Cuptoarele mari cu arc sunt mari consumatoare de energie electrică și, prin urmare, oțelăriile electrice sunt incluse în sisteme energetice puternice care combină mai multe centrale electrice. Puterea de înaltă tensiune (35-110 kV) este furnizată la substațiile coborâtoare ale atelierelor pentru a reduce pierderile în liniile de transport. Această tensiune este transmisă de la comutatorul de înaltă tensiune printr-o linie individuală pentru fiecare furnal la substația furnalului (figura 1), care adăpostește transformatorul coborâtor al furnalului și echipamentele electrice auxiliare. Curentul redus la 110-600 V este alimentat direct la cuptorul electric. Intensitatea curentului în această secțiune a circuitului electric atinge zeci de mii de amperi, din cauza cărora există pierderi semnificative de putere în secțiunea de la transformatorul cuptorului la electrozi. Pentru a minimiza aceste pierderi, substația cuptorului este adusă cât mai aproape posibil de cuptor, iar secțiunea circuitului de la transformator la electrozi este cât mai scurtă posibil. Acesta este motivul pentru care este adesea denumit scurtcircuitul cuptorului.
Astfel, schema electrică a instalațiilor cuptoarelor cu arc electric include următoarele echipamente:
- cuptor cu electrozi, actuatoare ale regulatoarelor de putere ale cuptorului și o baie în care arde arcul și se află metalul topit;
- transformatoare coborâtoare cu bobine de reactanță amplasate împreună cu acestea. În prezent, sunt dezvoltate și produse transformatoare coborâtoare cu bobine de reactanță încorporate pentru a crește rezistența inductivă a rețelei și pentru a îmbunătăți condițiile de ardere a arcului electric;
- o rețea scurtă care conectează ieșirile secundare ale transformatorului cu electrozii cuptorului;
- echipamente de comutare, măsurare și protecție, cabluri de înaltă și joasă tensiune.
Conținut
Transformatorul cuptorului
Transformatorul de cuptor este utilizat pentru a converti energia de înaltă tensiune în energie de joasă tensiune.
Datorită condițiilor speciale de funcționare, transformatoarele coborâtoare de furnal sunt caracterizate de o serie de caracteristici care le diferențiază de alte transformatoare de putere. Acestea includ:
- valoarea mare a curentului nominal pe partea de joasă tensiune, care se ridică la zeci de mii de amperi;
- rezistența inductivă crescută a înfășurărilor, necesară pentru a limita curenții de scurtcircuit la de 2,5-3,5 ori curentul nominal, deoarece cuptoarele siderurgice funcționează cu frecvente scurtcircuite ale electrozilor pe sarcină în timpul aprinderii arcului și colapsul sarcinii în timpul topirii
- rezistență mecanică sporită a înfășurărilor și a fixării cablurilor, concepute pentru șocuri frecvente de curent și scurtcircuite;
- posibilitatea de a regla tensiunea sub sarcină în limite largi.
Transformatorul este format din trei înfășurări de înaltă tensiune realizate din sârmă de cupru cu secțiune relativ mică și trei înfășurări de joasă tensiune realizate din anvelope cu secțiune mare.
Înfășurarea primară are un număr de prize cu număr diferit de spire, ceea ce permite modificarea raportului dintre numărul de spire ale înfășurărilor primară și secundară și a mărimii tensiunii secundare, ca
Toate cele șase înfășurări sunt montate pe trei miezuri interconectate (miezuri magnetice). Miezul transformatorului cu înfășurările este coborât într-o carcasă bine închisă, umplută cu ulei de transformator. Uleiul este un bun izolator electric și are o conductivitate termică ridicată, ceea ce asigură disiparea căldurii de la bobine și de la miezul transformatorului. Transformatorul se încălzește din cauza pierderilor de putere datorate rezistenței active a bobinelor de cupru și remagnetizării miezului.
Deasupra transformatorului, este instalat un vas de expansiune conectat la transformator, care conține o rezervă de ulei. Acest lucru asigură umplerea constantă cu ulei a întregului volum al transformatorului și reduce suprafața de contact dintre ulei și aer. Dacă înfășurările sunt deteriorate sau goale, uleiul se descompune și sunt eliberate gaze. Apariția gazelor în transformator este semnalată de un comutator de gaze instalat în partea superioară a rezervorului transformatorului. Comutatorul de gaze emite un semnal de avertizare atunci când apare o cantitate mică de gaze — produse ale descompunerii uleiului.
Pentru a limita curenții de scurtcircuit, în transformator este încorporată o bobină de reactanță, care este conectată și deconectată de un contactor de derivație special. Transformatoarele moderne ale cuptoarelor sunt echipate cu dispozitive de comutare a tensiunii de sarcină, care permit modificarea tensiunii arcului fără oprirea cuptorului.
Transformatoarele de curent sunt instalate pentru a alimenta circuitele de protecție, monitorizare și măsurare, precum și circuitul de reglare a puterii arcului. Transformatoarele cuptorului sunt, de asemenea, echipate cu dispozitive de monitorizare a nivelului și temperaturii uleiului. Pentru a proteja înfășurările de lucru și dispozitivul de comutare de supratensiunile induse din partea înfășurărilor de înaltă tensiune, transformatorul este echipat cu descărcătoare de supapă.
Transformatoarele pentru cuptoare sunt proiectate pentru funcționare cu supraîncărcare periodică de 20 % timp de 2 ore și funcționare ulterioară la curentul nominal timp de 2,5 ore.
Datorită faptului că, într-un atelier siderurgic modern, cuptorul este situat în mijlocul atelierului, între cuptoarele de încărcare și de turnare, iar transformatorul este instalat la cel mult 1-1,5 m de cuptor, este dificil să se răcească în mod natural. În același timp, puterea de generare a căldurii în transformator ajunge la zeci și sute de kilowați, astfel încât trebuie să fie răcit forțat. Pentru răcire, uleiul este circulat forțat printr-un răcitor de ulei cu apă. Sistemul de răcire este format din două seturi de răcitoare de ulei și pompe care funcționează independent unul de celălalt.
Pentru a facilita asamblarea și dezasamblarea, transformatorul este echipat cu role interschimbabile, care îi permit să fie rulat în substație cu partea largă sau îngustă de-a lungul aceleiași lățimi standard a șinei de 1524 mm.
Dispozitivul de comutare în trepte a tensiunii este proiectat pentru schimbarea în trepte a puterii generate în arcuri. Reglarea puterii poate fi realizată fie prin comutarea schemei de conectare a înfășurărilor primare ale transformatorului (de la „stea” la „delta” și invers), fie prin conectarea și deconectarea unei părți din spirele înfășurării primare și modificarea raportului de transformare.
Prin comutarea înfășurării primare a transformatorului de la delta la stea, tensiunea secundară este redusă cu un factor v3. Dacă rezistența totală a circuitului nu se modifică, curentul este, de asemenea, redus cu un factor vz, rezultând o reducere de 3 ori a puterii arcului. Această comutare este posibilă numai atunci când sarcina este deconectată. În transformatoarele comutabile în sarcină, tensiunea secundară este reglată numai prin schimbarea numărului de înfășurări primare. Înfășurarea secundară nu poate fi comutată sub sarcină din cauza curenților foarte mari.
La comutarea în sarcină, pentru a trece de la un contact la altul, este necesar fie să se întrerupă circuitul la un moment dat, fie să se scurtcircuiteze o parte a înfășurării prin conectarea simultană a două contacte învecinate. Întreruperea circuitului sub sarcină este însoțită de formarea de arcuri care distrug contactele. Prin urmare, în practică se utilizează a doua metodă.
Întrerupătorul are două contacte mobile, care în poziția de funcționare sunt închise cu același contact de înfășurare. La comutare, contactele mobile se deplasează la contactul înfășurării vecine în serie și, pentru o anumită perioadă de timp, o parte a înfășurării este scurtcircuitată.
Pentru a limita curentul de scurtcircuit, înfășurarea este împărțită într-un număr mare de secțiuni, astfel încât diferența de potențial între secțiunile învecinate și curentul de scurtcircuit să fie mici. Din acest motiv, numărul de trepte de tensiune în transformatoarele cu comutare în sarcină este de zeci.
Un aparat pentru comutarea tensiunii fără sarcină este destul de simplu, dar trebuie să aibă, de asemenea, un actuator electric, care este un element destul de complex, astfel încât complexitatea generală a aparatului se apropie de cea a unui regulator de comutare a sarcinii.
Regulatorul este puțin mai scump, dar permite trecerea de la un mod la altul fără declanșarea comutatorului, ceea ce reduce uzura comutatorului, previne răcirea metalului și accelerează procesul de comutare.
Starter
La modurile instabile de funcționare a cuptoarelor de capacitate mică și medie este necesar să se includă o rezistență inductivă suplimentară — choke. În dispozitivele moderne, starterul este încorporat în transformator.
Valoarea rezistenței inductive relative a choke-urilor variază de la 5 la 30%. Pentru ca inductanța starterului să nu scadă odată cu creșterea curentului, starterul este realizat cu inducție scăzută într-un miez de oțel. Înfășurarea starterului este scufundată în ulei împreună cu miezul și înfășurarea transformatorului.
Comutator șunt cu bobină de reactanță
Prezența unei bobine de reactanță în circuit reduce coeficientul instalației, prin urmare, după prăbușirea sarcinii și apariția metalului lichid în baia cuptorului, bobina de reactanță este ocolită prin intermediul unui dispozitiv special cu un contactor încorporat în transformator. În instalațiile fără un astfel de dispozitiv, se instalează un comutator șunt.
Linie de înaltă tensiune
Separatoarele, întrerupătoarele de putere și cablurile de înaltă tensiune sunt utilizate pentru alimentarea cu curent de la tabloul de distribuție de înaltă tensiune la transformatorul cuptorului. În plus față de separatoarele instalate în circuitul de alimentare, sunt prevăzute și separatoare de împământare din motive de siguranță.
Întrerupător de putere.
În circuitul de alimentare al cuptorului electric sunt instalate de obicei două întrerupătoare de putere trifazate. Un întrerupător este amplasat în tabloul de distribuție de înaltă tensiune pe linia de ieșire care alimentează cuptorul. Acesta servește la oprirea cuptorului în caz de situații de urgență, și anume scurtcircuite. Atunci când curentul depășește valorile admise, în caz de supraîncălzire a transformatorului, degajare violentă de gaz în transformator (scurtcircuit al bobinei) și în alte astfel de cazuri. Al doilea întrerupător operațional, situat în imediata vecinătate a cuptorului, servește la oprirea acestuia de la distanță în cazul trecerii de la circuitul „stea” la circuitul „delta” sau invers, la sfârșitul topirii, îndepărtarea zgurii, lovirea materialelor cu utilajele de stivuire.
În timp ce este necesară o fiabilitate ridicată a întrerupătorului care oprește cuptorul în modurile de urgență, este necesară o rezistență ridicată la uzură a întrerupătorului operațional împreună cu fiabilitatea. În prezent, întrerupătoarele pneumatice sunt utilizate ca întrerupătoare operaționale de ulei pentru cuptoarele de capacitate mare care funcționează la tensiunea primară a transformatoarelor de 35 kV, iar pentru cuptoarele de capacitate mică și medie cu tensiunea primară a transformatoarelor de cuptor de 6 … 10 kV — întrerupătoare electromagnetice.
Întrerupător cu aer
Elementul principal al întrerupătorului este camera de amortizare (figura 2). Pentru a deconecta impulsul la bobina de declanșare, care deschide supapa, eliberând aer comprimat din rezervor prin orificiul 1 din cilindrul izolator 4, aerul apasă pe pistonul 6 și, învingând forța arcului 7, ridică contactul 4. La ruperea contactelor 4 și 2 se produce un arc electric, deplasat de fluxul de aer comprimat prin orificiile 3 din cavitățile interioare ale contactelor.
După ce valoarea forței curentului alternativ trece prin zero, arcul nu se mai aprinde.
Dezavantajul comutatoarelor de aer este necesitatea instalației de comprimare, uscare și purificare a aerului, compusă din două compresoare de înaltă presiune (de lucru și de rezervă), rezervor de aer comprimat, dispozitive pentru uscarea și purificarea aerului. Astfel, întrerupătorul de putere al cuptorului de tip VVP-35 cu o capacitate de 35 kW, stăpânit de uzina „Elektroapparat” din Leningrad, necesită 1500 de litri de aer la presiunea de 2,1 MN/m 2 (21 atm) pentru o întrerupere.
Întrerupător electromagnetic
Sistemul de contacte al întrerupătorului (figura 3) este format din 1 contact principal și 7 contacte de stingere a arcului electric. Atunci când întrerupătorul este declanșat, se deschid mai întâi contactele principale și apoi contactele de stingere a arcului electric situate în interiorul camerelor de stingere a arcului electric 8. Vârfurile contactelor de stingere a arcului electric sunt realizate din material rezistent la arc electric. Sistemul de stingere a arcului electric al fiecărui pol constă dintr-o cameră de stingere a arcului electric și un electromagnet 5 în formă de U, a cărui parte centrală este acoperită cu o bobină 2, care creează suflare magnetică.
Camera de stingere a arcului electric se sprijină pe urechile polare ale unui electromagnet în formă de U care o acoperă din trei părți și este o cutie din material izolant electric, în interiorul căreia este plasat un pachet de plăci ceramice de stingere a arcului electric 4 la o distanță mică una de cealaltă. În partea inferioară a plăcilor există niște decupaje care se îngustează treptat în sus. Pe părțile laterale ale pachetului sunt fixate coarne de cupru 3, 6. Cornul frontal 3 este conectat electric la o bobină de suflare magnetică, al cărei al doilea capăt este conectat la un contact fix al comutatorului. Cornul din spate 6 este conectat la contactul mobil. Pentru a reduce timpul de ardere a arcului electric (la intensități de curent reduse), fiecare pol al întrerupătorului este prevăzut cu o suflantă de aer 9, formată dintr-un cilindru conectat rigid la contactul mobil și un piston. În timpul declanșării, pistonul este împins în cilindru, deplasând aerul din acesta, care este introdus printr-un tub special în zona dintre contactele de stingere a arcului care se deschid.
Sub acțiunea forțelor electrodinamice ale circuitului și a fluxurilor de convecție termică, arcul electric rezultat în urma deschiderii contactelor de stingere a arcului este suflat în sus în camera de stingere a arcului și atinge cornul frontal (poziția B). În momentul stingerii secțiunii scurte a arcului electric dintre contactul fix și cornul frontal, este pornită o bobină de suflare magnetică în serie în circuit, prin care circulă curentul de forță maximă al circuitului care urmează să fie oprit. Între urechile polare ale electromagnetului 5 se creează un câmp magnetic intens. Interacționând cu curentul de arc, acest câmp magnetic face ca arcul principal să se deplaseze de-a lungul coarnelor de cupru ale camerei și să se ridice în fantele înguste dintre plăcile ceramice reci.
Ridicându-se în fantele plăcilor, arcul electric dă căldură plăcilor ceramice, se prelungește treptat și se stinge. Descărcarea rapidă a arcului electric de la contacte la coarne și mișcarea sa ulterioară de-a lungul coarnelor asigură o rezistență ridicată la uzură a părților de contact ale comutatorului.
Întrerupătoarele electromagnetice VEM-10K s-au dovedit a fi dispozitive fiabile și cu întreținere redusă.
Deconectoare pneumatice
Deconectoarele de aer sunt utilizate pentru deconectarea și legarea la pământ a instalației de furnal electric pe a cărei linie urmează să se efectueze reparații. Deconectoarele sunt oprite și instalația este pusă la pământ atunci când întrerupătorul de putere este oprit.
Deconectorul de legare la pământ a barelor rețelei de scurtcircuit permite excluderea posibilității de a induce în înfășurarea primară a transformatorului cuptorului curenți periculoși pentru izolarea înfășurărilor transformatorului și pentru persoanele care lucrează pe partea de înaltă tensiune.
Lamele deconectorului și contactele fixe sunt realizate din cupru. Deconectorul nu trebuie instalat în încăperi cu pericol de explozie și de incendiu sau în medii cu gaze corozive (vapori de acizi, alcali etc.). La pornire și oprire, lamele sunt blocate de un cârlig special, care le împiedică să se deschidă sau să se închidă spontan sub influența gravitației, a șocurilor și a forțelor electromagnetice.
