ИССЛЕДОВАНИЕ  ПЕРЕНАПРЯЖЕНИЙ  ПРИ  КОММУТАЦИИ  ПЕЧНОГО  ТРАНСФОРМАТОРА  ЭЛЕКТРОДУГОВОЙ  УСТАНОВКИ  С  ПОМОЩЬЮ  ВАКУУМНОГО  ВЫКЛЮЧАТЕЛЯ

Николаев  Александр  Аркадьевич

канд.  техн.  наук,  зав.  кафедрой  автоматизированного  электропривода  и  мехатроники,  доцент  Магнитогорского  государственного  технического  университета  им.  Г.И.  Носова,  РФ,  Челябинская  обл.,  г.  Магнитогорск

E-mail:  alexniko @inbox.ru

Урманова  Фаина  Фаннуровна

студент  Магнитогорского  государственного  технического  университета  им.  Г.И.  Носова,  РФ,  Челябинская  обл.,  г.  Магнитогорск

E -mail:  faina_urmanova@mail.ru

Сатосова  Анастасия  Андреевна

студент  Магнитогорского  государственного  технического  университета  им.  Г.И.  Носова,  РФ,  Челябинская  обл.,  г.  Магнитогорск

E -mail:  a.satosova@gmail.com

Тулупов  Платон  Гарриевич

студент  Магнитогорского  государственного  технического  университета  им.  Г.И.  Носова,  РФ,  Челябинская  обл.,  г.  Магнитогорск

E - mail :  tulupov . pg @ mail . ru

STUDY  OF  OVERVOLTAGES  CAUSED  BY  FURNACE  TRANSFORMER  COMMUTATION  WITH  VACUUM  SWITCH  FOR  ELECTRIC  ARC  EQUIPMENT

Nikolaev  Alexander

candidate  of  science,  head  of  automated  electric  drive  mechatronic  department,  associate  professor,  Nosov  Magnitogorsk  State  Technical  University,  Russia,  Chelyabinsk  region,  Magnitogorsk

Urmanova  Faina

student  of  Nosov  Magnitogorsk  State  Technical  University,  Russia,  Chelyabinsk  region,  Magnitogorsk

Satosova  Anastasia

student  of  Nosov  Magnitogorsk  State  Technical  University,  Russia,  Chelyabinsk  region,  Magnitogorsk

Tulupov  Platon

student  of  Nosov  Magnitogorsk  State  Technical  University,  Russia,  Chelyabinsk  region,  Magnitogorsk

АННОТАЦИЯ

Проведено  исследование  процессов  перенапряжений  в  электрическом  контуре  агрегата  ковш-печь  при  коммутации  печного  трансформатора  с  помощью  вакуумного  выключателя.  Показано  влияние  несимметричных  режимов  работы  агрегата  ковш-печь  на  амплитуду  перенапряжений.  Рассмотрены  способы  ликвидации  перенапряжений  при  отключении  электродуговой  установки  вакуумным  выключателем.  Доказана  эффективность  применения  управляемой  коммутации  вакуумного  выключателя  с  одновременным  использованием  ОПН  и  RC-цепей  для  снижения  коммутационных  перенапряжений.

ABSTRACT

During  the  research,  were  analyzed  overvoltage  processes  in  electric  circuit  of  ladle  furnaces  (LF).  These  overvoltages  are  caused  by  furnace  transformer  commutation  with  vacuum  switch  (VS).  Much  attention  is  given  to  impact  of  LF  non-symmetrical  regimes  on  overvoltage  amplitude.  Besides,  in  this  article  are  given  liquidation  methods  of  the  above-described  overvoltages.  Also,  it’s  shown  that  controlled  commutation  of  VS  in  cooperation  with  excess-voltage  suppressor  and  RC  network  are  efficient  for  commutation  overvoltage  decreasing.

Ключевые  слова:   электрическая  дуга;  срез  тока;  перенапряжение;  вакуумный  выключатель;  управляемая  коммутация.

Keywords:  electric  аrc;  current  section;  overvoltage;  vacuum  switch;  controlled  commutation 

Введение

Характерной  особенностью  работы  системы,  питающей  электродуговые  установки  (дуговые  электросталеплавильные  печи  (ДСП)  и  агрегаты  ковш-печь  (АКП)),  являются  частые  коммутации  в  режиме  холостого  хода,  что  обусловлено  технологическим  режимом  работы  печи.  Несимметричные  режимы  создают  новую  природу  переходных  процессов  при  коммутациях,  которые  требуют  более  тщательного  изучения  и  оценки  для  оптимального  и  правильного  выбора  защитного  оборудования,  повышения  условий  надежности  и  бесперебойности  работы  выключателя.  Кроме  того,  отключения  могут  происходить  при  работе  АКП  при  срабатывании  токовой  защиты.  В  этом  случае  амплитуды  перенапряжений  будут  максимальными.

Практический  интерес  представляют  процессы  коммутации  в  вакуумных  выключателях  (ВВ).  Коммутации  ВВ  сопровождаются  перенапряжениями,  вызванные  «срезом  тока»  в  вакуумной  камере  [2;  3],  что  приводит  к  повреждениям  изоляции  печных  трансформаторов  электродуговых  установок.

Срезом  тока  называют  обрыв  тока  при  подходе  его  к  нулю.  Это  явление  обусловлено  неустойчивостью  катодных  пятен  на  контактах  выключателя  при  малых  значениях  отключаемого  тока.  В  результате  развивается  колебательный  процесс,  вызванный  переходом  магнитной  энергии,  запасенной  в  индуктивности  печного  трансформатора  в  момент  «среза»,  в  энергию  электрического  поля  емкости  трансформатора  и  ошиновки  [1;  3].

В  статье  проведено  исследование  переходных  процессов  напряжения  и  тока  в  электрическом  контуре  электродуговой  установки  при  отключении  электросталеплавильного  агрегата  под  нагрузкой.  Исследования  проводились  на  математической  модели,  включающей  в  себя  модель  электрического  контура  АКП  и  модель  электрической  дуги  вакуумного  выключателя.  Процессы  горения  электрической  дуги  при  больших  токах  описывают  уравнением  Касси,  а  при  токах,  близких  нулю  —  Майера.  В  уравнении  Майера  учитываются  потери  мощности,  вызванные  теплопроводностью  и  проводимостью  дуги,  которые,  в  свою  очередь,  зависят  от  температуры  дугового  столба.  В  уравнении  Касси  дуга  имеет  фиксированную  температуру  и  охлаждается  посредством  принудительной  конвекции,  при  этом  площадь  поперечного  сечения  дуги  пропорциональна  току  при  постоянном  напряжении  на  дуге  [8].  В  качестве  математической  модели  электрической  дуги  в  исследовании  использована  модель  Хабедэнка  [9],  полученная  путем  объединения  моделей  Касси  и  Майера.

Анализ  способов  снижения  высокочастотных  перенапряжений 

В  настоящее  время  для  снижения  и  предотвращения  перенапряжений  при  коммутации  электродуговых  установок  вакуумным  выключателем  используют  нелинейные  ограничители  перенапряжения  (ОПН)  и  RC-цепи,  включенные  параллельно  нагрузке. 

Оборудование  ОПН  включает  в  себя  две  группы  варисторов,  соединенных  в  звезду  и  треугольник,  предназначенных  для  ограничения  линейных  и  фазных  напряжений.  Другими  важными  элементами  являются  защитные  RC-цепи,  соединенные  в  звезду  и  предназначенные  для  устранения  высокочастотных  составляющих  перенапряжения  (рис.  1).

Особенностью  мощных  электродуговых  установок  (ДСП  и  АКП)  является  значительное  потребление  реактивной  мощности  и  относительно  низкий  коэффициент  активной  мощности  cosφ  =  0,72—0,78  в  процессе  работы.  Это  обусловлено  необходимостью  использования  дополнительных  индуктивных  элементов  в  электрическом  контуре,  например,  дополнительного  реактора  для  обеспечения  стабильного  горения  электрической  дуги  и  ограничения  токов  эксплуатационных  коротких  замыканий.  В  соответствии  с  этим,  отключение  индуктивного  тока  ДСП  и  АКП  в  моменты  значительного  превышения  рабочего  тока  над  номинальным  может  сопровождаться  сильными  перенапряжениями.  Ситуация  усугубляется  тем,  что  ДСП  и  АКП  является  также  и  несимметричными  электроприемниками,  у  которых  в  процессе  работы  амплитуды  токов  по  фазам  могут  сильно  отличаться.  При  определенных  условиях,  например,  при  отключении  печи  при  наличии  однофазного  короткого  замыкания,  амплитуда  перенапряжений  может  превышать  аналогичное  значение  при  симметричном  режиме.  Учитывая  особенности  несимметричного  режима  работы  установки  необходимо  исследовать  и  оценить  показатели  перенапряжения  при  работе  АПК  для  оптимального  выбора  параметров  ограничивающих  устройств  [4]. 

Рисунок  1.  Электрическая  схема  классического  ОПН,  используемого  для  ограничения  перенапряжений

Желаемого  эффекта  можно  добиться  с  помощью  «управления»  коммутацией  выключателя.

Характерный  процесс  возникновения  перенапряжений  за  счет  среза  тока  при  коммутации  ВВ  иллюстрирует  рис.  2. 

Рисунок  2.  Коммутационные  перенапряжения,  вызванные  «срезом  тока»:  u _ср  —  перенапряжение,  вызванное  током  среза;  i_ср  —  ток  среза

В  данном  случае  эффективным  способом  снижения  перенапряжений  является  применение  «управляемой»  коммутации,  при  которой  отключение  контактов  ВВ  происходит  не  одновременно,  а  по  заданному  алгоритму  в  соответствии  с  типом  нагрузки  и  режимом  работы.  Операция  «управляемой»  коммутации  обеспечивает  разъединение  дугогасящих  контактов  полюса  высоковольтного  выключателя  в  момент  времени,  соответствующий  заданной  фазе  напряжения  —  фазе  коммутации.  Время  горения  дуги  в  этом  случае  значительно  сокращается,  так  как  количество  энергии,  выделяющейся  в  дуге,  намного  уменьшается. 

Математическое  моделирование  дуги  в  программном  продукте  МАTLAB  с  приложением  Simulink

При  моделировании  процессов  отключения  электрической  цепи  с  помощью  автоматического  вакуумного  выключателя  использована  модель  дуги  Хабедэнка,  которая  описывается  двумя  дифференциальными  уравнениями  (1)  и  (2)  и  одним  алгебраическим  уравнением  (3).  Она  используется  для  дуг  с  большими  и  малыми  значениями  токов.

  (1)

  (2)

  (3)

где:  g_s  —  проводимость  дуги  по  уравнению  Касси, 

τ_с  —  постоянная  времени  Касси,

g  —  проводимость  дуги  по  уравнению  Майера, 

τ_m  —  постоянная  времени  Майера, 

P₀  —  отводимая  тепловая  мощность.

В  эксперименте  значения  параметров  приняты  равными  τ_с  =0,0001  с,  τ_m  =0,001  с  и  P₀  =  100  Вт  [8]. 

Явление  «среза  тока»  можно  оценить  по  однофазной  схеме  замещения  электрического  контура  (рис.  3),  для  которой  получены  зависимости  тока  и  напряжения  в  момент  времени  размыкания  контактов  выключателя  (рис.  4). 

В  момент  времени  t_среза  =0,024  с  происходит  резкий  спад  тока  к  нулю  и  на  нагрузке  возникают  перенапряжения  с  амплитудой,  превышающей  номинального  значения  напряжения  на  30  %.

Рисунок  3.  Принципиальная  схема  замещения  электрического  контура

В  схеме,  представленной  на  рис.  3,  приняты  следующие  обозначения:  Сс  —  емкостная  проводимость  со  стороны  сети;  Сн  —  емкостная  проводимость  со  стороны  нагрузки;  Lc  —  индуктивность  со  стороны  сети;  Lн  —  индуктивность  со  стороны  нагрузки;  Rс  —  активное  сопротивление  со  стороны  сети;  R_Н  —  активное  сопротивление  со  стороны  нагрузки;  Rс₁  —  активная  и  индуктивная  проводимости  со  стороны  сети;  R_Н1  —  активная  и  индуктивная  проводимости  со  стороны  нагрузки;  источник  питания  -  источник  бесконечной  мощности.

Оценка  способов  снижения  перенапряжений,  обусловленных  срезом  тока,  осуществлялась  на  трехфазной  модели  контура  АКП  110  кВ  с  мощностью  печного  трансформатора  45  МВ·А  (рис.  5).  В  режиме  работы  холостого  хода  печной  установки  в  системе  MATLAB  выполнено  исследование  характера  перенапряжений  для  нескольких  случаев: 

1.  без  установки  ограничивающих  устройств;

2.  с  установкой  ОПН  без  RC-цепей;

3.  с  установкой  RC-цепей;

4.  с  установкой  ОПН  с  RC-цепями;

5.  управляемое  отключение  при  варьировании  моментов  отключения  полюсов  ВВ  110  кВ  без  ограничивающих  устройств; 

а)

б)

Рисунок  4.  Осциллограммы  мгновенных  значений  тока  и  напряжения:  а  —  «срез  тока»;  б  —  высокочастотные  перенапряжения,  возникающие  в  момент  размыкания  контактов  выключателя

Рисунок  5.  Трехфазная  схема  замещения  электрического  контура  АКП

Анализ  протекания  переходных  процессов  при  управляемой  коммутации  осуществлялся  при  разных  комбинациях  размыкания  фаз  (одновременное  для  двух  и  всех  трех  фаз).  На  основе  полученных  осциллограмм  возникающих  перенапряжений  определен  оптимальный  алгоритм  коммутации  ВВ.  Осциллограммы  изменений  мгновенных  линейных  напряжений  со  стороны  печного  трансформатора  при  отключении  АПК-110  для  перечисленных  случаев  проиллюстрированы  на  рисунке  6. 

Способ  детерминированной  (управляемой)  коммутации  вакуумным  выключателем  с  индивидуальным  приводом,  позволяет  уменьшить  максимальную  амплитуду  перенапряжений  и  снизить  время  переходного  процесса  при  отключении.  Метод  предполагает  поэтапное  отключение  электрической  нагрузки  с  размыканием  вначале  одной  фазы  и  последующим  размыканием  через  0,02  секунды  двух  оставшихся  фаз.  В  момент  размыкания  одной  фазы  АПК  переходит  в  двухфазный  режим  работы  с  пониженным  значением  тока,  благодаря  чему  окончательное  отключение  электрической  нагрузки  происходит  в  щадящем  режиме  с  меньшими  амплитудами  перенапряжений  и  меньшим  временем  затухания  [7].

По  мгновенным  значениям  возникающих  перенапряжений  (U_п)  и  времени  их  затухания  (t_затух.)  можно  судить  об  эффективности  применения  управляемой  коммутации  и  включения  ОПН  в  сеть.  Результаты  моделирования  при  исследовании  характера  перенапряжений  представлены  в  таблице.

Таблица  1. 

Характеристики  осциллограмм  мгновенных  значений  линейных  напряжений

Рисунок  6.  Мгновенные  значения  линейных  напряжений  со  стороны  печного  трансформатора  при  отключении  АПК.  Одновременное  срабатывание  полюсов  ВВ:  а  —  при  отсутствии  ограничивающих  устройств;  б  —  при  наличии  ОПН;  в  —  при  наличии  RC -цепей;  г  —  при  наличии  ОПН  с  RC-цепями.  Использование  управляемой  коммутации  ВВ:  д  —  при  отсутствии  ограничивающих  устройств;  е  —  при  наличии  ОПН  с  RC-цепями

Как  видно  из  таблицы,  амплитуда  перенапряжений  и  время  затухания  для  случаев  без  установки  ограничивающих  устройств  и  установкой  ОПН  без  RC-цепей  мало  отличаются.  Включение  ОПН  с  RC-цепями  позволяет  снизить  амплитуду  перенапряжений  практически  до  номинального  значения  напряжения  сети.  Причем  оптимальный  вариант  защиты  печного  трансформатора  обеспечивается  при  управляемой  коммутации  фаз  вакуумного  выключателя,  так  как  время  затухания  принимает  наименьшее  значение.

Выводы

1.  Явление  среза  тока  приводит  к  появлению  высокочастотных  перенапряжений  на  нагрузке,  коммутируемой  вакуумным  выключателем,  что  отрицательно  сказывается  на  ресурсе  изоляции,  в  частности,  печных  трансформаторов.

2.  Наиболее  полная  защита  печных  трансформаторов  электродуговых  установок  от  перенапряжений,  вызванных  коммутациями  вакуумными  выключателями,  обеспечивается  установкой  нелинейных  ограничителей  перенапряжений  и  резистивно-емкостных  цепей.

3.  Несимметричные  режимы  работы  агрегата  ковш-печь  связаны  с  увеличением  амплитуды  перенапряжений,  что  приводит  к  вероятности  появления  неблагоприятных  воздействий  на  изоляцию  печного  трансформатора. 

4.  Предложена  асинхронная  коммутация  вакуумного  выключателя,  заключающаяся  в  том,  что  вначале  размыкается  одна  фаза,  а  через  определенное  время  —  две  другие.  При  этом  наблюдается  снижение  возникающих  перенапряжений  и  времени  затухания. 

Список  литературы:

1.Борисов  С.А.,  Качесов  В.Е.,  Кукавский  А.В.,  Шевченко  С.С.  Перенапряжения  при  коммутации  вакуумными  выключателями  двигательной  нагрузки//  Новосибирск:  изд-во  Новосиб.  гос.  техн.  ун-та.  Энергосистемы  и  электрические  сети,  2006,  №  11.

2.Лавринович  В.А.,  Туан  Ань  Хоанг.  Исследование  свойств  дуги  в  вакуумной  дугогасительной  камере  при  малых  расстояниях  между  контактами//  Томск:  изд-во  Томского  политехн.  ун-та,  2010.  —  С.  5.

3.Лоханин  А.К.,  Бушуев  С.А.,  Матвеев  Д.А.,  Рябинович  В.Л.  Особенности  перенапряжений,  возникающих  при  отключении  печных  трансформаторов  вакуумными  выключателями//  Электротехника,  2005,  №  10.

4.Николаев  А.А.,  Образцов  А.С.,  Корнилов  Г.П.,  Якимов  И.А.  и  др.  Исследование  процессов  перенапряжений  при  коммутации  вакуумного  выключателя  мощной  электропечной  установки//Сб.  науч.  трудов  VII  междунар.  науч.-техн.  конф.  «Автоматизация  и  энергосбережение  машиностроительного  и  металлургического  производств,  технология  и  надежность  машин,  приборов  и  оборудования».  Вологда:  ВоГТУ,  2012.  —  C.  254—258.

5.Николаев  А.А.,  Корнилов  Г.П.,  Тулупов  П.Г.,  Якимов  И.А.,  Повелица  Е.В.,  Ануфриев  А.В.  Разработка  усовершенствованной  системы  автоматического  управления  положением  электродов  дуговых  сталеплавильных  печей  и  агрегатов  печь-ковш  //  Электротехника:  сетевой  электронный  научный  журнал.  —  2014.  —  том  1.  [Электронный  ресурс]  —  Режим  доступа.  —  URL:  http://electrical-engineering.ru/  (  дата  обращения  17.03.15). 

6.Николаев  А.А.,  Тулупов  П.Г.  Исследование  гидропривода  перемещения  электродов  сверхмощной  электродуговой  сталеплавильной  печи  ДСП-250  ЗАО  «ММК  Metalurji»,  г.  Искендерун,  Турция  //  Энергетические  и  электротехнические  системы.  2014.  вып.  1. 

7.Шевцов  Д.Е.  Основные  принципы  синхронной  коммутации  электрических  сетей  среднего  напряжения//  Новосибирск:  XX  Междунар.  науч.-практич.  конф.  «Современные  техника  и  технологии».  2010.  —  С.  55—56. 

8.Ling  Yuan,  Lin  Sun,  Huaren  Wu.  Simulation  of  Fault  Arc  Using  Conventional  Arc  Models//  School  of  Electrical  and  Automation  Engineering.  —  Energy  and  Power  Engineering,  2013,  —  р.  833—837. 

9.Nitu  S.,  Nitu  С.,  Mihalache  С.,  Anghelita  Р.,  Pavelescu  D.  Comparison  between  model  and  experiment  in  studying  the  electric  arc  //  University  “POLITEHNICA”  from  Bucharest.  —  Journal  of  optoelectronics  and  advanced  materials.  —  Vol.  10.  —  2008.  —  p.  1192—1196.