НЕКОММЕРЧЕСКОЕ АКЦИОНЕРНОЕ ОБЩЕСТВО

АЛМАТИНСКИЙ ИНСТИТУТ ЭНЕРГЕТИКИ И СВЯЗИ

 

Кафедра электроснабжения промышленных предприятий

   

ОБЩЕПРОМЫШЛЕННЫЕ ПОТРЕБИТЕЛИ СИСТЕМ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ

Конспект лекций.

(для студентов всех форм обучения специальности 050718 – Электроэнергетика)

 

Алматы, 2008

СОСТАВИТЕЛИ: Р.Н. Бозжанова, О.П. Живаева. Общепромышленные потребители систем электроснабжения. Конспект лекций для студентов всех форм обучения специальности 050718 – Электроэнергетика. – Алматы: АИЭС, 2008. – 49 с.

 В данном курсе лекций освещены вопросы систем электроснабжения общепромышленных специфических потребителей, в число которых входят, в основном, электротехнологические установки, а также  подробно рассматриваются режимы нейтралей электроустановок, что является основой выбора защиты в электроснабжении.

Содержание

1 Лекция № 1. Введение. Электроснабжение печей сопротивления ………..	4
2 Лекция № 2. Электроснабжение дуговых печей…………………………….	7
3 Лекция № 3. Электроснабжение дуговых печей (продолжение)…………...	11
4 Лекция № 4. Электроснабжение руднотермических печей………………...	15
5 Лекция № 5. Электроснабжение индукционных печей и установок……….	20
6 Лекция № 6. Электроснабжение индукционных печей и установок (продолжение)………	23
7 Лекция № 7. Электроснабжение переплавных печей……………………….	26
8 Лекция № 8. Электроснабжение сварочных машин ………………………..	29
9 Лекция № 9. Электроснабжение сварочных машин (продолжение)……….	33
10 Лекция № 10. Классификация способов заземления нейтрали. Основные определения. Трехфазные сети с изолированными нейтралями……………..	37
11 Лекция № 11. Трехфазные сети с нейтралью, заземленной через дугогасящую катушку (компенсированные сети)…………………………......	41
12 Лекция 12. Трехфазные сети с глухозаземленными нейтралями…………	45
Список литературы………………………………………………………………	48

 

1 Лекция № 1. Введение. Электроснабжение печей сопротивления

Содержание лекции:

- место дисциплины «Общепромышленные потребители систем электроснабжения» в процессе обучения. Электрические печи сопротивления как потребители электроэнергии.

Цели лекции: знакомство с принципами электроснабжения печей сопротивления, их особенностями, схемами их питания электроэнергией.

 В дисциплине «Общепромышленные потребители систем электроснабжения» подробно рассматриваются два раздела: «Электроснабжение специфических потребителей» и «Режимы нейтралей».

В курсе «Электроснабжение» изучались обычные распространенные потребители электроэнергии. В настоящем курсе изучаются общепромышленные специфические потребители систем электроснабжения, в число которых входят, в основном, электротехнологические установки: печи сопротивления, дуговые и руднотермические печи, плавильные печи, установки электронно-лучевого нагрева, индукционные печи и установки, сварочные машины. В дисциплине рассматриваются вопросы электроснабжения такие, как характеристики специфических электроприемников (режим работы, коэффициенты мощности, графики нагрузок, компенсация реактивной мощности); электрооборудование этих электроприемников, схемы электроснабжения и др.

При изучении темы «Режимы нейтралей» особое внимание уделяется вопросу надежности работы электроустановок и систем электроснабжения в целом, даются определения глухозаземленной и изолированной нейтралей, приводятся их схемы, векторные диаграммы, определяются области применения этих режимов нейтралей. Подробно изучаются трехфазные сети с нейтралью, заземленной через дугогасящую катушку, компенсирующую емкостные токи замыкания на землю. Для сетей с глухозаземленными нейтралями объясняется область применения и преимущества систем с токоограничивающими активными или индуктивными сопротивлениями.

Электрические печи сопротивления как потребители электроэнергии.

Электрические печи сопротивления являются относительно спокойными потребителями с плавно меняющейся нагрузкой. Так как мощность их сравнительно невелика (для одной зоны не превосходит 100-150 кВт), то периодическое включение и отключение печей или их зон не может дать заметных колебаний напряжения сети, поэтому печи сопротивления логично подсоединять к шинам или к РУ цеха наравне с другими потребителями. Cos j электропечи сопротивления близок к 1 – при непосредственном подключении к сети и 0,95 – при наличии понизительного трансформатора. Печь сопротивления представляет собой симметричную нагрузку. Как правило, печи (и зоны) трехфазные (за исключением маломощных печей), и поэтому они  не требуют симметрирующих устройств.

Электроснабжение и электрооборудование печей сопротивления            общепромышленного применения.

Электрооборудование, применяемое в электропечах сопротивления, может быть разделено на силовое оборудование, аппаратуру управления, измерительную аппаратуру и пирометрическое оборудование.

К силовому оборудованию относятся понижающие трансформаторы и автотрансформаторы, двигатели, приводящие в действие механизмы, силовая коммутационная аппаратура.

Для питания электропечей сопротивления применяются понизительно-регулировочные трехфазные трансформаторы типа ТПТ и однофазные типа ТПО. Трансформаторы ТПТ имеют S_ном – от 40 до 250 кВА, ТПО имеют S_ном – от 25 до 250 кВА. Все трансформаторы имеют 16 ступеней напряжения, которые получаются путем пересоединения перемычек на выводах ВН и НН (переключением обмоток ВН и НН на трехфазных трансформаторах со U на  и с последовательного на параллельное соединение обмоток ВН и НН на однофазных трансформаторах), а также путем переключения отводов обмоток ВН, осуществляемого как с помощью специального переключения ступеней напряжения, так и путем переключения перемычек.

Каждый типоразмер трансформатора выполняется в трех вариантах со своим набором ступеней напряжения, например, 6,05-29,8 В, или 18,5-89,4 В, или 54,45-268,2 В, что позволяет выбрать для каждого конкретного случая наиболее подходящий трансформатор. Индукционные регуляторы для плавного регулирования режима печей сопротивления не экономичные, и в настоящее время обычно не применяются.

Силовая коммутационная аппаратура, та же, что и в схемах других потребителей, питаемых напряжением 220-380 В: автоматические выключатели, плавкие предохранители, рубильники, контакторы.

Аппаратура управления и измерительные приборы, используемые в схемах электропечей сопротивления, также не отличаются от обычно применяемых. Это кнопки управления, универсальные переключатели, контроллеры, токовые реле, реле времени, промежуточные реле, электрочасы, конечные выключатели, щитовые измерительные приборы (амперметры и счетчики), трансформаторы тока и напряжения.

Пирометрическими приборами должна быть снабжена любая электропечь. Для небольших, неответственных печей это термопара (или радиационный пирометр) с указывающим прибором, в большинстве же промышленных печей обязательным является автоматическое  регулирование температуры. Оно осуществляется при помощи приборов (как правило, автоматических потенциометров), указывающих, регулирующих и часто регистрирующих температурный режим печи.

Силовая коммутационная аппаратура размещается обычно в станциях управления. Они представляют собой каркас из уголков, на котором смонтированы автоматические выключатели АВ или плавкие предохранители и рубильники, линейные контакторы КЛ и промежуточное реле РП для управления КЛ. Станции управления выпускаются на I_ном – от 60 до 600 А для трехфазных и  однофазных печей с числом зон не более трех.

На рисунке 1 показана принципиальная схема станции управления, предназначенной для включения, отключения и переключения с  на U двухзонной трехфазной печи сопротивления:

 

 

 

 

 

 

 

 

 Рисунок 1 – Принципиальная схема включения станции управления

 Если зоны печи питаются через понизительные или регулировочные трансформаторы, располагаемые около или под печью, то к станции управления подсоединяются первичные обмотки трансформаторов, а вторичные – непосредственно присоединяются к выводам нагревателей на печи.

Если в цеху установлены в разных местах одно-, двух- и трехзонные печи, то управление ими сосредотачивается около них. Для этой цели используются щиты управления, выполняемые в виде стальных шкафов закрытого типа.

В крупных цехах, где устанавливается по несколько десятков печей, работающих на однородных процессах, все управление печами целесообразно сосредоточить в контрольно-распределительных пунктах (КРП) с дежурным персоналом. Питание КРП осуществляется на U=6 или 10 кВ.

КРП представляет собой внутрицеховую подстанцию, в которой сосредоточены станции управления и пирометрические щиты (рисунок 2).

Нагреватели установлены на боковых стенках камеры и на подовой тележке. Они включены в три звезды, причем в каждую звезду входят по одному нагревателю каждой стенки и один нагреватель тележки. Такая схема позволяет с помощью контакторов 1КЛ, 2КЛ и 3КЛ включать или отключать всю мощность печи, 1/3 или 2/3 мощности. Вручную с помощью 1-полюсных рубильников 1Р-9Р можно включить или отключить любой нагреватель. Защита печи осуществляется автоматическим выключателем АВ, защита нагревателей - плавким предохранителем.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 2 – Схема питания элеваторной печи

 2 Лекция № 2. Электроснабжение дуговых печей

 Содержание лекции:

- ДСП как потребители электроэнергии.

Цели лекции:

- особенности работы, электрооборудование и схемы питания ДСП.

 Дуговые печи являются потребителями электроэнергии, оказывающими  значительное влияние на  системы электроснабжения. Для работы дуговых печей  характерны следующие  особенности:

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

 2. Мощность и напряжение на печи меняются  в разные периоды плавки, кроме того,  зависят от марки  выплавляемой стали, поэтому они должны регулироваться  в широких пределах.

3. Неспокойный характер электрического режима,  особенно в начальный период  расплавления.

В дальнейшем  после слияния колодцев  и образования общей ванны,  электрический режим  несколько успокаивается,  однако толчки тока, короткие замыкания и обрывы дуг имеют место до окончания периода расплавления. В период окисления,  и особенно в период  рафинирования, электрический режим печи успокаивается, резкие толчки тока, соответствующие коротким замыканиям, и  обрывы тока прекращаются.

4. Частые колебания тока и коммутации  могут вызывать  в отдельных элементах цепи электроснабжения дуговых печей значительные перенапряжения, достигающие 4-5-кратных номинальных значений.

5. Электрическая дуга является  нелинейным проводником,  формы кривой тока, и особенно напряжения дуговых печей искажены. Дуга является генератором  высших гармоник,  проникающих в питающую сеть.

Таким образом,  применяемое в ДСП электрооборудование  должно выдерживать токи эксплуатационных к.з. в печи (являющихся не аварийным, а нормальным эксплуатационным режимом) и возможные перенапряжения. Оно должно обеспечить возможность регулирования  электрического режима печи (дискретное переключение ступеней  напряжения печного трансформаторного агрегата, как правило, под нагрузкой, т.е. без отключения питания; плавное изменение тока печи путем изменения длины дуг опусканием или подъемом электродов).

Кроме того, должны быть предусмотрены меры по ограничению токов эксплуатационных к.з. разумными пределами. Это касается небольших печных установок,  в которых собственная реактивность недостаточна. В мощных печах необходима компенсация реактивной мощности.

В дуговых печах должны быть предусмотрены необходимые коммутационные аппараты и измерительные устройства, защита от аварийных к.з. и перегрузок. Все дуговые печи  должны быть снабжены  быстродействующими системами  автоматического регулирования для стабилизации их электрического режима.

Основное электрооборудование дуговых сталеплавильных печей:

а) трансформаторы для ДСП.

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

1) высокий коэффициент трансформации и большие токи на стороне низкого напряжения;

2) наличие эксплуатационных к.з. приводит к необходимости  выполнения конструкции трансформатора  более жесткой (особенно в части крепления  обмоток и выводов), способной выдержать  возникающие при к.з. динамические усилия. Из этих же соображений  вторичную обмотку трансформатора  включают в  треугольник (Δ), так как при этом  ток к.з. распределяется на две фазы,  это снижает  механические усилия  в обмотках и их нагрев. Кроме того, это позволяет уменьшить индуктивность токоподвода;

3) толчкообразный режим работы печного трансформатора  вызывает дополнительный  нагрев его обмоток;

         4) в соответствии с технологическим процессом  выплавки стали  загрузка печного трансформатора  меняется. Она максимальна в период расплавления, снижается в технологические периоды  и падает до  нуля  на время простоя (загрузка, выгрузка). Это обстоятельство используется  для форсирования нагрузки  трансформаторов в период расплавления;

5) необходимость контролировать температуру масла  в нижней части трансформатора; она не должна превосходить 95⁰С; превышение на 8-10⁰С вызывает старение изоляции и сокращение её срока службы вдвое. Трансформаторы мощностью до 5 МВА выполняются с естественным масляным охлаждением. На всех крупных печах трансформаторы имеют масляно-водяное охлаждение  с принудительной циркуляцией масла;

6) для снижения толчков тока при к.з. и устойчивого горения дуги Х _L печного контура должно быть не менее 30-35%, поэтому для малых печей, у которых Х _L коротких сетей невелико, желательно, чтобы Х _L было большое. U_к.з. печных трансформаторов составляет 7-8%. Для печей ёмкостью до 12 тонн  с трансформатором  до 9 МВА приходится включать последовательно с печным трансформатором  реактор. Х _Lmax реакторов-30%, они снабжены отпайками. Он располагается в одном баке с печным трансформатором;

7) по условиям технологии печные трансформаторы должны обеспечивать регулирование вторичного напряжения U от 50 до 65%,  малыми ступенями;

8) согласно ПУЭ печные трансформаторы ДСП могут присоединяться к электрическим сетям общего назначения без выполнения специальных расчетов на колебания напряжения, если соблюдается следующее условие

где S_Ti – номинальная мощность  печного трансформатора, МВА;

S_к – мощность к.з. в «общей точке», МВА;

n – число ДСП.           

При невыполнении этого условия  должно быть проверено расчётом, что δV не превышает δV_доп;

б) коммутационная и измерительная  аппаратура.

К высоковольтным выключателям для ДСП предъявляются  очень высокие требования. Этот выключатель должен быть оперативным с числом  включений-отключений до 50 в сутки,  токи отключения могут составить 2-3,5 кратные по сравнению с номинальным током, это требует усиления как механической, так и контактной системы выключателя. В то же время  он должен отключать  токи  аварийного к.з. и иметь большую  отключающую мощность. Поэтому раньше применялась  схема с двумя выключателями последовательно, сейчас-специальные печные выключатели.

Наибольшее распространение в установках ДСП получили модификации  воздушных выключателей  типов ВВ-10П на U=10 кВ и ВВП-35 на U=35 кВ. Эти выключатели пожаробезопасны и имеют  большую  быстроту действия по сравнению с масляными.

Перспективными являются  также электромагнитные выключатели на 6 и 10 кВ типа ВЭМ, представляющие собой высоковольтные  контакторы с дугогасящими камерами и магнитным дутьём. Они обладают значительной мощностью отключения и рассчитаны на тяжёлые условия работы с частыми включениями и отключениями. На U=110 и 154 кВ специализированных печных выключателей нет, применяются воздушные выключатели общепромышленных типов ВВН-110 и ВВН-154.

В качестве оперативных выключателей в маломощных установках могут применяться вакуумные выключатели типа РМВак-10 на 300 А, 10 кВ. Они снабжены вакуумными камерами, выдерживающими 30000 циклов отключений номинального тока I_ном,  после  чего камеры заменяются. Выключатели взрыво- и пожаробезопасны и не требуют обслуживания в пределах срока службы камеры.

В установках ДСП применяются обычные разъединители типа РВК, рассчитанные на большие эксплуатационные токи к.з. Они коммутируют цепь лишь при отключенном высоковольтном выключателе и используются для создания видимого разрыва (ремонты).

Для питания защиты, контрольно-измерительных приборов и автоматических регуляторов (АР) применяются трансформаторы тока (ТТ) и трансформаторы напряжения (ТН) (рисунок 3). ТН обычного типа устанавливаются на стороне высокого напряжения и низкого напряжения. ТТ на стороне низкого напряжения выполняются на ток до 25 кА со стержневой первичной обмоткой; при больших токах ограничиваются использованием ТТ на стороне высокого напряжения.

Для защиты электропечной установки от перегрузок и аварийных к.з. используют реле  максимального тока с зависимой выдержкой времени и реле мгновенного действия. Уставку реле мгновенного действия выбирают так, чтобы они не реагировали на эксплуатационные  к.з., которые должны  ликвидироваться системой автоматического регулирования мощности дуговой печи. Выдержка времени при таких эксплуатационных к.з. равна 5-10 с, чтобы автоматика успела сработать. Поэтому высоковольтные выключатели отключают печь только в случаях аварийных к.з., при срабатывании газовой защиты трансформаторов и при длительных эксплуатационных перегрузках.

 

 

 

 

 

 

 

 

 Рисунок 3 – Схема включения приборов защиты, контроля и регулирования ДСП при  установке ТТ на стороне высокого напряжения

 В этом случае, чтобы компенсировать изменение коэффициента трансформации печного трансформатора Тр при переключении его ступеней напряжения к Т.Т. подключается специальный автотрансформатор АТ, сблокированный с переключателем ступеней напряжения ПСН.

         На ДСП на стороне высокого напряжения, как правило, устанавливают амперметр и вольтметр на всех трех фазах, а также  измерительный ваттметр  и регистрирующий ваттметр и варметр. Иногда ставят также регистрирующие приборы. На стороне НН осуществляется контроль линейных и фазных напряжений и контроль токов фаз (при наличии ТТ). В связи с резкими колебаниями токов фаз амперметры стороны  НН  выбирают с тройным запасом шкалы. Остальные приборы обычные.

 

3 Лекция № 3. Электроснабжение дуговых печей (продолжение)

 Содержание лекции:

- схемы питания и подстанции ДСП.

Цели лекции:

- особенности работы, электрооборудование и схемы питания ДСП.

 Схемы питания ДСП.

ДСП малой емкости подключаются к сети U = 6¸10 кВ, большой емкости – к сети 35кВ. Границей является печь емкостью 25 тонн, мощностью 12,5 МВА; трансформаторы для этой печи выполняются как на  U = 6¸10 кВ, так и на 35 кВ. Самые большие  печи на 100 и 200 тонн с трансформаторами 50 и 124 МВА – на  U = 110 или 220 кВ. 

Питание печей емкостью >25т осуществляется от специального трансформаторного агрегата, состоящего из печного нерегулируемого трансформатора и регулировочного АТ, обычно оба в одном баке.

Схемы питания медеплавильных дуговых печей полностью соответствуют схеме ДСП, разница лишь в том, что схема питания двухпроводная, т.к. сама печь однофазная, двухэлектродная. Если применяется аппаратура, которая выпускается лишь как трехфазная, то в ней (например, высоковольтные выключатели) не используется одна фаза. Печной трансформатор и реактор также однофазные.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 Рисунок 4 – Схема питания  одиночного ДСП емкостью 1,5-6,0 т

1 – печь; 2,5 – трансформаторы тока; 3 – печной трансформатор, имеющий 12 ступеней напряжения со снятием нагрузки; 4 – реактор (в одном баке с трансформатором) – для ограничения токов к.з. и повышения устойчивости горения дуги; 6 – высоковольтный выключатель, для  операционных  и для защитных функций; 7 – разъединитель для видимого разрыва; 8 –  трансформаторы напряжения; 10 – разъединитель для шунтирования реактора в период плавки. Измерительные приборы – для контроля режима печи. Для защиты установки от аварийных токов к.з. предусмотрена МТЗ (9) мгновенного действия, а от перегрузки – МТЗ (11) с зависимой уставкой времени срабатывания.

            Мощные ДСП работают с низким cosφ (0,7). Это приводит к повышенным электрическим потерям в сети и к необходимости завышать номинальную мощность трансформаторов, генераторов и др. силовой аппаратуры. Мощные ДСП являются источниками значительных колебаний тока, а следовательно, и напряжения, весьма нежелательных для других потребителей сети, особенно для осветительной нагрузки.

Если мощность питающей системы намного больше мощности дуговой нагрузки, то эти колебания неощутимы. Если же мощность системы мала (соизмерима с мощностью дуговой нагрузки), то надо ставить реакторы, уменьшающие эти колебания. Наилучшим способом борьбы с колебаниями напряжения является компенсация реактивной мощности.  Поддержание в моменты колебаний тока  cosφ, близким к единице, обеспечивает практическую ликвидацию колебания напряжения (рисунок 5).

Компенсация реактивной мощности малыми батареями осуществляется подключением БК у самой печи. Это требует установки КУ на каждую печь. Можно БК установить на шинах ГПП, по капитальным затратам это выгодно, т.к. мощности в часы максимальных нагрузок печей не совпадают. Необходимо иметь возможность регулирования мощности БК.

Тиристорные ключи работают безинерционно.

Применение продольной компенсации реактивной мощности  в установках ДСП невозможно, т.к. при резонансе напряжений ток  эксплуатационного  к.з., ограничиваемый лишь активным сопротивлением контура, возрастает в несколько раз; кроме того, при толчках тока  возможно появление  в цепи значительных перенапряжений.

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 5 – Схема питания ДСП с фильтрокомпенсирующим устройством (ФКУ)

1 – печь (одна или несколько); 2,3 – трансформаторы; 4 – постоянная часть БК; 5 – реакторы для фильтрации ВГ и снижения тока короткого замыкания;

6 – согласующий трансформатор; 7 – переменная (регулируемая) часть БК; 8 – управляющие тиристорные ключи.

Подстанции ДСП.

Печные подстанции располагаются как можно ближе к печному агрегату, чтобы уменьшить электрические потери мощности и потери напряжения в короткой сети. В подстанциях печей устанавливаются: печные трансформаторы, реакторы, операционная коммутационная аппаратура, приборы и аппаратура контроля и управления.

Если питание печей осуществляется на U = 6 – 10 кВ, то выключатели для защиты от аварий располагаются на печной подстанции (совмещенные выключатели).

Если питание цеха осуществляется на U=35-110-220 кВ, высоковольтная часть сосредотачивается на ГПП, где энергия трансформируется до 6-10кВ и подается по кабелям на печные подстанции, для мощных печей это U = 35 кВ. 

Схемы электроснабжения ДСП.

На рисунке 6 представлена схема электроснабжения дуговой печи для литья чугунных отливок ДЧМ-5. ЦРП – центральный распределительный пункт. РБА – 1000 – реакторы для снижения мощности к.з. на шинах ЦРП, они также сглаживают толчки напряжения.

На рисунке 7 представлена схема электроснабжения крупной дуговой печи на 50 т. Печь одиночная, ГПП отсутствует, к цеху электроэнергия подводится по двум ВЛ – 35, подходящим к шинам печной подстанции. Резервирование ограничивается наличием двух воздушных линий, двух высоковольтных выключателей. 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 6 – Схема электроснабжения одиночной печи типа  ДЧМ – 5

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 7 – Схема электроснабжения печи типа ДСП – 50

 

На рисунке 8 представлена схема электроснабжения нескольких дуговых печей на 3 и 5 т.

 

 

Рисунок 8 – Схема электроснабжения шести печей емкостью 5 и 10 т

 Печи питаются от шин  6 кВ ГПП. ВЛ – 110 – две линии секционированы. Трансформаторы – трехобмоточные, от шин 35 кВ питаются другие цеха. На 6 кВ имеются две системы шин, есть возможность питания от любой системы шин. Переключение осуществляется разъединителем, т.к. печи можно отключать на короткое время. Все управление – в РУ – 6 кВ ГПП, а на ППС только трансформаторы, нет коммутационной аппаратуры. Реакторы в РУ – 6 кВ применены для уменьшения мощности к.з., а также для сглаживания колебаний напряжения.

На рисунке 9 представлена схема без ГПП с использованием глубокого ввода 220 кВ непосредственно в цех, к печной подстанции. Питание по двум ВЛ, подключенным к двум секционированным шинам  220 кВ, от них идут 6 линий к печам. АТ для регулирования напряжения и печные нерегулируемые трансформаторы. Поперечная компенсация реактивной мощности.

 

 

 

 

 

 

 

 Рисунок 9 – Схема питания мощных дуговых печей ДСП – 200

 4 Лекция № 4. Электроснабжение руднотермических печей

 Содержание лекции:

- РТП как потребители электроэнергии.

Цели лекции:

- особенности работы, электрооборудование и схемы питания РТП.

 РТП является одним из наиболее энергоемких электроприемников. РТП используется для производства ферросплавов, штейнов, сплавов цветных металлов, карбида кальция, желтого фосфора и других технологических процессов.

РТП являются обычно потребителями трехфазного переменного тока промышленной частоты. Используются трехэлектродные и шестиэлектродные печи с большим разнообразием геометрических параметров и конфигураций ванн. Иногда применяются и однофазные (чаще всего двухэлектродные) печи небольшой мощности.

Из-за многообразия технологических процессов в РТП по-разному происходит преобразование электроэнергии в тепловую. Различают печи, которые работают с ярко выраженным дуговым разрядом, со слабо выраженной дугой, и печи, в которых дуга практически отсутствует, а преобразование энергии происходит за счет протекания тока по шихте или расплавленному шлаку.

Печи с открытой дугой (рафинировочные) имеют характеристики электропотребления, близкие к ДСП в рафинировочный период. Это печи периодического действия с выраженным колебательным режимом работы.

Большинство РТП имеют непрерывный режим работы, длящийся несколько месяцев. Поэтому их коэффициент включения близок к единице. При работе в стационарном режиме ток и напряжение печи имеют практически синусоидальную форму. Расход электроэнергии значителен и в зависимости от вида получаемого продукта достигает (3-10)×10³ кВт ч на 1 тонну. Коэффициент заполнения индивидуальных суточных графиков работы составляет К_{заполн.}=0,72-0,98. Коэффициент загрузки лежит в пределах 0,75-0,95.

Обычно на предприятии устанавливаются несколько печей, поэтому коэффициент заполнения графика нагрузки повышается до 0,84-0,96 за счет совмещения нагрузок печей.

РТП с круглой ванной имеют незначительный перекос полезных мощностей отдельных фаз (не более 2-5%). На прямоугольных РТП с расположением электродов в линию нессиметрия фазных мощностей достигает 30-40 % даже при их выравнивании. Это может оказывать влияние на питающую сеть.

Естественный коэффициент мощности (cos j) РТП зависит от вида технологического процесса и составляет 0,72-0,97. Сравнительно низкие значения cos j вызывают значительное потребление из системы реактивной мощности, поэтому крупные РТП оборудуются индивидуальными или групповыми установками компенсации реактивной мощности (как поперечной, так и продольной).

На трехэлектродных печах мощностью Р³30-50 МВт значение реактивной мощности становится равной или больше активной, мощность компенсирующих устройств становится значительной. Для улучшения эффективности работы печей стали применять большое число электродов (6, 9, 12 и т.п.). В настоящее время широко применяются шестиэлектродные прямоугольные ферросплавные печи мощностью 63 МВА. Разработаны проекты двенадцатиэлектродных кольцевых печей, которые могут применяться при мощностях 100 МВт и выше. Однако из-за увеличения количества электродов снижается надежность печей.

Другим путем обеспечения высоких электротехнических характеристик мощных РТП является снижение частоты переменного тока. Кроме компенсирующего фактора, понижение частоты вызывает ослабление поверхностного эффекта и эффекта близости в проводниках короткой сети, в результате чего значительно снижаются активные потери и нагрев конструкций, при этом растет КПД печи и снижается расход электроэнергии. Выбор частоты определяется электротехническими и технологическими соображениями. Ввиду значительной инертности печи снижение частоты до 0,5-5 Гц не приводит к изменению технологии процесса и значительным колебаниям температуры. При меньших частотах возможно возникновение заметных электролизных проявлений с вредными последствиями.

Особенности взаимодействия РТП с энергосистемой.

Пределы изменения мощности печей ограничены как по электротехническим, так и по технологическим соображениям. При чрезмерном повышении мощности возрастают потери в короткой сети и ухудшается ее температурный режим.

Особенностью РТП является частая коммутация их электрооборудования. Для регулирования электрического режима применяются системы управления, один из контуров которых использует переключатель ступеней напряжения трансформатора (ПСН). Число переключений в сутки достигает 300-400. ПСН является одним из наиболее уязвимых узлов электрооборудования печей. Создаются новые надежные ПСН с активными токоограничивающими сопротивлениями и с тиристорными контакторными устройствами. Такие переключатели позволяют производить 100-120 тысяч переключений без осмотра при общем ресурсе по износу 1 млн. переключений.

Велика ответственность выключателей, коммутирующих цепи печей (700-1000 в год). Резкие изменения нагрузок приводят к отклонениям напряжения на ±10%. Из-за инерционности работы печи она практически не реагирует на колебания напряжения и мощности, проходящие с высокими скоростями. Не реагируют РТП и на изменение частоты питающего напряжения.

По надежности электроснабжения РТП относятся к потребителям II категории. РТП в настоящее время начинают использоваться в качестве регуляторов нагрузки энергосистем. Например, фосфорные печи позволяют снижать активную мощность на 50% и реактивную на 20-30%, чем широко пользуются во время «пика» нагрузки энергосистемы.

Крупные  восстановительные руднотермические печи  работают в непрерывном режиме (при периодическом выпуске продукта).

Их электрический режим намного стабильнее, к.з. и обрывы дуг  могут иметь место  лишь как аварийные, так как последовательно с дугами  включено сопротивление шихты, а в ряде случаев (некоторые многошлаковые процессы) дуги вообще отсутствуют, и печи работают в режиме сопротивления. В этих печах на первый план выдвигается  задача точного поддержания  электрического режима на оптимальном уровне при возмущениях его,  вызываемых изменениями  параметров шихты (руды и восстановителя) и колебаниями напряжения в питающей сети.

Основное электрооборудование руднотермических печей:

а) трансформаторы для руднотермических печей (РТП).

          Мощные РТП  имеют  более стабильный  электрический режим,  поэтому в повышенном реактивном сопротивлении печного трансформатора и тем более в отдельном реакторе  нет необходимости. В РТП изменение напряжение  в широких пределах требуется лишь  во время пуска печи (сушка футеровки и её постепенный разогрев). Регулирование напряжения у трансформаторов на U=6, 10 и 35 кВ  осуществляется переключением секций первичных обмоток (как у ДСП). Число ступеней  РПН  колеблется  от 5 (у  малых) до 23.

В мощных установках при U_с=110 или 154 кВ используют агрегаты, состоящие из регулировочного и печного трансформаторов или из главного и вольтодобавочного трансформаторов.

         В  отличие от трансформаторов для ДСП, у которых вторичный ток постоянен и мощность убывает  пропорционально рабочему напряжению, трансформаторы для РТП выполняются с частью ступеней  напряжения, имеющих различные сочетания вторичного тока и напряжения при неизменной мощности трансформатора. Это позволяет работать на разных напряжениях (в зависимости от выплавляемого сплава,  качества сырья и параметров короткой сети и электродов),  используя  полную мощность трансформаторов.

Печи малой и средней  мощности РТП оборудуются трёхфазными трансформаторами, печи большой мощности - тремя однофазными. Трёхфазные трансформаторы имеют  на 30-35% меньшую массу, габариты и стоимость, экономичнее в работе и обслуживании. С другой стороны,  однофазные  трансформаторы позволяют сделать короткую сеть  с меньшей Х_L,  можно иметь один резервный  трансформатор, их транспортировка  облегчается.

Обмотки  высокого и низкого напряжений трансформаторов для РТП  соединяются в треугольник.

Охлаждение масляно-водяное с принудительной  циркуляцией масла;

б) коммутационная и измерительная  аппаратура.

Для коммутации РПТ могут быть использованы те же высоковольтные выключатели, что для ДСП. Условия их работы намного легче, т.к. отключения и включения редки, поэтому можно применять и обычные выключатели.

Схемы питания РТП.

Крупные рудно-термические печи питаются от трех однофазных печных трансформаторов, которые при S_н до 5500 кВА выполняются на 10 кВ, а более мощные – на 35 и даже 110 – 220 кВ. На рисунке 10 представлена схема питания печи типа РКЗ – 16,5 с тремя однофазными трансформаторами, включенными  с высшей и низшей стороны в треугольник.

Сеть – 10 кВ. Печь снабжена аппаратом для прожига летки,  подключенным к одной из фаз короткой сети. В ряде случаев питание аппарата для прожига летки осуществляется от отдельного трансформатора.

Мощные РТП работают с низким cosφ (0,7). Это приводит к повышенным электрическим потерям в сети и к необходимости завышать номинальную мощность трансформаторов, генераторов и др. силовой аппаратуры.

  

 

 Рисунок 10 – Схема питания ферросплавной печи типа РКЗ – 16,5 с однофазными трансформаторами

Схемы электроснабжения РТП.    

Питание осуществляется через ГПП, куда подходят две ВЛ – 220, питающие два трехфазных трансформатора, двухобмоточных, с расщепленной вторичной обмоткой (рисунок 11). Две системы шин увеличивают надежность электроснабжения. Компенсация реактивной мощности – на шинах 10 кВ ГПП. Токопроводы 10 кВ от ГПП к цехам проложены в каналах.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 11 – Схема электроснабжения двух цехов ферросплавного завода,  в которых по 6 руднотермических печей по 16,5 МВА

 5 Лекция № 5. Электроснабжение индукционных печей и установок

Содержание лекции:

- индукционные электрические печи и установки как потребители электроэнергии.

Цели лекции:

- изучить принципы работы, электрические параметры.

 

Индукционные печи и установки как потребители электрической энергии. Индукционные печи и установки используются как для плавления металлов, так и для нагрева под термическую обработку или пластическую деформацию.

По принципу работы, электрическим параметрам, конструкции они весьма разнообразны.

Канальные печи  имеют стальной сердечник, нагрев металла осуществляется в каналах футеровки печи, эти печи подобны трансформатору, у которого вторичная обмотка совмещена с нагрузкой. Они применяются:

а) для плавки латуни (выпускаются емкостью 1-40 тонн и мощностью – 250-2000 кВт);

б) для выдержки расплавленной латуни – канальные миксеры (емкостью от 2,5 до 16 тонн, Р=250-520 кВт);

в) для плавки цинка – агрегаты со съемными индукционными единицами (емкость 25,40 и 100 тонн, Р=200-1200 кВт);

г) для плавки алюминия (емкость от 0,4 до 16 тонн, Р=125-1500 кВт).

За рубежом применяются канальные печи – миксеры – для стали. Так как каналы печи всегда заполнены жидким металлом с практически постоянной температурой и процессы в шихте не влияют на выделение мощности в каналах, то электрический режим печей и cos φ практически постоянны. Регулирование мощности в небольших пределах может быть осуществлено с помощью 2-3х отпаек на индукторе. Благодаря этому можно питать группу таких печей через обычный силовой трансформатор, который может быть одновременно использован и для питания других потребителей.

Канальные печи требуют, однако, глубокого регулирования мощности во время сушки футеровки после сборки, а также при продолжительных простоях для подогрева «болота». Для этих целей каждой печи или группе печей придается специальный автотрансформатор, мощность которого составляет 40-50 % мощности одной печи, обычно на 12 ступеней напряжения. В тех случаях, когда длительно требуется глубокое регулирование мощности печей (для плавления алюминия, у которых зарастают в процессе плавки каналы, или печи, в которых плавят различные сплавы), применяют индивидуальное питание каждой печи от своего трансформатора, допускающего регулирование напряжения.

У канальных агрегатов с отъемными индукционными единицами, каждую из них питают  от своего однофазного трансформатора с регулируемым напряжением.

Cos φ_ест канальных печей составляет 0,2-0,8 в зависимости от выплавляемого сплава, поэтому применяется компенсация реактивной мощности с помощью нерегулируемой батареи конденсаторов.

Все канальные печи работают на промышленной частоте, большей частью они выполняются как однофазные, хотя применяются двух- и трехфазные конструкции. Мощность этих печей не превосходит 2000 кВА, поэтому их питание осуществляется на U=380 В, мощные агрегаты подключаются к U=6÷10 кВ.

Канальные печи, являясь однофазной нагрузкой, не требуют обычно симметрирования, так как они устанавливаются группами и их можно распределять между фазами трехфазной системы питания.

Тигельные печи представляют собой керамический тигель, вмонтированный в индуктор. Шихта нагревается в тигле возникающими в ней вихревыми токами. В процессе плавки происходит изменение параметров загрузки, в связи с чем меняются cos φ печи и забираемая ею из сети мощность. Cos φ_ест=0,1-0,2, поэтому применение компенсации реактивной мощности обязательно. Батареи конденсаторов должны быть регулируемыми, с постоянной и переменной частями. Тигельные печи работают как на промышленной, так и на повышенной частоте, для этого применяются преобразователи частоты. Мощность печей может достигать 500-6000 кВт, напряжение 6-10 кВ. Мелкие печи питаются на напряжении 380 В.

Нагревательные индукционные печи для сквозного нагрева под пластическую деформацию заготовок и слитков, как правило, выполняются однофазными и работают на промышленных частотах. Для этих установок характерными являются небольшие изменения параметров загрузки в процессе нагрева, и следовательно, небольшое изменение электрического режима. Батареи конденсаторов не регулируются. Мощность установок может быть самая различная и достигать десятков тысяч кВт в единице.

Индукционные установки для поверхностного нагрева стальных заготовок под закалку питаются от генераторов повышенной или высокой частоты. В последнем случае используются ламповые генераторы, мощность таких установок не превосходит нескольких сотен кВт.

Таким образом, с точки зрения электроснабжения индукционные плавильные и нагревательные установки можно охарактеризовать следующим образом:

1. Спокойный, стационарный характер режима, отсутствие резких толчков и колебаний мощности, характерных для дуговых установок.

2. Несоответствие в ряде случаев параметров индукционной установки электрическим параметрам питающей сети, поэтому необходимо включение между ними преобразователя. В случае, если установки работают на промышленной частоте, то это преобразователь напряжения или АТ, если же не на повышенной, или на высокой частоте, то преобразователь частоты: машинный, тиристорный  или ламповый. Эти преобразователи должны обеспечивать возможность регулирования напряжения и в некоторых случаях частоты.

3. Индукционные установки однофазные. Если их мощность невелика по сравнению с мощностью системы, то вызываемая ими несимметрия не выходит за допускаемые по ГОСТу пределы. В противном случае требуется применение симметрирующих устройств, выравнивающих нагрузку фаз трехфазной питающей системы.

4. Низкий cos φ индукционных печей и установок. Cos φ=0.8-1 на промышленной частоте, и может уменьшаться даже до 0.05 у высокочастотных установок.

Электрооборудование индукционных печей и установок.

В установках индукционного нагрева промышленной частоты электрооборудование не отличается от общепромышленного, за исключением симметрирующих устройств и установок для компенсации реактивной мощности. Для установок повышенной и высокой частоты специфичными являются источники питания – преобразователи частоты.

Симметрирование может осуществляться при помощи специфических индуктивно-емкостных устройств, из которых наибольшее распространение получила схема Штейнметца (рисунок 12).

 

 

 

 

 

 

 

  Рисунок 12 – Симметрирующее устройство по схеме Штейнметца

 Схема состоит из реактора L и конденсаторной батареи С, включенных в трехфазную сеть  в Δ вместе с индукционной установкой ИП. Схема обеспечивает полное симметрирование в сети (I_A=I_B=I_C) при номинальной нагрузке, если реактивная мощность индукционной установки полностью скомпенсирована контурной батареей конденсаторов.

В этом случае cosφ в целом равен 1. Однако cosφ установки будет резко падать даже при относительно малой недокомпенсации контура печи. Изменение активной мощности нагрузки по сравнению с номинальной приводит к нарушению симметрирования. В этом случае необходимо управляемое симметрирующее устройство, в котором могут меняться емкость батареи С и индуктивность реактора L. При этом усложняется и удорожается схема и ее эксплуатация.

Индукционные установки повышенной частоты питаются от преобразователей частоты, являющихся одновременно симметрирующим устройством. Большинство индукционных установок повышенной частоты питается в настоящее время от вращающихся машинных преобразователей, состоящих из однофазного частотного генератора индукторного типа, приводного двигателя, асинхронного или синхронного, и машинного или тиристорного возбудителя. Преобразователи имеют мощности от 50 до 1500 кВт и частоты от 500 до 10000 Гц. Напряжения двигателей 380/220 и 6000/3000 В в зависимости от Р. Напряжение высокочастотных генераторов 750/375, 1500/750, 800 или 800/1600 В. Основными недостатками машинных генераторов является шум, значительные габариты и снижение КПД агрегата при неполной его загрузке.

В последнее время появились статические преобразователи частоты. Полная схема такого преобразователя включает звено постоянного тока (выпрямитель), звено преобразователя (инвертор), цепи контроля и управления и вспомогательные узлы (рисунок 13).

 

 

 

 

 

Рисунок 13 – Мостовая схема параллельного инвертирования

 В диагональ моста, состоящего из четырех тиристоров, подключенного к выпрямителю (напряжение постоянного тока), включается нагрузка – индуктор печи ИП и параллельно с ним компенсирующий конденсатор Ск. Схема управления поочередно с нужной частотой включает Т₁, Т₄ и Т₂, Т_3.

Тиристорные преобразователи выполняются на активную мощность Р=100-3200 кВт и на частоту от 500 до 2500 Гц. Они имеют больший КПД по сравнению с машинным преобразователем и позволяют регулировать частоту тока.

 6 Лекция № 6. Электроснабжение индукционных печей и установок (продолжение)

Содержание лекции:

- электрооборудование индукционных электрических печей и схемы питания.

Цели лекции:

- изучить конструкции индукционных печей и установок.

Для компенсации реактивной мощности в установках повышенной частоты выпускаются специальные электротермические конденсаторы на частоты 500-8000 Гц с мощностью одной банки от 200 до 400 квар и U=800-2000 В. Для согласования U_вых преобразователей повышенной частоты с U_индукт в установках поверхностного нагрева применяются согласующие трансформаторы с постоянным и переменным К_тр, S=300-800 кВА.

Для коммутации цепей повышенной частоты разработана специальная серия контакторов, рассчитанных на U_н до 1600 В и частоту от 500 до 8000 Гц, с дугогасительной камерой и магнитным дутьем, а для разрыва цепей без тока – высокочастотные разъединители на U_н=2000 В – одно- и двухполюсные с ручным приводом. Для установок повышенной частоты разработаны серии измерительных трансформаторов на частоты 1000-8000 Гц. Трансформаторы тока выполняются на I=300-5000 А, а трансформаторы напряжения рассчитаны на номинальное U_н1 от 500 до 2000 В,  при U_н2=100 В. Схемы питания ИП и У весьма сильно зависят от рабочей частоты.

На рисунке 14 приведена схема питания индукционной печи ИП.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 14 – Схемы питания ИП и установок

 Р1, Р2 – рубильники; АВ – автоматический выключатель; ГК – главные контакты контактора. На период сушки после установки новой футеровки печь подключается к АТ рубильником Р2, АТ – передвижной.

 На рисунке 15 дана схема питания мощной индукционной печи

  

 

 Рисунок 15 – Схема питания мощной ИП промышленной частоты

 1 – высоковольтный разъединитель; 2 – высоковольтный выключатель; 3 – трансформатор; 4 – контактор; 5 – симметрирующее устройство, так как печь однофазная; 6 – ИП или нагревательная установка

 На рисунке 16 приведена схема питания тигельных печей повышенной частоты

 

 Рисунок 16 – Схема питания индукционной тигельной печи повышенной частоты от электромашинного преобразователя

Г – источник повышенной частоты; 1Д – двигатель, приводящий во вращение генератор; В – возбудитель обмотки возбуждения генератора; 2Д – двигатель, приводящий во вращение возбудитель; 1R – реостат, вручную регулирующий напряжение генератора; АРМ – автоматика, регулирующая напряжение генератора; 2R – реостат, с помощью которого можно менять напряжение у возбудителя.

Так как время простоя, слива металла, чистки печи и ее загрузки соизмеримы с временем плавки, то Г питает две тигельные печи, каждая из которых подключается к нему поочередно с помощью переключателя 1П.

Одновременно с помощью 2П к печи подключается БК – Ск, которая состоит из постоянной части и трех групп, которые могут подключаться или отключаться с помощью контакторов КК. Кроме того, регулирование режима печи может осуществляться путем переключения отводов индуктора с помощью контакторов КИ. Подключение печи к Г или их отключение осуществляется с помощью линейных контакторов КЛ. Для контроля режима печь снабжена контролирующими приборами. Защита в виде реле максимального тока и максимального напряжения.

На рисунке 17 приведена схема питания индукционной установки для поверхностной закалки. Генератор повышенной частоты Г машинного типа возбуждается от выпрямителя В, который питается от АТ, движок которого позволяет изменять  возбуждение Г. Г питает через линейные контакторы КЛ нагревательный контур, состоящий из закалочного трансформатора ТЗ и контурной батарей конденсаторов Ск, емкость батареи постоянная, не регулируется, так как процесс нагрева детали очень кратковременный. Вторичная обмотка ТЗ включена на индуктор И с деталью. Измерительные приборы в цепи Г. МТЗ с воздействием на КЛ.

 

Рисунок 17 – Схема питания индукционной установки для поверхностной закалки

Вращающиеся Г постоянного тока легко входят в параллельную работу, это используется в схеме централизованного питания нагревательных индукционных мостов.

Централизованное питание применяется тогда, когда в цеху имеется большое количество нагревательных постов. Подстанция повышенной частоты с несколькими генераторами (рисунок 18) питает общие шины, от которых по радиальной системе отходят шины повышенной частоты, питающие нагревательные посты 1-6.

 

 

Рисунок 18 – Схема централизованного питания индукционных нагревательных постов повышенной частоты

 

7 Лекция № 7. Электроснабжение переплавных печей

Содержание лекции:

- область применения, принцип действия, электрооборудование переплавных печей.

 Цели лекции:

- краткое знакомство с электроснабжением переплавных печей различного типа.

 Для улучшения качества металла его вторично переплавляют в печах с кристаллизаторами. Электрические печи для переплава относятся к спецэлектрометаллургии. Широкое распространение получили: а) печи для электрошлакового переплава; б) печи вакуумно-дугового переплава; в) печи плазменно-дугового переплава; г) печи электронно-лучевого переплава. В этих печах исходный металл представляет собой электрод, который постепенно расплавляясь, заполняет водоохлаждаемый кристаллизатор, в котором и формируется слиток:

а) в печах электрошлакового переплава нижний конец электрода погружен в расплавленный шлак, температура которого больше температуры металла (специальных и углеродных сталей), поэтому металл расплавляется  и каплями, пронизывая шлак, очищающий его от примесей, опускается в жидко – металлическую ванну. Таким образом, за исключением начального  периода – расплавления шлака образующейся дугой, печь работает как печь сопротивления, поэтому режим ее относительно спокойный, колебания тока невелики.

Схемы питания обычные, с понижающими трансформаторами, S = 1600 – 5000 кВА, U₂ = 60-160 В. Установки однофазные. В процессе плавки меняются длина электрода, количество и состав флюса, высота слитка, сопротивление короткой сети. Из-за этого меняется выделяемая в электрошлаковой ванне мощность, ее поддерживают автоматически. (S = f(I;U   или R_{ШЛ.ВАННЫ} );

б) вакуумные дуговые печи   применяются для переплава стали, а также для выплавки тугоплавких металлов: титана, молибдена, вольфрама, циркония и их сплавов.

Печи одноэлектродные, с расходуемым электродом и кристаллизатором, на постоянном токе. Электрод служит катодом. В кристаллизаторе поддерживается давление до 0,1 Па. Дуга горит в парах расплавленного металла внутри кристаллизатора между торцом электрода и жидкометаллической ванной на поверхности застывающего твердого слитка. Печи работают на U = 30-45 В; U_{ХХ ИП}  = 65-75 В; I_{раб печи} = 12,5;25;37,5;50;75 кА. В настоящее время все новые установки выполняются либо с тиристорными источниками, либо с параметрическими.

При плавке в вакуумных дуговых печах необходимо соблюдать постоянство скорости плавления для получения качественного слитка, ток печи должен быть стабилизирован во  время плавки с точностью до 2,5 – 3%. Поэтому для питания вакуумных печей более подходят источники тока, а не напряжения.

Схемы и ВАХ ИП вакуумных дуговых печей (рисунок 19):

а) источник тока с тиристорным преобразователем и обратными связями по U и I, имеющих в рабочем диапазоне вертикальную характеристику;

б) параметрические источники тока с выпрямителем, имеющим вертикальную характеристику.

Параметрический источник стабилизирует ток с точностью до 3%. Источник работает на принципе резонанса, ток в цепи нагрузки автоматически стабилизируется  и не зависит от нагрузки. Наличие конденсаторов в источнике меняет сдвиг между током и напряжением на обратный.

 

 

 

 

 

 

Рисунок 19 – Схемы и вольт-амперные характеристики ИП вакуумных и дуговых печей

1 – блок обратной связи по току; 2 –  блок обратной связи по напряжению; ИН – тиристорный источник напряжения; ИТ – параметрический источник тока; U_ВХ – входное напряжение источника; I_Д – ток дуги

 Так как мощность вакуумных ДП не превышает 5000 кВА, то их электроснабжение осуществляется на  U = 6-10 кВ, и их схемы питания не отличаются от ДСП. Мостовая схема выпрямления обеспечивает равномерное распределение нагрузки между фазами трехфазной питающей сети;

в) для питания плазменных дуговых печей  может применяться мостовая схема выпрямления. ИП плазматрона должен обеспечить устойчивое горение дуги во всем диапазоне его рабочих параметров. Это достигается применением управляемого тиристорного источника со стабилизацией дуги при помощи сглаживающего реактора, включенного последовательно с дугой плазмотрона.

Электродуговые плазматроны относятся к классу сложных нелинейных нагрузок, поэтому для их питания неприменимы источники питания общего назначения (рисунок 20);

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 20 – Схема управляемого источника питания плазматрона

в) установки электронно-лучевого нагрева (ЭЛУ).

 

 

 

 

 

 

 

 Рисунок 21 – Схема питания установки электронно-лучевого нагрева

 1 – ИП ЭЛУ, состоит из повышающего трансформатора 2 с U_ВЫХ = 10 – 40 кВ, блока, преобразующего переменное напряжение вентиля (3), и трансформатора накала катода (4). Для регулирования напряжения с первичной стороны трансформатора могут быть предусмотрены АТ, вольтодобавочные трансформаторы или реакторы с подмагничиванием.

Прямой накал катода электронной пушки производится переменным током низкого напряжения от специального понижающего накального трансформатора. Регулирование напряжения накала, необходимое  для изменения режимов работы ЭЛУ и компенсации эффектов старения катода прямого накала, производится в первичной цепи накального трансформатора. В эту же цепь можно включить устройство стабилизации тока накала, например, магнитные усилители. 

 8 Лекции № 8. Электроснабжение сварочных машин

Содержание лекции:

- основные виды электрической сварки, электрооборудование для дуговой и контактной сварки, аппараты управления сварочными машинами, графики и расчет электрических нагрузок сварочных машин, выбор аппаратов защиты сетей.

Цели лекции:

- знакомство с видами сварки, принципами действия, электрооборудованием и защитой сварочных сетей.

Электрическая сварка относится к разделу электротехнологии, то есть электрическая энергия переходит непосредственно в тепло.

По характеру потребления электрической энергии и режиму работы электросварочные аппараты и машины значительно отличаются от других потребителей, так как большинство из них являются однофазными приемниками с ПК режимом работы, частыми пусками и низким коэффициентом мощности. Включение большинства из них происходит в случайном порядке.

Основные виды электрической сварки

Наибольшее распространение получила электрическая сварка, которая по состоянию металла в сварочной зоне делится на два вида: сварка плавлением (дуговая) и сварка давлением (контактная).

Дуговая электрическая сварка.

Расплавление металла свариваемых кромок деталей и электрода (или присадочного металла) производится за счет тепла, выделяемого электрической дугой. Дуговую сварку можно выполнять вручную, полуавтоматически и автоматически.

Контактная электрическая сварка

Производится при помощи тепла, выделяемого током при прохождении через свариваемые кромки изделия. В месте соприкосновения кромок выделяется наибольшее количество тепла, разогревающее их до сварочного состояния. Сварка завершается последующим сдавливанием свариваемых кромок.

Контактная сварка бывает: точечная, рельефная, шовная, роликовая, стыковая.                                                   

Электрооборудование для дуговой электросварки

Источник питания (ИП) должен обеспечивать легкое зажигание и устойчивое горение дуги, создавая необходимое напряжение и силу тока в сварочной цепи. Свойства ИП определяются его внешней характеристикой, представляющей кривую зависимости между током I в цепи и напряжением U_ист на зажимах источника питания.

Для дуговой сварки применяются следующие основные ИП:

1.     Постоянного тока – электрические машинные преобразователи, выпрямители и передвижные сварочные подстанции  с падающими и полого падающими внешними характеристиками;

2.     Переменного тока – однофазные трансформаторы с падающими внешними характеристиками; однофазные и трехфазные  трансформаторы с жесткими внешними характеристиками и небольшим сопротивлением К.З., рассчитанные на широкий диапазон регулирования вторичного напряжения;

Источники питания постоянного тока:

– электрические машинные преобразователи состоят из двух частей: генератора постоянного тока и приводного АД.

Наибольшее распространение получили преобразователи типов ПСО (преобразователь сварочный однопостовой) и ПСГ (преобразователь сварочный для сварки в защитных газах).

Мощности АД составляют от 4 до 55 кВт; напряжение питания 220/380 В, коэффициент мощности лежит в пределах от 0,8 до 0,9;

          – многопостовые сварочные преобразователи.

Генераторы многопостовых сварочных преобразователей имеют постоянное напряжение, то есть их внешняя характеристика является жесткой и расположена горизонтально. Они применяются для централизованного питания током сварочных постов. Многопостовой преобразователь состоит из генератора постоянного тока и электрического двигателя переменного тока.

Основным типом преобразователя является ПСМ-1000 (преобразователь многопостовой на 1000А). Приводной двигатель P=75 кВт; U=380/220 В;

          – сварочные выпрямители.

В сварочных выпрямителях используются 1ф. и 3ф. мостовые схемы (двухполупериодного выпрямления). Наибольшее применение в сварочных выпрямителях получила трехфазная (3ф.) мостовая схема, поскольку она обеспечивает большую устойчивость сварочной дуги, требует меньшего количества вентилей при одинаковых заданных значениях выпрямленного I и U, а также обеспечивает равномерную загрузку всех трех фаз силовой сети переменного тока и лучшее использование трансформатора, питающего выпрямитель.

Применяются выпрямители с падающей и жесткой внешними характеристиками в зависимости от требований процесса сварки, в котором они используются в качестве источника питания.

К группе выпрямителей с падающими характеристиками относятся выпрямители типов ВСС-300 (выпрямитель сварочный селеновый) на 300А, ВД-101 и ВД-301 (выпрямители для ручной дуговой сварки на токи 125 и 300А).

К группе выпрямителей с жесткими характеристиками относятся выпрямители типов ВС-300, ВС-400 и ВС-600. Выпрямители типов ВСУ-500 являются универсальными и могут иметь как жесткие, так и падающие характеристики. Напряжение питания всех выпрямителей 380/220 В, потребляемая мощность от 9 до 35 кВА.

Основным источником питания переменного тока являются сварочные трансформаторы.

В промышленности нашли применение следующие группы сварочных трансформаторов:

– группа 1 - с нормальным магнитным рассеиванием и реактивной катушкой (дросселем). Дроссель может иметь с трансформатором общий магнитопровод (трансформаторы СТН для ручной и ТСД для автоматической сварки)  или  отдельный магнитопровод (трансформаторы СТ и СТЭ в двухкорпусном исполнении);

– группа 2 - с увеличенным магнитным рассеиванием (трансформаторы ТС, ТСК и СТШ).

Напряжение питания сварочных трансформаторов – переменное, 1ф.- 220/380 В, мощности трансформаторов от 9 до 165 кВА, cosφ=0,4-0,6.

Электрооборудование для контактной электросварки

Сварочное оборудование для контактной электросварки можно классифицировать:

         1. По способу преобразования энергии: машины переменного тока и импульсные.

         2. По способу сварки: стыковые, точечные, рельефные и шовные.

         3. По характеру действия: автоматические, полуавтоматические и т.д.

Принципиальная схема устройства контактной машины одинакова для всех способов сварки (рисунок 22).

Аппаратура управления контактными сварочными машинами.

Электрическая контактная сварка осуществляется током, продолжительность импульса которого может меняться от долей секунды до нескольких секунд, поэтому включение должно производиться контактором, управляемым программным регулятором времени. Применяются электромагнитные, игнитронные и тиристорные контакторы.

Рисунок 22 – Принципиальная схема одноточечной сварочной машины

1 – электроды; 2 – хоботы; 3 – гибкие шины; 4 – сварочный  трансформатор;

5 – переключатель ступеней; 6 – контактор; 7 – регулятор времени; 8 – пусковая кнопка

Графики электрических нагрузок и режимы работы электрических сварочных машин:

1. Аппараты дуговой электрической сварки.

Они имеют два вида графиков нагрузки (рисунок 23):

 

 

 

 

 

Рисунок 23

а) график нагрузок аппаратов, у которых источник питания на время паузы отключается;

б) график нагрузок аппаратов, у которых источник питания на время паузы не отключается и работает в режиме холостого хода.

Основной характеристикой режимов работы аппаратов дуговой сварки является продолжительность включения

t_p – время рабочего периода;

t_ц – время цикла сварки одной детали.

Для большинства аппаратов дуговой сварки ПВ = 60%.

 

2. Машины контактной электрической сварки.

Основными показателями режимов работы машины являются:

         1. Коэффициент загрузки       

         где i_1св  (S_св) – ток (мощность), потребляемый машиной из сети во время сварки;

i_пасп  (S_пасп) – паспортный ток (мощность) машины.

         2. Продолжительность включения автоматического режима

, %

где t_св -  время сварки одной точки;

t_п – время паузы между двумя паузами.

3. Фактическая продолжительность включения

,%

где t₀ – время, затрачиваемое на установку и снятие детали.

4. Частота включения сварочной машины в единицу времени

, 1/c

t_ц – время цикла сварки одной точки, с.

5. Коэффициент мощности в момент сварки.

 

9 Лекции № 9. Электроснабжение сварочных машин (продолжение)

 

Содержание лекции:

- расчет электрических нагрузок сварочных машин, выбор аппаратов защиты сетей.

Цели лекции:

- знакомство с защитой сварочных сетей.

 

Расчет электрических нагрузок сварочных машин

Аппараты дуговой сварки в большинстве своем являются потребителями 3ф.  тока, число и мощность их невелики, ПВ=60% или больше, и расчет их электрических нагрузок производится как для обычных силовых нагрузок.

Машины контактной сварки являются однофазными потребителями с большой частотой включения и малой продолжительностью работы. Графики машин контактной сварки можно свести к следующим типовым индивидуальным графикам: периодические, цикличные, нецикличные.

Периодические индивидуальные графики нагрузки имеют большинство сварочных машин, работающих в автоматическом режиме или в автоматизированных поточных линиях (сюда относятся многоточечные, точечные, рельефные, шовные сварочные машины).                           

Цикличные индивидуальные графики нагрузки имеют большинство сварочных машин, работающих в полуавтоматическом режиме, то есть при ручной системе снятия и замены деталей (точечные, рельефные, шовные и некоторые виды стыковых сварочных машин).

Нецикличные индивидуальные графики  имеют ряд машин контактной сварки (стыковые), так как время сварки этих машин не устанавливается аппаратурой управления, а зависит от подводимого к сварочной машине напряжения.

При расчетах электрических нагрузок машин контактной сварки должны определяться следующие значения электрических нагрузок:

- среднеквадратичная – для выбора сетей по нагреву, выбора средств компенсации и учета расходов электрической энергии;

- пиковая – для проверки выбранных сетей на потери напряжения, определения колебаний напряжения и проверки оборудования на устойчивость к пиковым токам.

Для расчета электрических нагрузок сварочных машин необходимы следующие исходные данные: планировка цеха с нанесенным оборудованием; назначение машин; тип машин; паспортная мощность; паспортная ПВ; вторичный ток; напряжение сварки; время сварки одной точки или детали; число включений сварочной машины в единицу времени; схема главных цепей и цепей управления;

Для многоточечных машин, кроме того, необходимы: общее число трансформаторов на машине; распределение их по группам; порядок включения групп трансформаторов;

На основании таблицы исходных данных определяются  следующие показатели:

1. Мощность, потребляемая сварочной машиной из сети в период ее включения  

где i₂ – вторичный ток сварки, кА;

u₂ – вторичное напряжение сварки, В.

2. Коэффициент загрузки сварочной машины К_з.

3. Фактическая продолжительность включения ПВ_ф.

4. Частота включения сварочной машины λ.

Расчет нагрузок по нагреву.

В массовых расчетах нагрузка электрической сварки задается мощностью сварочного трансформатора. Погрешность расчета не превышает 3%.

Расчет производится в следующем порядке:

         1. Сварочные машины распределяются  по возможности равномерно по всем трем парам фаз (АВ, ВС, АС).

         2. При небалансе мощностей по парам фаз не более 15% определяется нагрузка наиболее загруженной пары фаз по формуле

где S_д – действующее значение нагрузки сварочной машины, кВА;

S_c – средняя нагрузка одной сварочной машины, кВА;

n – число машин подключенных к одной паре фаз.

Для одной одноточечной шовной и рельефной сварочной машины

,

.

Для одной группы сварочных трансформаторов многоточечных сварочных машин

,

где n₁ – число трансформаторов в группе, включенных параллельно.

         3. Эквивалентная трехфазная действующая нагрузка при небалансе по фазам не более 15% определяется по формуле

.

         4. При небалансе мощностей по фазам более 15% определяется нагрузка каждой пары фаз, и в зависимости от соотношения их подсчитывается  эквивалентная среднеквадратичная трехфазная нагрузка. 

Например, если  , то по формуле

где выражение под корнем соответствует нагрузке наиболее загруженной фазы В.

         5. Определяется расчетный по нагреву максимум тока

.

Расчет пиковых нагрузок.

Основной задачей расчета суммарных пиков нагрузки от машин контактной сварки является определение следующих характеристик суммарного графика:

         – вероятности совпадения P_m  работы любых m машин независимо от длительности t_m одного такого совпадения;

         – величины тока I_тр или мощности S_тр, соответствующей числу совпавших машин;

         – средней длительности t_m одного импульса совпадения;

         – средней частоты появления импульсов совпадения ν_m.

Для решения этих задач предлагаются два метода: а) аналитический с применением основных положений теории массового обслуживания;                        б) статистического моделирования графиков нагрузок сварочных машин на ЦВМ.

Расчет электрических нагрузок при совместном питании сварочных, силовых и осветительных нагрузок.

Расчет электрических нагрузок следует производить по отдельным группам потребителей.

Суммарная нагрузка по нагреву определяется по формулам

,

,

,

.

Суммарная пиковая нагрузка определяется по следующей формуле

где I_mp  - пиковый линейный ток от сварочных машин.

Влияние колебаний и отклонений U на качество электрической сварки.

          1 Дуговая электрическая сварка.

Для получения качественных сварных соединений необходимо сохранять постоянными оптимальные параметры тока, напряжения дуги и скорости сварки или же изменять их по заранее заданному режиму. Эти функции выполняются автоматическими регуляторами, входящими в состав сварочных аппаратов.

Отклонения от заданного режима сварки приводят к появлению таких дефектов в шве, как непровары, подрезы, наплывы, перехваты и др.

Отклонения и колебания напряжения в сети, питающей дуговые сварочные аппараты, приводят к изменению тока в сварочной дуге и к изменению напряжения на сварочной дуге.

Опытным путем установлено, что кратковременные колебания питающего напряжения не отражаются на качестве свариваемого шва, что объясняется инерционностью тепловых процессов в основном и электродном металле. При длительных же отклонениях напряжения вступают в действие системы регулирования горения дуги.

         2 Контактная электрическая сварка.

Управлять процессом контактной сварки можно током и временем. Время сварки регулируется элементами управления процессов сварки.

Колебания и отклонения напряжения в сетях, питающих машины точечной,  многоточечной, рельефной и шовной электросварки оказывают влияние как на сам сварочный процесс, то есть вторичное напряжение сварочной машины, так и на схемы управления сварочным процессом.

Допустимые колебания напряжения для машин этих типов ±5% при сварке обычных сталей и ±3% для сварки титановых и других жаропрочных сталей и сплавов.

Способы ограничения и устранения влияния пиковых нагрузок, создаваемых сварочными машинами, на качество напряжения.

Исследования показали, что колебания напряжения при работе сварочной машины достигают 25-30%.

Обычные силовые трансформаторы с U_k=5,5% не рассчитаны на пиковую нагрузку контактной электросварки.

Выпускаются специальные трансформаторы для питания этих машин S=2500 кВА с U_k=5,5% с усиленным креплением обмоток, допускающих  3-х кратную пиковую нагрузку. Потери напряжения в этих трансформаторах достигают 15-16%, поэтому требуются мероприятия по ограничению колебания напряжения.

Рекомендуются следующие мероприятия по ограничению колебаний напряжения, создаваемых сварочной нагрузкой:

- питание сварочной нагрузки и потребителей, чувствительных к колебаниям напряжения, производится от отдельных трансформаторов;

- увеличение мощности питающих трансформаторов и их параллельное включение;

- увеличение сечения сетей;

- применение сетей с уменьшенным индуктивным сопротивлением (шинопроводы со «спаренными фазами», кабели и т.д.);

- применение блокировки, исключающей одновременное включение нескольких крупных сварочных машин;

- применение продольной компенсации реактивной мощности;

- применение специальных стабилизирующих устройств.

 10 Лекция № 10. Классификация способов заземления нейтрали. Основные определения. Трехфазные сети с изолированными нейтралями

Содержание лекции:

- знакомство со схемами соединений нейтралей. Особенности сетей с изолированной нейтралью.

Цели лекции:

- на основании схем и векторных диаграмм сетей с изолированной нейтралью изучить работу нейтралей в нормальном режиме и в режиме однофазного замыкания на землю.

 Надежность работы электроустановок и систем электроснабжения в целом в значительной мере зависит от режима нейтрали источников и приемников 3-фазного тока, обмотки которых соединены в звезду или зигзаг. Наиболее частым повреждением в системе электроснабжения (>2/3 всех повреждений) является однофазное замыкание на землю, случайное электрическое соединение находящихся под напряжением частей электроустановок с заземленными конструктивными частями или непосредственно с землей. Ток, проходящий через землю в месте замыкания, называется током однофазного замыкания на землю.

В соответствии с классификацией ПЭУ электроустановки напряжением выше 1000В подразделяются на установки с большими и малыми токами замыкания на землю.

Однофазное замыкание на землю нарушает симметрию электрической системы, при этом в зависимости от способа заземления нейтрали системы по-разному реагируют на однофазное замыкание на землю.

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 24 – Схемы соединений нейтралей

 Международной электротехнической комиссией (МЭК) рекомендована следующая классификация систем в зависимости от способа заземления нейтрали: система с изолированной нейтралью, т.е. нейтралью, нормально не соединенной с землей (рисунок 24,а); резонансно заземленная система, т.е. система, заземленная через дугогасящую катушку (рисунок 24,б); система с заземленной нейтралью (наглухо, через активное или реактивное сопротивление – рисунок 24, в,г,д).

В отличие от рекомендаций МЭК, у нас принята следующая классификация: системы с изолированной нейтралью (рисунок 24, а, б); системы с глухозаземленной нейтралью (рисунок 24 в, г, д).

По ПУЭ:

– глухозаземленной нейтралью называется нейтраль трансформатора или генератора, присоединенная к заземляющему устройству непосредственно или через малое сопротивление (трансформаторы тока и другие).

– изолированной нейтралью называется нейтраль, не присоединенная к заземляющему устройству или присоединенная через аппараты, компенсирующие емкостный ток в сети (дугогасящие катушки), трансформаторы напряжения и другие аппараты, имеющие большое сопротивление.

Вид связи нулевых точек нейтралей машин и трансформаторов с землей в значительной степени определяет уровень изоляции электроустановок и выбор коммутационной аппаратуры, величину перенапряжений и способы их ограничения, величины токов при однофазных к.з. на землю, условия работы релейной защиты и безопасности в электрических сетях, электромагнитное влияние на линии связи и т.д. Режим работы нейтралей определяет величину тока замыкания на землю. Сети, в которых ток однофазного замыкания на землю менее 500А, называются сетями с малыми токами замыкания на землю (в основном, это сети с изолированной нейтралью). Токи более 500А соответствуют сетям с большими токами замыкания на землю (в основном, это сети с глухозаземленной нейтралью).

Трехфазные сети с изолированными нейтралями

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 25 – Схема и векторная диаграмма для нормального режима

İ_нА, İ_нВ, İ_нС – токи нагрузки; İ_СоА, İ_СоВ, İ_СоС – емкостные токи фаз относительно земли; İ_гА, İ_гВ, İ_гС – токи в фазах источника

В сетях с изолированной нейтралью емкостные токи фаз относительно земли протекают через распределенные емкости фаз, которые для упрощения анализа процесса условно заменяют емкостями, сосредоточенными в середине линий. Междуфазные емкости при этом не рассматриваются, т.к. при однофазных повреждениях их влияния на токи в земле не сказывается. Рассмотрим схему и векторную диаграмму для нормального режима работы сети. Величина емкостного тока фазы

I_Со =U_ф × v × C

где  С – емкость фазы относительно земли.

Геометрическая сумма емкостных токов трех фаз равна нулю. Величина емкостного тока нормального режима в одной фазе в современных сетях с изолированной нейтралью, как правило, не превышает нескольких ампер и практически не влияет на загрузку генераторов:

а) в нормальном режиме работы напряжения фаз сети относительно земли (Ů_А, Ů_В, Ů^’_C) симметричны и равны фазному напряжению установки, а токи в фазах источника İ_rA, İ_rB, İ_rC равны соответственно геометрической сумме токов нагрузки İ_НA, İ_НB, İ_НC  и емкостных (зарядных) токов фаз относительно земли (İ_СоA, İ_СоB, İ_СоC).

Рассмотрим схему и векторную диаграмму для случая однофазного замыкания на землю (рисунок 26).

В случае замыкания на землю в одной точке напряжения неповрежденных фаз относительно земли возрастает в  раз и становятся равными линейному напряжению. Например, при замыкании на землю фазы А поверхность земли в точке повреждения приобретает потенциал этой фазы, а напряжения фаз В и С относительно земли становятся равными линейным напряжениям Ů’_В= Ů_ВА и Ů^’_C= Ů^’_CA. Емкостные токи неповрежденных фаз В и С также увеличиваются в соответствии с увеличением напряжения в  раз. Ток на землю фазы А, обусловленный ее собственной емкостью, будет равен нулю, т.к. эта емкость оказывается закороченной.

Принимая, как обычно, за положительное направление тока во всех фазах направление от источника в сеть, можно записать для тока в месте повреждения İ_С = – (İ_СоВ + İ_СоС)…

Векторы токов İ_СоB, İ_СоC на диаграмме опережают векторы напряжения  Ů_В, Ů^’_C на 90˚. Поскольку емкостные токи фаз в рассматриваемом случае в  раз больше, чем в нормальном, а векторы İ_СB и İ_СC сдвинуты относительно друг друга на 60˚, емкостный ток в месте однофазного замыкания на землю в 3 раза больше нормального емкостного тока фазы, т.е.

I_С =3× I_Со = 3× U_ф × v × C...

Из этого выражения видно, что величина тока I_С зависит от напряжения сети, частоты и емкости фаз относительно земли. Последняя зависит от конструкции сети (кабельная или воздушная) и ее протяженности.

Приближенно ток I_С (в амперах) можно определить:

для воздушных сетей ;

для кабельных сетей

где U – междуфазное напряжение, кВ;

l – длина электрически связанной сети, км.

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 26 – Схема и векторная диаграмма для случая режима замыкания фазы А на землю

 В случае неполного замыкания на землю (через некоторое переходное сопротивление) напряжение поврежденной фазы относительно земли будет больше нуля, но меньше фазного, а неповрежденных фаз – больше фазного, но меньше линейного. Меньше будет и ток замыкания на землю.

При однофазных замыканиях на землю в сетях с изолированной нейтралью треугольник линейных напряжений не искажается, поэтому потребители, включенные на междуфазные напряжения, продолжают работать нормально.

Вследствие того, что при замыкании на землю напряжение неповрежденных фаз относительно земли увеличивается в  раз по сравнению с нормальным значением, изоляция в сетях с незаземленной нейтралью должна быть рассчитана на междуфазное напряжение. Данное обстоятельство ограничивает область использования этого режима работы нейтрали сетями с напряжением 35кВ и ниже, где стоимость изоляции обмоток не является определяющей и некоторое ее увеличение компенсируется повышенной надежностью питания потребителей, если учесть, что однофазные замыкания на землю составляет в среднем 65% всех нарушений изоляции. В то же время необходимо отметить, что при работе сети с замкнутой на землю фазой становится более вероятным повреждение изоляции другой фазы и возникновение междуфазного к.з. через землю.

В связи с изложенным, в сетях с изолированной нейтралью обязательно предусматривают сигнальные устройства, извещающие персонал о возникновении однофазных замыканий на землю. После получения сигнала должно начинаться немедленно отыскание замыкания на землю и повреждение должно устраняться в кратчайший срок.

Допустимая длительность работы с заземленной фазой определяется ПТЭ, и в большинстве случаев не должна превышать двух часов.

В случае однофазных замыканий на землю в генераторах мощностью 150 Мвт и выше они должны быть немедленно разгружены и отключены от сети. В отдельных случаях на генераторах (при токе замыкания на землю больше 5А), а также на линиях, питающих торфоразработки или строительные механизмы, устанавливается релейная защита, действующая при однофазных замыканиях на заземлю корпуса или сердечника.

С учетом опасных последствий однофазных повреждений и их зависимости от величины тока I_C допустимые значения последнего нормируются и не должны превышать:

Напряжение сети, кВ	6	10	20	35
Емкостный ток замыкания на землю, IC А	30	20	15	10

 

11 Лекция № 11. Трехфазные сети с нейтралью, заземленной через дугогасящую катушку (компенсированные сети)

 

Содержание лекции:

- знакомство со схемой и векторной диаграммой сети. Сети с ДК.

Цели лекции:

- изучить устройство ДК, расчет мощности ДК, размещение их в сети. Изучить способ снижения однофазного емкостного тока замыканий на землю.

 Установки напряжением 6,10,20,35 кВ работают с изолированной или компенсированной нейтралью. Если токи замыкания на землю, определяемые емкостью питаемой сети, не превосходят приведенных в таблице значений, то нейтраль такой установки может не заземляться и оставаться изолированной.

При больших токах замыкания на землю в месте повреждения возможно появление устойчивой перемежающейся дуги. Резонансные явления в этом случае могут вызвать опасные перенапряжения, повреждения изоляции, переход однофазного замыкания в двух- или трехфазное к.з. и погашение потребителей.

 

 

 

        

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 27 – Трехфазная сеть с нейтралью, заземленной через дугогасительную катушку

 

Поэтому в установках с повышенными токами замыкания на землю (больше 10-30А при U =35-6,0 кВ) применяется компенсация этих токов при помощи индуктивных катушек – настраивающихся сопротивлений дугогасящих катушек ЗРОМ (рисунок 28), включенных в нейтраль трансформаторов.

Магнитопровод составной, имеющий чередующиеся воздушные зазоры. Обмотки и магнитопровод помещаются в баке, заполненном маслом. Катушки ЗРОМ пригодны для установки как в помещении, так и на открытом воздухе.

Регулирование индуктивного сопротивления катушки для изменения настройки компенсации осуществляется вручную переключением отпаек обмотки. Пределы регулирования 1:2, всего имеется пять ответвлений.

 

 

 

 

 

 

Рисунок 28 – Устройство дугогасительных катушек ЗРОМ

1 – обмотки; 2 – сердечник (магнитопровод); 3 – корпус; 4 – масло; 5 – проходные изоляторы

 В нормальном режиме ток через катушку равен нулю. При полном замыкании на землю одной из фаз дугогасящая катушка оказывается под фазным напряжением, и через место замыкания на землю протекает наряду с емкостным током I_С также индуктивный ток катушки I_L. Так как индуктивные и емкостные токи отличаются по фазе на угол 180°, то в месте замыкания на землю они компенсируют друг друга. Если  İ_С = İ_L, то через место замыкания на землю тока не будет. Благодаря этому дуга в месте повреждения не возникает, и устраняются связанные с ней опасные последствия.

Суммарная мощность дугогасящих катушек для сети определяется из выражения

где n - коэффициент, учитывающий развитие сети, n = 1,25;

I_С - полный ток замыкания на землю, А; 

U_ф - фазное напряжение сети, кВ.

По расчетному значению Q_ДК в каталоге подбираются катушки. Как правило, к установке принимают две катушки с суммарной мощностьюQ_ДК (расчетное).

ДК должны устанавливаться на узловых  питающих подстанциях, связанных с компенсируемой сетью не менее чем тремя линиями. При компенсации сетей генераторного напряжения  катушки располагают в непосредственной близости от генераторов.

Размещение дугогасящих катушек в сети (рисунок 29):

а) две ДК, подключаемые в нейтрали трансформаторов подстанций;

б) ДК подключена к нейтрали генератора, работающего в блоке с трансформатором;

в) ДК подключена к нейтрали одного из двух генераторов, работающих на общие сборные шины. Следует иметь в виду, что при этом цепь подключения катушки должна проходить через окно сердечника трансформатора  тока нулевой последовательности (ТНП), что необходимо для обеспечения  правильной работы защиты генератора от замыканий на землю.

При подключении ДК через специальные трансформаторы и трансформаторы собственных нужд, по мощности соизмеримые с мощностью катушки, необходимо учитывать их взаимное влияние.

В первую очередь, это влияние сказывается в уменьшении действительного тока компенсации по сравнению с номинальным, ввиду наличия последовательно включенного с катушкой сопротивления обмоток трансформатора

где I_н.к. - номинальный ток ДК;

U_к% - напряжение короткого замыкания трансформатора;

Q_н.к. - номинальная мощность ДК;

S_н.т. - номинальная мощность трансформатора.

 

 

 

 

 

 

а)

                                    

 

 

 

 

 

 

 

б)                                                               в)

 

Рисунок 29 – Размещение ДК в сети

Как известно, силовые трансформаторы имеют соединение обмоток U/U или U/D (при вторичном напряжении 6,10, 35 кВ). Особенно резко ограничивающее действие обмоток трансформатора сказывается при использовании схемы  соединения обмоток  U/U, так как при однофазных замыканиях на землю индуктивное  сопротивление  у них в 10 раз больше, чем при междуфазных кз. По этой причине для подключения ДК предпочтительнее  трансформаторы со схемой соединения  обмоток U/D.

В свою очередь, наличие ДК в нейтрали трансформатора обуславливает при однофазных замыканиях на землю дополнительную нагрузку на его обмотке, что приводит к повышенному нагреву.

Если трансформатор имеет нагрузку, то допустимая мощность ДК определяется из выражения

где S_н.т. -номинальная мощность трансформатора;

S_макс - максимальная мощность нагрузки.

S_макс » Р_макс

Эта формула справедлива, так как cos j нагрузки 1, а  r_ДК (активное сопротивление ДК) очень мало.

С учетом перегрузки трансформатора, допустимой на время работы сети с заземленной фазой и определяемой коэффициентом перегрузочной способности К_пер, допустимая мощность  катушки, подключаемой к данному трансформатору, будет равна

.

При подключении ДК к специальному ненагруженному трансформатору необходимо выдержать условие

Q_нк S_нт или Q_нк S_нтК_пер.

В сетях с нейтралями, заземленными через дугогасящие катушки так же, как и в сетях с незаземленными нейтралями, допускается временная работа с замкнутой на землю фазой до тех пор, пока не представится возможность произвести необходимые переключения для отделения, поврежденного участка. Наличие ДК особенно ценно при кратковременных замыканиях на землю, так как при этом дуга в месте замыкания гаснет, и линия не отключается.

В сетях с нейтралями, заземленными через ДК, при однофазных замыканиях на землю напряжение двух неповрежденных фаз относительно земли увеличивается в  раз, то есть до междуфазного напряжения. Следовательно, по своим основным свойствам эти сети аналогичны  сетям с изолированной нейтралью.

12 Лекция 12. Трехфазные сети с глухозаземленными нейтралями

 Содержание лекции:

- достоинства и недостатки выполнения сетей с глухозаземленными нейтралями. Заземление нейтрали через активное или индуктивное сопротивление.

Цели лекции:

- изучить области применения схем с глухозаземленной нейтралью.

Глухое заземление нейтрали применяется в СНГ в электрических сетях U ≥ 110 кВ, а также в сетях ниже 1000В. В установках 110кВ и выше фактор стоимости изоляции является решающим при выборе способа заземления нейтрали.

В сети с глухим заземлением нейтрали при замыкании одной из фаз на землю образуется короткозамкнутый контур через землю и нейтраль источника с малым сопротивлением, к которому приложена э.д.с. фазы. Возникает режим к.з., сопровождающийся протеканием больших токов. Во избежание повреждения оборудования длительное протекание больших токов недопустимо, и поэтому к.з., как правило, быстро отключаются релейной защитой. Напряжение на здоровых фазах относительно земли при этом не превышает фазного значения, т.е. основным достоинством глухого заземления нейтрали является удешевление электрических установок за счет выполнения изоляции от земли на меньшее напряжение. При глухом заземлении нейтрали устраняются также и перенапряжения, вызываемые перемежающимися дугами.

 

Рисунок 30 – Трехфазная сеть с заземленной нейтралью

 Рассматриваемый режим нейтрали имеет ряд недостатков:

          1) электроустановка отключается при каждом однофазном к.з.;

          2) значительное удорожание выполняемого в распредустройствах контура заземления, который в данном случае представляет собой сложное инженерное сооружение;

          3) значительная величина тока однофазного к.з., которая в ряде случаев может превышать даже ток трехфазного к.з.  Для уменьшения токов однофазного к.з. применяют, если это эффективно, частичное разземление нейтралей (в основном в сетях 110кВ).

Для уменьшения токов однофазного к.з. в системе с глухозаземленной нейтралью применяются также введение в нейтраль токоограничивающего сопротивления (активного R или индуктивного ωL). Но при этом полностью освободиться от перенапряжений или повышения напряжения «здоровых» фаз относительно земли в аварийных режимах не удается;

г) при заземлении нейтрали через индуктивное сопротивление х_р (реактор) ток в месте повреждения будет значительно больше емкостного тока замыкания на землю, но не более допустимых величин, ограниченных возможностью появления устойчивого дугового замыкания на землю. Напряжения неповрежденных фаз относительно земли в аварийном режиме составляют (0,8÷1,0)U_л (уровень изоляции как в системах с изолированной нейтралью).  Реакторы в нейтрали повышают устойчивость системы при однофазных замыканиях на землю и ограничивают коммутационные перенапряжения до допустимых пределов;

д) при заземлении нейтрали через R ток в месте повреждения будет больше емкостного тока замыкания на землю (но меньше, чем при заземлении нейтрали через Х_р), а напряжение неповрежденных фаз относительно земли может быть выше, чем в системе с изолированной нейтралью: (1,73÷1,9) U_ф. При использовании R в нейтрали устойчивость системы при однофазном замыкании на землю обычно выше, чем при глухозаземленной нейтрали. Коммутационные перенапряжения малы. Заземление нейтрали через R является эффективной мерой для предотвращения перенапряжений при переходных процессах замыкания на землю, так как R шунтирует емкости сети, обусловливая апериодический процесс разряда. Надежность заземления нейтрали через R выше, чем через Х_р.

Системы с R по сравнению с Х_р имеют следующие недостатки:

1) для достижения одной и той же степени ограничения тока замыкания на землю требуется большая величина сопротивления (R), т.к. сопротивление реактора (Х_р) складывается арифметически с индуктивным сопротивлением системы, а следовательно, и напряжения в системе, и потери мощности при к.з. больше;

2) конструктивно выполнение R сложнее, особенно в системах высоких напряжений и больших мощностей, и стоимость сооружения выше, чем для реакторов (усложняются вопросы охлаждения).

Таким образом, введение в нейтраль реактора для ограничения тока однофазного к.з. является более экономически целесообразным мероприятием, получившим соответствующее распространение. Область применения способа заземления нейтрали через активное сопротивление ограничена, в основном генераторами и сетями генераторного напряжения.

Выводы

В системах 6,10 и 35 кВ применяется изолированная нейтраль, если величины емкостных токов замыкания на землю не превосходит указанных ранее допустимых значений; в противном случае применяются нейтрали, заземленные через дугогасящие аппараты, компенсирующие емкостный ток замыкания на землю.

При U = 6,10кВ нейтраль генераторов обычно заземляется через R. В системах 110, 220 кВ и выше применяется глухое заземление нейтрали с разземлением нейтрали части трансформаторов при необходимости ограничения  тока однофазного к.з.

В электрических установках U<1000В применяются следующие режимы нейтралей:

          – глухое заземление нейтрали трансформаторов и генераторов;

          – полностью изолированная нейтраль (только у генераторов);

          - нормально изолированная нейтраль трансформаторов с включенным в нейтраль или фазу заземленным пробивным предохранителем.

В четырехпроводных сетях переменного тока (220/127 и 380/220)В или трехпроводных сетях постоянного тока глухое заземление обязательно; при U_ном =500 и 660 В электроустановок трехфазного тока нейтраль должна быть изолирована. В трехфазных трехпроводных сетях U= 380 и 220В применяется и изолированная, и глухозаземленная нейтраль.

 

Список литературы

1. Кудрин Б.И. Электроснабжение промышленных предприятий: Учебник для студентов высших учебных заведений /Б.И. Кудрин. – М.: Интермет Инжиниринг, 2005.

2. Князевский Б.А., Липкин Б.Ю. Электроснабжение промышленных предприятий. – М.: Высшая школа, 1986.

3. Сибикин Ю.Д. Электроснабжение промышленных предприятий и установок: Учебник для проф. Учебных заведений. – М.: Высшая школа, 2001.

4. Конюхова Е.А. Электроснабжение объектов: Учебное пособие для сред. проф. образования. – М., 2001.

5. Киреева Э.А. и др. Электроснабжение цехов промышленных предприятий. – М.: НТФ Энергопрогресс, Энергетик, 2003.

6. Справочник по проектированию электрических сетей и электрооборудования. /Под ред. Ю.Г. Барыбина и др. –  М.: Энергоатомиздат, 1991.

7. Справочник по проектированию электроснабжения. Электроустановки промышленных предприятий. /Под ред. Ю.Г. Барыбина и др. –  М.: Энергоатомиздат, 1990.

8. Правила устройства электроустановок. – СПб.: Издательство ДЕАН, 2001.

9. Киреева Э.А. Справочные материалы по электрооборудованию (цеховые электрические сети, электрические сети жилых и общественных зданий), 2004.

10. Справочник по электроснабжению и электрооборудованию: Электроснабжение / Под ред. А.А. Федорова - М.: Энергоатомиздат, 1986.

11. Справочник по электроснабжению и электрооборудованию: Электрооборудование / Под ред. А.А. Федорова - М.: Энергоатомиздат, 1987.

         12. Неклепаев Б.Н., Крючков И.П. Электрическая часть электростанций и подстанций: Справочные материалы для курсового и дипломного проектирования: Учебное пособие для вузов. – 4 изд., перераб. и доп. – М.: Энергоатомиздат, 1989. 

         13. Миронов Ю.М., Миронова А.И. Электрооборудование и электроснабжение электротермических, плазменных и лучевых установок: Учеб. Пособие для вузов. – М.: Энергоатомиздат, 1991.

         14. Свенчанский А.Д. и др. Электроснабжение и автоматизация электротермических установок. – М.: Энергия, 1980.

15. Найфельд М.Р. Заземление, защитные меры электробезопасности. –М.: Энергия, 1971.