//Электрика. – 2009. – № 10.– С. 7–11.

ПОВЫШЕНИЕ КАЧЕСТВА ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ И КОМПЕНСАЦИЯ РЕАКТИВНОЙ МОЩНОСТИ НА МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИХ ПРЕДПРИЯТИЯХ С ДУГОВЫМИ ПЕЧАМИ

Г. Я. Вагин, д.т.н., проф., А. А. Севостьянов, к. т. н. доцент, С. Н. Юртаев, аспирант

Нижегородский государственный технический университет

 

Большое распространение на металлургических предприятиях крупных дуговых печей (ДП) создаёт следующие проблемы:

1)      значительно возрастает стоимость систем электроснабжения из-за необходимости применения более высоких напряжений;

2)      значительно ухудшается качество электроэнергии (КЭ) как на самóм предприятии, так и в точках его подключения к сетям энергосистем;

3)      возникают проблемы с компенсацией реактивной мощности, так как ДП имеют сравнительно низкий cos φ (0,7–0,78).

На ряде предприятий вместо мартеновских печей начали внедрять ДП мощностью до 150 МВА и агрегаты внепечной обработки металла "печь–ковш" (АПК) мощностью до 25 МВА. Применение таких комплексов требует для их питания применять напряжение 220–500 кВ, что приводит к удорожанию систем электроснабжения в десятки раз.

Необходимость расчёта показателей качества электроэнергии (ПКЭ) в случае использования крупных ДП возникает как при выборе их точек подключения, так и при формировании схем электроснабжения.

В соответствии с п. 7.5.44 ПУЭ допускается подключать ДП к электрическим сетям общего назначения без выполнения специальных расчётов колебаний напряжения и содержания высших гармоник, если соблюдается условие

,

 

где SПТi – номинальная мощность i-го печного трансформатора, МВА;   – мощность короткого замыкания в месте подключения ДП к электрическим сетям общего назначения, МВА; n – число одновременно работающих печей; Д – коэффициент (Д=1 для ДП переменного и Д=2 для ДП постоянного тока). Таким образом, для выбора точки подключения надо знать номинальные мощности печей и мощности короткого замыкания в точках подключения.

Ниже приведены пределы мощностей короткого замыкания на различных напряжениях.

Напряжение, кВ

Мощность короткого замыкания, МВА

6–10………………………………………………..…….100–500

35…………………..……………………………..………..500–1200

110…………………………………………………………1600–6000

220……………………………………………………..……3000–10000

500…………………………………………………………10000–20000

Исходя из этих данных, без расчёта ПКЭ можно подключать на разные напряжения печи следующих мощностей:

Напряжение, кВ

Подключаемая мощность, МВА, не более

6 – 10…………………………………………...…………..…………….5

35………………………………….…….………..…………..………..12

110………………………………………………………………………60

220……………………………………………………………..………100

500…………………………………………..…………………………200

Отсюда следует, что ДП мощностью более 100 МВА необходимо подключать на напряжение 500 кВ.

Как показано в работах [1–5] для повышения качества электроэнергии и cos φ в сетях с дуговыми печами весьма перспективно применять фильтрокомпенсирующие устройства (ФКУ) прямой или косвенной компенсации.

При выборе ФКУ необходимо решить три задачи: какое должно быть ФКУ: групповое или индивидуальные; какое ФКУ наиболее надёжно и экономично (прямой или косвенной компенсации); как выбрать параметры отдельных элементов ФКУ.

Первые ФКУ, внедрённые на двух металлургических предприятиях 20 лет назад (рис. 1), были предназначены для повышения КЭ в групповых сетях.

  

                                         а                                                                                                                           б

Рис. 1. Схемы ФКУ прямой (а) и косвенной (б) компенсации

 

Двадцатилетняя практика эксплуатации ФКУ позволяет сделать следующие выводы.

ФКУ прямой компенсации (рис 1, а) имеет меньшую установленную мощность элементов и не генерирует высшие гармоники тока; имеет большее запаздывание срабатывания и соответственно меньший процент снижения колебаний напряжения (рис. 2); наблюдаются частые пробои конденсаторов при их перезарядке и отключение ФКУ для ремонтов.

рис. 2. Колебание напряжений ФКУ косвенной компенсации

 

ФКУ косвенной компенсации (рис. 1, б) имеет меньшее время запаздывания срабатывания и соответственно больший процент снижения колебаний напряжения (см. рис. 2); плавное регулирование и отсутствие бросков тока при регулировании; более надёжен в работе.

Приведённые зависимости коэффициента снижения колебаний напряжения  от степени компенсации реактивной мощности и времени  запаздывания ФКУ показывают, что ФКУ косвенной компенсации при  с может снижать колебания на 55 %, а ФКУ прямой компенсации, имеющий  с – только на 20 %.

Опыт эксплуатации ФКУ (см. рис. 1), также показал, что групповой способ компенсации колебаний напряжения неэффективен, так как частота колебаний возрастает до значения

,

 

где  – частота колебаний от одной ДП; n – число ДП.

При большой частоте колебаний ФКУ не успевает (из-за запаздывания) реагировать на все колебании, кроме этого, как видно из рис. 1,б, в ФКУ устанавливается большое количество фильтров, которые при групповой стабилизации трудно настраивать, и они могут выходить из строя.

На основании опыта эксплуатации ФКУ в настоящее время как в России, так и за рубежом пришли к выводу, что надо применять ФКУ только косвенной компенсации индивидуально на каждой ДП. На рис. 3 приведена схема ФКУ косвенной компенсации, которая в настоящее время монтируется на крупной ДП мощностью 140 МВА на одном из предприятий [5]. ФКУ состоит из управляемого тиристорами реактора ТУР мощностью 160 Мвар и трёх фильтров: широкополосного С-фильтра Ф2 мощностью 50 Мвар; настроенных фильтров на третью Ф3 и четвёртую Ф4 гармоники мощностью 45 и 55 Мвар. Система регулирования ФКУ настроена на поддержание постоянства реактивной мощности в узле нагрузки

.

 

 

рис. 3. Схема новой ФКУ косвенной компенсации для крупной ДП 140 МВА

 

В таблице приведены результаты расчёта ПКЭ для схемы (см. рис. 3). Расчёт проведён для нормального режима работы схемы, когда включены обе питающие линии 500 кВ (SКЗ – максимальная), а также для следующих двух аварийных режимов:

·               функционирует одна линия 500 кВ (SКЗ минимальная);

·               автотрансформатор АТ отключён, и печь питается от шин 110 кВ, имеющих связь с другими источниками.

Видно, что в нормальном режиме работы схемы все ПКЭ на шинах 500 кВ соответствуют требованием ГОСТ 13109–97, а в аварийных режимах доза фликера превышает установленную в нём норму при питании от шин 110 кВ.

Величина ПКЭ при SКЗ, МВА

ПКЭ

На шинах 500 кВ

На шинах 110 кВ

max 17000 МВ·А

min 10400 МВ·А

max 4080 МВ·А

Кратковременная доза фликера, о.е.

с ФКУ

без ФКУ

 

0,6

0,92

 

0,96

1,48

 

2,33

3,59

Коэффициент искажения синусоидальности напряжения, %

0,26

0,41

1,29

Коэффициент несимметрии напряжения по обратной последовательности, %

0,28

0,45

1,34

Рассмотрим, как выбирают параметры ФКУ косвенной компенсации для ДП. Принцип работы данных ФКУ подробно описан в [1–4] и заключается в том, что ТУР потребляет реактивную мощность в противофазе с ДП. Регулирование реактора должно производиться так, чтобы осуществлялось слежение за фронтом наброса и сброса реактивной мощности ДП.

Мощность регулируемого реактора ТУР определяется в следующем порядке:

1)                определяется максимальный размах колебания на шинах источника питания, %

,

(1)

где  – номинальная мощность печного трансформатора, МВА;  – мощность КЗ на шинах источника питания, МВА;

2)                максимальных размах колебаний сравнивают в допустимым  в соответствии с [1]

.   tд

(2)

Если неравенство (2) на шинах источника питания выполняется, то ФКУ устанавливают без реактора ТУР; если не выполняется, определяют коэффициент уменьшения колебаний

;

(3)

3)           зная время запаздывания ФКУ (по данным завода изготовителя), по рис. 2 определяют коэффициент компенсации ;

4)           определяют реактивную мощность ТУР, Мвар

,

(4)

где  – максимальная реактивная мощность печи, Мвар (определятся или по графикам нагрузки печей или принимается равной номинальной реактивной мощности печи);

5)           определяют мощность статического звена ФКУ, состоящего из фильтров высших гармоник (по tg φэс, который для таких потребителей задаёт энергосистема)

,

(5)

где  – расчётная активная мощность печи, МВт (определяется из технологических графиков);

6)           на основании спектрального состава токов генерируемых ДП и ТУР определяют количество фильтров высших гармоник.

Ниже приведён процентный состав гармоник тока генерируемых ДП и ТУР мощностью от 50 до 150 МВА по данным завода изготовителя

Порядок гармоник

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

ДП, %

5,0

6,0

3,0

4,0

1,5

2,0

1,0

1,0

0,5

0,5

0,3

0,2

ТУР, %*

-

-

-

5,1

-

2,6

-

-

-

1,1

-

0,8

* - обмотки ТУР соединены треугольником

Опыт эксплуатации ФКУ [5] показал, что для снижения уровней высших гармоник до требований ГОСТ 13109-97 достаточна установка трёх фильтров (см. рис. 3). Фильтры на третью и четвёртую гармоники являются настроенными на частóты 147,5 и 197,5 Гц соответственно; фильтр на вторую – является широкополосным фильтром типа С, он имеет малое сопротивление широкому спектру гармоник, что позволяет сократить количество фильтров в ФКУ и снизить в них потери электроэнергии.

Как показано в [3], требования к точности настройки фильтров зависят от коэффициента Kр, который определяется по выражению:

,

(6)

где  – мощность КЗ на шинах, где устанавливается фильтры, МВА.

Если Kр≥1,5·10-2, можно сократить число фильтров и снизить требования к их точности настройки. Расчёты показывают, что Kр всегда больше 1,5·10-2 для систем электроснабжения с ДП. Суммарная мощность батарей фильтров должна быть равна или больше QФ, по (5).

Мощность батарей конденсаторов в каждом фильтре определяется по выражению

,

(7)

где  – коэффициент, зависящий от схемы соединения конденсаторов в фильтре (=3 при звезде, = при треугольнике);  – действующее значение гармоник тока, протекающих через фильтр расчётной гармоники np;  – номинальное напряжение конденсаторов в фильтре.

Ток  определяется по выражению

(8)

где  – ток nq-й гармоники;  – доля тока nq-й гармоники, протекающего через фильтр np; к – число гармоник, протекающих через фильтр.

Коэффициент  определяют по выражениям [3]:

·               при одном фильтре:

(9)

·               при двух фильтрах:

;

(10)

;

(11)

где ; ; ; ; .

Сопротивление реактора фильтров определяют по выражению

.

(12)

Выбор параметров фильтра типа С подробно изложен в [6].

После выбора параметров всех трёх фильтров производят проверку остаточных напряжений всех гармоник:

,

(13)

где  – напряжение гармоники до установки фильтра.

Остаточные напряжения сравнивают с нормами ГОСТ 13109–97:

.

(14)

Если неравенство (14) выполняется для всех гармоник, то расчёт заканчивается, если нет – необходимо установить ещё один фильтр на ту гармонику, где .

Напряжение гармоник до установки фильтра определяется по выражению [1].

(15)

где  – суммарная проводимость схемы замещения от ДП до фильтра [1].

Пофазное регулирование обмоток ТУР позволяет снижать также несимметрию напряжения в сетях с ДП.

Выводы

1.            Для повышения качества электроэнергии в электрических сетях с дуговыми печами рекомендуется применять индивидуальные фильтрокомпенсирующие установки косвенной компенсации.

2.            Применение ФКУ позволяет также увеличить вводимую в печь мощность (за счёт стабилизации напряжения), снижает время плавки и повышает производительность ДП.

Список литературы

1.                Вагин Г. Я., Лоскутов А. Б., Севостьянов А. А. Электромагнитная совместимость в электроэнергетике. Н.Новгород: НГТУ, 2004.

2.                Вагин Г. Я., Лоскутов А. Б. Исследование режимов работы мощных статических компенсаторов на металлургических предприятиях // Промышленная энергетика. 1991. № 12.

3.                Желенко И. В., Рабинович М. Л., Божко В. М. Качество электроэнергии на промышленных предприятиях. Киев: Технiка, 1981.

4.                Иванов В. С., Соколов В. И. Режимы потребления и качество электроэнергии систем электроснабжения промышленных предприятий. М.: Энергоатомиздат, 1987.

5.                Вагин Г. Я. К вопросу об экономической целесообразности применения на промышленных предприятиях сверхмощных дуговых печей // Промышленная энергетика. 2009. № 2.

6.                Коверникова Л. И. Применение фильтров С-типа для нормализации напряжений высших гармоник в сети с распределённой нелинейной нагрузкой / Сб. докл. 10-й НТК по Электромагнитной совместимости. СПб., 2008.