Расчет высших гармоник тока и напряжения при работе дуговой сталеплавильной печи Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

РАСЧЕТ ВЫСШИХ ГАРМОНИК ТОКА И НАПРЯЖЕНИЯ ПРИ РАБОТЕ ДУГОВОЙ СТАЛЕПЛАВИЛЬНОЙ ПЕЧИ

В.В. ВАХНИНА, А.Н. ЧЕРНЕНКО

Тольяттинский государственный университет

Разработан метод расчета высших гармоник тока и напряжения при работе дуговой сталеплавильной печи. Установлена зависимость уровня высших гармоник, генерируемых дуговой электропечью, от параметров питающей системы электроснабжения, а именно от мощности короткого замыкания и исходного напряжения на шинах питания.

Введение

В настоящее время установлено, что наиболее распространенным видом искажений в электрических сетях являются высшие гармоники. Через несколько лет уровни высших гармоник могут превзойти нормы, если не будут приняты меры по их снижению. Основными источниками искажения кривой тока и напряжения в системах электроснабжения является выпрямительноинверторная нагрузка преобразователей [1]. Однако в последнее время приходится считаться и с высшими гармониками, генерируемыми дуговыми сталеплавильными печами (ДСП), так как растет производство стали в дуговых электропечах и мощность самих ДСП.

Нелинейным звеном в системе электроснабжения ДСП является электрическая дуга, которая приводит к искажениям питающего тока и напряжения при работе электропечи.

В связи с этим возникает задача определения состава и действующих значений высших гармоник тока и напряжения, генерируемых нелинейной дугой ДСП.

Разработка методов расчета

Метод расчета высших гармоник тока и напряжения, генерируемых дугой ДСП, разработан на основании операторного уравнения для изменения тока дуги [2]:

а/ * (р )= ^Д (р )а/ Д (р), (1)

* *

где А/ , А/д — относительные отклонения выходного и входного параметров ДСП; Wд (р) — передаточная функция электрической дуги ДСП.

Используя выражение связи тока дуги с переменными параметрами питающей сети [3], получено значение для п-ой гармоники тока дуги () («)

1 (иЧ= Р • В1 (п)г ( ) ГГ] ("Г, (2)

[/?дв2 (п)— аВ3 (п)]в3 (п4

где а — сумма падений напряжения у анода и катода, зависящая от материала электродов; в — напряженность поля столба дуги или градиент потенциала в

© В.В. Вахнина, А.Н. Черненко

Проблемы энергетики, 2006, № 11-12

столбе дуги; Б\ (п), Б2 (п), Б3 (п) — полиномы, определяемые порядковым номером гармоники п (п=ю/юс), параметрами печного контура печи и питающей системы электроснабжения:

В1 (п) =

п Ус ЬК + ЯК + ЯК ЯД Р(К + ЯД )

В2 (п) = иИСх(п)

2 2_2

П т (% + Яд )2^ 1 + п~ ЮстК — К ПТ (К + ЯД V1 + п 2®С ГК

22

+ 4ЬЬк^сп Юс —

—Б3(п)= 2^3ЬЬкЬсп Юс,

где Гк — постоянная времени печного контура; Ьк — индуктивность печного контура; Як , ЯД — активные сопротивления печного контура и дуги; Ьс —

индуктивность сети до точки подключения ДСП; Ь — коэффициент потерь мощности; К пт — коэффициент трансформации печного трансформатора; и исх (и) — величина исходного напряжения на п-ой гармонике на шинах ДСП определяется по формуле

и ИСХ (п ) = и ИСХ К Н,

где Кн — коэффициент, учитывающий несовпадение по фазе ЭДС сети и противо-ЭДС дуги для п-ой гармоники.

Напряжения дуги для п-ой гармоники дуговой сталеплавильной электропечи определяются из выражения

и Д (п )= 1 (п )Я Д

(3)

Для удобства оценки величины высших гармоник использованы значения коэффициентов п-ой гармонической составляющей для тока и напряжения, которые характеризуют доли гармонических составляющих тока и напряжения по отношению к основной (первой) гармонике:

К1 (п) =(1 (п)/11 )•100%;

Ки (п) =(и (п)/ и 1> 100%,

(4)

В целом, для анализа уровня высших гармонических составляющих тока и напряжения, генерируемых дуговыми электропечами, был рассмотрен наиболее нестабильный по электрическим параметрам режим расплавления металла.

На основании выражений (2)-(4) получены коэффициенты п-х гармонических составляющих напряжения и тока дуги для режима расплавления металла, которые представлены в виде линейчатых спектров на

рисунке для ДСП-40 с печным трансформатором 15 МВА и первичным напряжением печного трансформатора и пт = 10 кВ.

Линейчатые спектры построены для режима максимальной производительности дуговой электропечи. При построении спектров ограничились 15-ой гармонической составляющей напряжения и 13-ой гармонической составляющей тока. Гармонические составляющие напряжения, значения которых меньше 0,1%, согласно [4], не учитывались.

100-.

90-'

80-'

70-'

60-'

50-'

40-'

Рис. Линейчатые спектры высших гармоник напряжения и тока дуги для ДСП-40 с печным

трансформатором 15 МВА

Из приведенных спектров видно, что на вторичной стороне печного трансформатора уровень высших гармоник напряжения дуги выше, чем гармоник тока. В гармоническом составе токов и напряжений присутствуют третья и кратные трем гармоники из-за несимметричного режима работы печи и несимметрии токопровода. Наличие четных гармоник в напряжении и токе, а особенно второй гармоники, обуславливается различной электроэмиссионной способностью электродов и металла, различными условиями охлаждения катодного пятна на электроде или на металле.

При анализе расчетных значений высших гармонических составляющих для ДСП емкостью 6, 40 и 100 т получено, что с увеличением емкости дуговой электропечи, мощности и первичного напряжения печного трансформатора уровень высших гармонических напряжения и тока на вторичной стороне печного трансформатора возрастает. Характер изменения высших гармоник тока и напряжения в кривой тока дуги ДСП в большей степени определяется электротехнологическими режимами ведения плавки, и наибольший уровень высших гармоник тока и напряжения, генерируемых дуговыми электропечами, характерен для режима расплавления металла.

В таблице представлены расчетные значения коэффициента ослабления высших гармоник напряжения при их прохождении через схему питания ДСП-40 с печным трансофрматором 15 МВА для различных режимов работы печи (эксплутационном коротком замыкании ЭКЗ, режиме максимальной производительности Отах и минимального расхода электроэнергии Wудт}п)

при переменных параметрах системы электроснабжения дуговой электропечи.

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 п

□ КУ(п)

□ К1(п)

Режим работы ДСП Параметры системы электроснабжения на шинах питания ДСП

S КЗ. ДС =200 МВА, U исх =10 кВ S КЗ. ДСП =300 МВА, U исх = 10 кВ S КЗ. ДСП =400 МВА, U исх = 10 кВ S КЗ. ДСП =300 МВА, U исх = 10,5 кВ S КЗ. ДСП =300 МВА, U исх = 9,5 кВ

при ЭКЗ 7,794 11,191 14,588 12,292 10,244

при G max 8,925 12,889 16,851 14,173 11,783

при W УД min 9,866 14,299 18,732 15,736 13,062

Таким образом, показано влияние изменения параметров питающей системы электроснабжения дуговой печи на уровень высших гармонических, генерируемых ДСП: уровень высших гармоник тока и напряжения уменьшается при повышении мощности короткого замыкания S кз. дСи исходного напряжения

U ИСХ на шинах питания ДСП.

Summary

Dependence of a level of the maximum harmonics generated by the arc steel-smelting furnace from parameters of feeding system of electro supply, namely on capacity of short circuit and initial pressure on trunks of a feed is revealed.

Литература

1. Жежеленко И.В. Высшие гармоники в системах электроснабжения промышленных предприятий. - М.: Энергоатомиздат, 2004. - 358 с.

2. Вахнина В.В. Анализ динамических характеристик системы автоматического регулирования дуговых сталеплавильных печей // Эффективность и качество электроснабжения промышленных предприятий: Сборник материалов V Междунар. научно-технич. конф. - Мариуполь, 2005. -

С.195-197.

3. Салтыков В.М., Салтыкова О.А. Определение тока и параметров печного контура для рационального режима дуговой сталеплавильной печи // Известия вузов. Энергетика. - 1989. - №1. - С.56-57.

4. ГОСТ 13109-97. Электрическая энергия. Совместимость технических средств электромагнитная. Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения. - Минск: Межгосударственный Совет по стандартизации, метрологии и сертификации, 1998.