Українська   English
ДонНТУ   Портал магистров

Кондуктивные помехи электромагнитной совместимости от дуговой электросталеплавильной печи

Содержание

Введение

Дуговая сталеплавильная печь (ДСП) создает в электрической сети разнообразные кондуктивные помехи электромагнитной совместимости (ЭМС): отклонения, колебания, насимметрию и несинусоидальность напряжения, которые негативно влияют на другие электроприёмники.

Исходными данными для оценивания ЭМС являются полученные опытным путём графики действующих значений тока I за каждый период 0,02с и осциллограммы мгновенных значений тока i в трёх фазах, по которым рассчитывается параметры ЭМС. Исключение составляют колебания тока, которые требуют графиков действующих значений за полупериод 0,01с [2].

Первой задачей является разработка математической модели входных процессов – токов. Они представляют случайные процессы, для которых рассчитываются средние значения, корреляционные функции (КФ), а также законы распределения ординат Последние из них обычно аппроксимируется нормальными распределениями. КФ аппроксимируется экспоненциальными и экспоненциально-косинусоидальными выражениями. Неравномерность графиков нагрузки с течение времени плавки уменьшается, поэтому характеристики токов определяются в пределах участков стационарности длительностью 1 мин.

1. Актуальность задачи

Совместимость субъектов различных видов деятельности, процессов, популяций – это комфортное существование каждого из них при отсутствии недопустимого влияния на другие субъекты. В системах электроснабжения электрооборудование, приборы, аппараты и другие устройства находятся в общей для них электромагнитной среде, причём любое из устройств является источником (генератором) электромагнитных помех, в то же время на него воздействуют электромагнитные помехи, создаваемые другими источниками. В общем случае электромагнитная помеха характеризуется как воздействие, искажающее основной сигнал и нежелательно влияющее на него [4].

Проблема электромагнитной совместимости, ставшая актуальной в 1940-х годах для систем передачи информации, выдвигается на первый план во всех областях производства, передачи и распространения электроэнергии. Усложнение электрических систем, введение в эксплуатацию мощных электроприводов, вентильных преобразователей, высокая степень автоматизации производства резко обостряют проблему электромагнитной совместимости. Её значимость соизмерима со значимостью проблем энергосбережения, надёжности и энергетической безопасности.

В системах электроснабжения промышленного предприятия особое внимание уделяется кондуктивным помехам, которые в сетях трёхфазного переменного тока определяются различного рода искажениями синусоидальной формы кривых напряжений и тока и действующего значения напряжения (отклонения напряжения). Эти электромагнитные помехи не исчерпывают все виды помех, указанных в ГОСТ 32144-2013, однако они являются преобладающими, так как оказывают наибольшее влияние на электроприёмники. Значения их принято называть показателями электромагнитной совместимости или показателями качества электроэнергии. Проблема качества электроэнергии является одной из важнейших составных частей общей проблемы электромагнитной совместимости.

2. Цель и задачи исследования, планируемые результаты

Полученные результаты будут использованы для оценки ЭМС при работе ДСП конкретного предприятия. Статические характеристики параметров Режима и ЭМС могут быть использованы в проектировании новых предприятий с такими же ДСП.

Основные задачи исследования:

1. Разработка математических моделей установок для исследования влияния на питающую сеть и нагрузку.

2. Определение наиболее рационального способа уменьшения кондуктивных помех, генерируемых в питающую сеть дуговыми сталеплавильными печами совместно с нелинейной нагрузкой.

3. Исследование эффективности принятых схемотехнических решений для обеспечения электромагнитной совместимости электротехнологических установок с дуговыми сталеплавильными печами при питании либо от энергосистемы, либо от автономного источника электропитания.

4. Разработка методики расчёта специальных трансформаторов для обеспечения электромагнитной совместимости дуговой сталеплавильной печью с сетью и нагрузкой.

5. Исследование влияния высших гармоник тока, генерируемых дуговой сталеплавильной печью с нелинейной нагрузкой, на увеличение потерь активной мощности в электрической сети.

Схема электроснабжения ДСП

Рисунок 1 – Схема электроснабжения ДСП

3. Обзор кондуктивных помех

3.1 Дуговая сталеплавильная печь

Нелинейность вольт-амперной характеристики дуги приводит к генерации печами токов высших гармоник. Формы кривых тока печей в большой степени зависят от режима горения дуги в разные периоды плавки. В начальный период расплавления ток печи колеблется между токами режима холостого хода и короткого замыкания, форма кривых токов значительно отличается от синусоидальной. С появлением жидкого металла плавку ведут при короткой дуге, колебания тока сравнительно меньше. Форма кривых тока улучшается и приближается к синусоидальной [3].

В сравнении с вентильными преобразователями той же мощности уровни гармоник, генерируемых дуговыми печами, оказываются в 3 раза меньше. Сказанное относится к периоду расплавления, поэтому для практических целей важно знать уровни гармоник для периода расплаления.

Уровень 5, 7, 11 и 13-й гармоник тока, генерируемых электродуговыми печами, относительно невелик. Эквивалентное действующее значение их не превосходит 10% тока 1-й гармоники. В токах дуговых электропечей содержатся также анормальные 2, 3, 4, 6-я гармоники. Основными причинами появления анормальных гармоник являются непрерывное изменение условий горения дуг печи и неполное выравнивание сопротивлений короткой сети. Эквивалентное действующее значение токов высших гармоник в токе за счет анормальных гармоник возрастает в 1,8 (2 раза).

Картинки по запросу сталеплавильная печь гиф картинка

Анимация (13 кадров, 562 кбайт, повторение постоянно) – Принцип дейсвтия электродуговой сталеплавильной печи

Дуговые вакуумные печи получают питание от вентильных преобразователей, которые коммутируются по 6-фазной схеме с уравнительным реактором. Кривая сетевого тока оказывается такой же, как и мостовых преобразователей электроприводов. Уровень анормальных гармоник тока оказывается весьма значительнее I2(8%), I3(6%).

Однофазные печи электрошлакового переплава являются практически линейной нагрузкой, поскольку переплав электрода осуществляется за счет нагрева слитка в слое расплавленного электропроводного шлака.

Рудиотермические печи работают с шунтированной дугой, благодаря этому нелинейность дуги практически не проявляется. Содержание высших гармоник в токе печей незначительно; уровни 2, 3 и 5-й гармоник тока не превышают 1,5%, остальные гармоники оказываются намного меньше.

Установки электродуговой и контактной сварки. Для установок электродуговой сварки в качестве источника питания используются полупроводниковые выпрямители. Токи высших гармоник, генерируемые сварочными выпрямителями, различны для отдельных режимов работы сварочных установок.

В зависимости от нагрузки выпрямитель может работать в одном из трех режимов: режиме прерывистых токов при малых нагрузках, которому соответствует двухвентильная коммутация А; средних нагрузках В; режиме трехвентильной коммутации при больших нагрузках С [1].

Режим А практического значения не имеет. В режиме В уровни 5-й и 7-й гармоник тока оказываются весьма нестабильными. Уровень высших гармоник тока в режиме С значительно ниже, чем в режиме В.

Установки контактной электросварки включаются в сеть с помощью тиристорных ключей. Для плавного регулирования сварочного тока вентильные устройства снабжаются системами фазового регулирования. Применение фазового регулирования приводит к искажению формы тока, потребляемого сварочными машинами. Определяющими гармониками при разложении тока являются 1, 3 и 5-я. Кроме нечетных гармоник присутствуют также четные гармоники. Появление четных гармоник объясняется разбросом углов регулирования вентилей. Влияние четных высших гармоник на несинусоидальность токов сварочных машин невелико.

Дуговая электросталеплавильная печь

Рисунок 2 – Дуговая электросталеплавильная печь

3.2 Несинусоидальность формы кривой напряжения и тока.

На современных промышленных предприятиях значительное распространение получили нагрузки, вольт-амперные характеристики которых нелинейны. K их числу относятся тиристорные преобразователи, установки дуговой и контактной сварки, электродуговые сталеплавильные и руднотермические печи, газоразрядные лампы и др. Эти нагрузки потребляют из сети ток, кривая которого оказывается несинусоидальной, в результате возникают нелинейные искажения кривой напряжения сети или, несинусоидальные режимы.

Несинусоидальные режимы неблагоприятно сказываются на работе силового электрооборудования, систем релейной защиты, автоматики, телемеханики и связи. Возникающие при этом экономические ущербы обусловлены главным образом, ухудшением энергетических показателей, снижением надежности функционирования электросетей и сокращение срока службы электрооборудования [5].

Основной круг вопросов , составляющих содержание проблемы несинусоидальности, сводится к следующим:

- оценка электромагнитной совместимости источников высших гармоник и других нагрузок;

- количественная оценка высших гармоник тока, генерируемых различными нелинейными нагрузками, и прогнозирование значений высших гармоник тока и напряжения в электросетях.

- снижение уровней высших гармоник

Известно, что любую несинусоидальную периодическую функцию f((t) с периодом 2), удовлетворяющую условию Дирихле можно представить в виде суммы постоянной величины и бесконечного ряда синусоидальных величин с кратными частотами. Такие синусоидальные составляющие называются гармониками.

Синусоидальная составляющая, период которой равен периоду несинусоидальной периодической величины, называется основной гармоникой. Остальные составляющие синусоиды с частотами со второй по n-ю называются высшими гармониками.

Токи высших гармоник, проходя по элементам сети, вызывают падения напряжения в сопротивлениях этих элементов, которые, накладываясь на основную синусоиду напряжения, приводят к искажению формы кривой напряжения.

3.3 Колебание напряжения

При работе электроприемников с резкопеременной ударной нагрузкой в электросети возникают резкие толчки потребляемой мощности. Это вызывает изменения напряжения сети, размахи которых могут достигнуть больших значений. Эти явления имеют место при работе прокатных электродвигателей, дуговых электропечей, сварочных машин и т.д. Указанные обстоятельства крайне неблагоприятно отражаются на работе всех электроприемников, подключенных к данной сети, в том числе и электроприемников вызывающих эти изменения.

Так, например, время сварки у контактных машин в пределах от 0,02 до 0,4 с, то колебания напряжения даже малой длительности сказываются на качестве сварки [6].

При колебаниях напряжения, в результате которых напряжение снижается более чем на 15% ниже номинального, возможно отключение магнитных пускателей, работающих электродвигателей.

На предприятиях с существенной синхронной нагрузкой колебания напряжения могут приводить к выпадению привода из синхронизма и расстройству технологического процесса.

Колебания напряжения отрицательно сказывается на работе осветительных приемников. Они приводят к миганиям ламп, которые при превышении порога раздражительности могут отражаться на длительном восприятии людей.

Колебания напряжения, имеющие место при работе крупных синхронных двигателей с резкопеременной нагрузкой, определяются с учетом переходных процессов, т.к. при этом мощность, потребляемая электродвигателем, значительно отличается от мощности установившегося режима.

Активное сопротивление всех элементов сети, кроме кабелей, значительно меньше индуктивного. Но в заводских сетях крупных предприятий при широком внедрении токопроводов 6-10 кВ и глубоких вводов 110-220 кВ. Они становятся малопротяженными и их доля резко снижается. Поэтому они не оказывают большого влияния на результирующее значение отношения r/x в целом по предприятию. Это позволит упрощенно рассчитать колебания напряжения при резкопеременных ударных нагрузках [7].

На основе изложенного можно сделать вывод о том, что при заданных набросах Р и Q значение колебаний определяется мощностью к.з. питающей сети и чем последняя выше, тем меньше колебания.

Вторым существенным источником колебаний напряжения являются дуговые сталеплавильные печи (ДСП). При работе ДСП имеют место частые отключения, число которых достигают 10 и более в течение одной плавки. Наиболее тяжелые условия получаются в период расплавления металла и в начале окисления. При этом возникают эксплуатационные толчки тока. Значение тока при толчке зависит от вместимости печи, параметров печного трансформатора, полного сопротивления короткой сети.

Кривые ДСП

Рисунок 3 – Кривые ДСП : 1 – напряжения, 2 – первой гармоники, 3 – помехи

4. Выводы

Несимметрия больше всего сказывается на двигателях. Поэтому динамическая модель включается в себя блок, моделирующий ток двигателя, и звено квадратического инерционного сглаживания, моделирующий дополнительный нагрев двигателя нисимментрии напряжения. Первый блок соответствует схеме замещения двигателя по току обратной последовательности.

Несинусоидальность сильно влияет на конденсаторные установки и изоляцию сети и всего электрооборудования. Здесь динамическая модель имеет такую же структуру, но в первом блоке воздействий моделируется ток в соответствии со схемой замещения конденсаторов и изоляции.

Поскольку постоянные времени нагрева конденсаторов и двигателей велики, во втором блоке достаточно вычислять эффективные значения токов, по которым вычисляются температуры максимального перегрева, дополнительные потери активной мощности, а также оценивается сокращение срока службы.

Полученные результаты будут использованы для оценки ЭМС при работе ДСП конкретного предприятия. Статические характеристики параметров Режима и ЭМС могут быть использованы в проектировании новых предприятий с такими же ДСП.

Список источников

  1. Кузнецов В. Г., Куренный Э. Г., Лютый А. П. Электромагнитная совместимость. Несимметрия и несинусоидальность напряжения. – [Электронный ресурс]. – Режим доступа: свободный. https://www.twirpx.com/...
  2. Основные показатели, определяющие качество электроэнергии. – [Электронный ресурс]. – Режим доступа: свободный. https://bobych.ru/...
  3. И. В. Жежеленко, А. К. Шидловский, Г. Г. Пивняк, Ю. Л. Саенко, Н. А. Нойбергер Электромагнитная совместимость потребителей. – [Электронный ресурс]. – Режим доступа: свободный. http://ir.nmu.org.ua/...
  4. И. В. Жежеленко, А. К. Шидловский, Г. Г. Пивняк. Электромагнитная совместимость потребителей. 2012 г. – [Электронный ресурс]. – Режим доступа: свободный. http://eom.com.ua/...
  5. Э. Хабигер Электромагнитная совместимость – [Электронный ресурс]. – Режим доступа: свободный. https://docs.wixstatic.com/...
  6. Шидловский А. К., Куренный Э. Г. Введение в статистическую динамику систем электроснабжения [Электронный ресурс]. – Режим доступа: свободный. https://www.twirpx.com/...
  7. Оценка и нормирование несимметрии напряжений в системах электроснабжения общего назначения Куренный Э. Г., Дмитриева Е. Н., Лютый А. П., Сидоренко О. А. [Электронный ресурс]. – Режим доступа: свободный. http://masters.donntu.ru/...