкой в широких пределах.
Трансформатор состоит из трех обмоток высокого напряжения, выполненных из медного провода относительно небольшого сечения, и трех обмоток низкого напряжения, выполненных из шин большого сечения.
На первичной обмотке имеется ряд отпаек от разного числа витков, что позволяет изменять соотношение числа витков первичной и вторичной обмоток и величину вторичного напряжения, так как
Все шесть обмоток посажены на связанные между собой три сердечника (магнитопровода). Сердечник трансформатора с обмотками опускают в плотно закрываемый кожух, заполняемый трансформаторным маслом. Масло является хорошим электрическим изолятором и обладает большой теплопроводностью, что обеспечивает отвод тепла от катушек и сердечника трансформатора. Нагревается трансформатор за счет потерь мощности на активное сопротивление медных обмоток и на перемагничивание сердечника.
Над трансформатором устанавливают соединенный с ним бачок расширитель, в котором содержится резерв масла. Этим обеспечивается постоянное заполнение маслом всего объема трансформатора и уменьшается поверхность соприкосновения масла с воздухом. В случае повреждения или оголения обмоток происходит разложение масла с выделением газов. О появлении газов в трансформаторе сигнализирует газовое реле, установленное в верхней части бака трансформатора. Газовое реле при появлении небольшого количества газов — продуктов разложения масла подает предупредительный сигнал.
Для ограничения силы токов короткого замыкания в трансформатор встраивают дроссель, включение и выключение которого осуществляется специальным шунтирующим контактором. Современные печные трансформаторы снабжают устройствами переключения ступеней напряжения под нагрузкой, которые позволяют изменять напряжение на дуге без отключения печи.
Для питания цепей защиты, контроля и измерения, а также цепи регулятора мощности дуги устанавливают трансформаторы тока. Печные трансформаторы оборудованы также приборами контроля уровня и температуры масла. Для защиты рабочих обмоток и переключающего устройства от перенапряжений, наводимых со стороны обмотки высокого напряжения, на трансформаторе устанавливают вентильные разрядники.
Печные трансформаторы рассчитаны на режим работы с периодической перегрузкой на 20% в течение 2 ч и последующей работой на номинальной силе тока в течение 2,5ч.
В связи с тем, что в современном сталеплавильном цехе печной пролет размещен в середине цеха между шихтовым и разливочным пролетами, а трансформатор устанавливают не далее 1— 1,5м от печи, естественное охлаждение его осуществить затруднительно. В то же время мощность тепловыделения в трансформаторе достигает десятков и сотен киловатт, поэтому его необходимо охлаждать принудительно. Для охлаждения применяют принудительную циркуляцию масла, пропускаемого через водяной маслоохладитель. Система охлаждения состоит из двух комплектов маслоохладителей и насосов, работающих независимо один от другого.
Для удобства монтажа и демонтажа трансформатор снабжают переставными катками, позволяющими закатывать его в подстанцию широкой или узкой стороной по одной и той же стандартной колее шириной 1524 мм.
Устройство для переключения ступеней напряжения предназначено для ступенчатого изменения мощности, выделяющейся в дугах. Регулирование мощности может осуществляться либо переключением схемы соединения первичных обмоток трансформатора (со «звезды» на «треугольник» и наоборот), либо включением и отключением части витков первичных обмоток и изменением коэффициента трансформации.
Переключением первичной обмотки трансформатора с «треугольника» на «звезду» вторичное напряжение уменьшается в v3 раза. Если при этом общее сопротивление цепи не изменяется, то в vз раза уменьшается и сила тока, в результате чего мощность дуги уменьшается в 3 раза. Такое переключение возможно только при отключенной нагрузке. В трансформаторах, переключаемых под нагрузкой, вторичное напряжение регулируют только изменением числа включенных витков первичной обмотки. Переключать витки вторичной обмотки под нагрузкой невозможно вследствие очень больших токов.
При переключении под нагрузкой для перестановки переключателя с одного контакта на другой необходимо на какой-то момент времени либо разорвать цепь, либо часть обмотки замкнуть накоротко одновременным включением двух соседних контактов. Разрыв цепи под нагрузкой сопровождается образованием дуг, разрушающих контакты. Поэтому на практике пользуются вторым способом.
На переключателе имеются два подвижных контакта, которые в рабочем положении замкнуты с одним и тем же контактом обмотки. При переключении подвижные контакты перемещаются на соседний контакт обмотки последовательно и на какое-то время часть обмотки замыкается накоротко.
Чтобы ограничить силу тока в режиме короткого замыкания, обмотку делят на большое число секций и тогда разность потенциалов между соседними секциями и сила тока невелики. По этой причине число ступеней напряжения у трансформаторов с переключением под нагрузкой исчисляется десятками.
Аппарат для переключения напряжения без нагрузок достаточно прост, но у него также должен быть электрический привод, являющийся довольно сложным элементом, и поэтому в целом по сложности аппарат приближается к регулятору, работающему под нагрузкой.
Регулятор несколько дороже, но позволяет без отключения выключателя переходить с одного режима на другой, что снижает износ выключателя, предотвращает охлаждение металла, ускоряет процесс переключения.
Дроссель
При неустойчивых режимах работы печей малой и средней емкости необходимо включать дополнительное индуктивное сопротивление — дроссель. В современных устройствах дроссель встраивают в трансформатор.
Величина относительного индуктивного сопротивления дросселей колеблется в пределах от 5 до 30%. Чтобы индуктивность дросселя не падала с увеличением силы тока, дроссель выполняют с малой индукцией в стальном сердечнике. Обмотку дросселя вместе с сердечником и обмоткой трансформатора погружают в масло.
Выключатель, шунтирующий дроссель
Наличие дросселя в цепи снижает коэффициент установки, поэтому после того, как оканчиваются обвалы шихты и в ванне печи появляется жидкий металл, дроссель шунтируют с помощью специально встроенного в трансформатор приспособления с контактором. В установках, не имеющих такого приспособления, устанавливают
шунтирующий выключатель.
Линия высокого напряжения
Для подвода тока от высоковольтного распределительного устройства к печному трансформатору применяют разъединители, выключатели мощности и высоковольтный кабель. Кроме разъединителей, устанавливаемых в питающей цепи, в целях техники безопасности предусматривают установку заземляющих разъединителей.
Выключатель мощности.
В схеме питания электропечи, как правило, устанавливают два трехфазных выключателя мощности. Один выключатель располагают в высоковольтном распределительном устройстве на отходящей линии, питающей печь. Он служит для отключения печи при аварийных режимах, т. е. при коротких замыканиях. Когда сила тока превышает допустимые значения, при перегревах трансформатора, бурном выделении газа в трансформаторе (витковое замыкание) и в других такого рода случаях. Второй оперативный выключатель, располагаемый в непосредственной близости к печи, служит для дистанционного отключения ее при переходе со схемы «звезда» на схему «треугольник» или наоборот, при окончании плавки, снятии шлака, садке материалов завалочными машинами.
В то время как от выключателя, выключающего печь в аварийных режимах, требуется высокая надежность, от оперативного выключателя наряду с надежностью требуется высокая износоустойчивость. В настоящее время в качестве оперативных масляных выключателей для печей большой емкости, работающих при первичном напряжении трансформаторов 35 кВ, в качестве оперативных применяют воздушные выключатели, а для печей малой и средней емкости с первичным напряжением печных трансформаторов 6…10 кВ —электромагнитные выключатели.
Воздушный выключатель
Основной элемент выключателя — гасительная камера (рисунок 2). Для отключения подают импульс на отключающую катушку, которая открывает клапан, выпускающий сжатый воздух из резервуара через отверстие 1 в изоляционный цилиндр 4 воздух давит на поршень 6 и, преодолевая силу пружины 7, поднимает вверх контакт 4. При разрыве контактов 4 и 2 возникает дуга, вытесняемая потоком сжатого воздуха через отверстия 3 во внутренние полости контактов.
После того как величина силы переменного тока проходит через нуль, дуга уже не зажигается.
Недостатком воздушных выключателей является необходимость установки для компрессии, осушки и очистки воздуха, состоящей из двух компрессоров высокого давления (рабочего и резервного), резервуара сжатого воздуха, устройств для осушки и очистки воздуха. Так, освоенный Ленинградским заводом «Электроаппарат» печной выключатель мощности типа ВВП-35 мощностью 35кВт требует на одно отключение 1500л воздуха при давлении 2,1 Мн/м2 (21 ат).
Электромагнитный выключатель
Контактная система выключателя (рисунок 3) состоит из главных 1 и дугогасительных 7 контактов. При отключении выключателя вначале размыкаются главные, а затем дугогасительные контакты, расположенные внутри дугогасительных камер 8. Наконечники дугогасительных контактов выполнены из дугостойкого материала. Дугогасящая система каждого полюса состоит из дугогасящей камеры и П-образного электромагнита 5, па среднюю часть которого надета катушка 2, создающая магнитное дутье.
Дугогасящая камера опирается на полюсные наконечники П-образного электромагнита, охватывающего ее с трех сторон, и представляет собой коробку, выполненную из электроизоляционного материала, внутрь которой закладывается пакет дугогасящих керамических пластин 4, расположенных на небольшом расстоянии друг от друга. В нижней части пластин имеются вырезы, постепенно сужающиеся кверху. По бокам пакета укреплены медные рога 3, 6. Передний рог 3 электрически соединен с катушкой магнитного дутья, второй конец которой присоединяется к неподвижному контакту выключателя. Задний рог 6 соединен с подвижным контактом. Для сокращения времени горения дуги (при малых силах тока) каждый полюс выключателя снабжен воздушным поддувом 9, состоящим из цилиндра, жестко связанного с подвижным контактом и поршня. В процессе отключения поршень вдвигается в цилиндр, вытесняет из него воздух, который по специальной трубке подается в зону между размыкающимися дугогасительными контактами.
Дуга, возникающая при размыкании дугогасительных контактов, под действием электродинамических сил контура и тепловых конвекционных потоков выдувается вверх в дугогасящую камеру и касается переднего рога (положение Б). В момент погасания короткого участка дуги между неподвижным контактом и передним рогом последовательно в цепь включается катушка магнитного дутья, через которую протекает полной силы ток отключаемой цепи. Между полюсными наконечниками электромагнита 5 создается интенсивное магнитное поле. Взаимодействуя с током дуги, это магнитное поле заставляет основные дуги перемещаться по медным рогам камеры и подниматься вверх в узких щелях между холодными керамическими пластинками.
Поднимаясь вверх в вырезах пластин, дуга отдает керамическим пластинам свое тепло, постепенно удлиняется и гаснет. Быстрый сброс дуги с контактов на рога и ее последующее движение вдоль
рогов обеспечивают высокую износоустойчивость контактных частей выключателя.
Электромагнитные выключатели ВЭМ-10К зарекомендовали себя как надежные и не требующие особого ухода аппараты.
Воздушные разъединители
Воздушные разъединители служат для отключения и заземления электропечной установки, на линии которой предстоит провести ремонтные работы. Отключение разъединителей и заземление установки осуществляются при выключенном выключателе мощности.
Разъединитель, заземляющий шины короткой сети, позволяет исключить возможность наведения в первичной обмотке печного трансформатора токов, опасных для изоляции обмоток трансформатора и для лиц, ведущих работу на стороне высокого напряжения.
Ножи и неподвижные контакты разъединителей изготовляют из меди. Не допускается установка разъединителя во взрыво- и пожароопасных помещениях, а также в среде с агрессивными газами (пары кислот, щелочей и т. д.). При включенном и отключенном положениях ножи запираются специальным зацепом, что исключает самопроизвольное открытие или закрытие их под влиянием силы тяжести, сотрясений и электромагнитных сил.
