Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Современное состояние проблемы. цели и задачи исследований 19
1.1. Особенности электротехнологического процесса и методов расчета характеристик дуговых сталеплавильных печей 19
1.2. Анализ методов определения и нормирования показателей качества напряжения в СЭС с нагрузкой ДСП 29
1.3. Цели и задачи исследований 41
ГЛАВА 2. Статические характеристики электро технического комплекса "СЭС-ДСП" и методы их расчета 44
2.1. Статическая модель электротехнического комплекса "система электроснабжения - дуговая сталеплавильная печь" 44
2.2. Учет переменных характеристик напряжения и сопротивлений печного контура при построении схемы замещения дуговой сталеплавильной печи 47
2.3. Определение коэффициента потерь мощности в системе электроснабжения при питании дуговой сталеплавильной печи 56
2.4.. Методы расчета характеристик одиночных и группы параллельных дуговых сталеплавильных печей с учетом параметров системы элек троснабжения 83
2.5. Методы определения отклонений и колебаний напряжения на шинах питания дуговых сталеплавильных печей 103
2.6. Методы расчета рациональных характеристик дуговых сталеплавильных печей 111
2.7. Выводы 121
ГЛАВА 3. Вероятностная модель электротехнического комплекса "СЭС-ДСП" и методы расчета случайных электрических характеристик дсп и изменений на пряжения на шинах их питания 124
3.1. Вероятностная модель электротехнического комплекса "система электроснабжения — дуговая сталеплавильная печь" и анализ случайного характера тока дуги ДСП 124
3.2. Вероятностные характеристики нагрузки дуговых сталеплавильных печей и их функциональные преобразования 134
3.3. Вероятностные характеристики огибающей и отклонений напряжения на шинах питания ДСП 144
3.4. Вероятностные характеристики колебаний напряжения на шинах питания одиночной дуговой сталеплавильной печи 151
3.5. Вероятностные характеристик колебания напряжения на шинах питания группы параллельных дуговых сталеплавильных печей 157
3.6. Выводы 163
ГЛАВА 4. Разработка частотно - динамической модели электротехнического комплекса "СЭС-ДСП" и методов расчета высших гармоник тока и напряжения на шинах их питания 166
4.1. Частотно-динамическая модель электротехнического комплекса "система электроснабжения - дуговая сталеплавильная печь" 166
4.2. Расчет несинусоидальности тока и напряжения на шинах питания ДСП с учетом параметров системы электроснабжения 181
4.3 Выводы 190
ГЛАВА 5. Энергосберегающие электротехнологические режимы электротехнического комплекса "СЭС- ДСП" 192
5.1. Электротехнологическая модель электротехнического комплекса "СЭС - ДСП" и критерии оптимизации технологического режима дуговых сталеплавильных печей 192
5.2. Оптимизация электротехнологических режимов дуговых сталеплавильных печей электротехнического комплекса "СЭС-ДСП" 202
5.3. Энергосберегающие электротехнологические режимы ДСП с учетом рабочего тока дуги и уровней напряжения на шинах питания ДСП. 207
5.4. Влияния параметров системы электроснабжения на электротехнологические режимы дуговой сталеплавильной печи 211
5.5. Ограничения электротехнологических режимов ДСП показателями качества напряжения и допустимой нагрузкой печного трансформатора 216
5.6. Выводы 222
ГЛАВА 6. Определение электромагнитной совместимости электротехнического комплекса "СЭС-ДСП" 224
6.1. Разработка методов нормирование колебании и несинусоидальности напряжения на шинах питания общепромышленной и осветительной нагрузки СЭС 224
6.2. Метод определения характера изменения колебаний и несинусоидальности напряжения в системе электроснабжения электротехнического комплекса "СЭС - ДСП" 232
6.3. Условия обеспечения электромагнитной совместимости электротехнического комплекса "система электроснабжения - дуговая сталеплавильная печь" 261
6.4. Выводы 278
Заключение 281
Список литературы 284
- Анализ методов определения и нормирования показателей качества напряжения в СЭС с нагрузкой ДСП
- Определение коэффициента потерь мощности в системе электроснабжения при питании дуговой сталеплавильной печи
- Вероятностные характеристики нагрузки дуговых сталеплавильных печей и их функциональные преобразования
- Расчет несинусоидальности тока и напряжения на шинах питания ДСП с учетом параметров системы электроснабжения
Введение к работе
Металлургические предприятия потребляют около 30 % вырабатываемой электроэнергии и являются наиболее энергоемкой отраслью промышленности.
С переходом на рыночные отношения составляющая энергетических затрат в себестоимости металлургической продукции выросла с 0,8 % до 30 % [39,54]. Одновременно наблюдается опережающий рост стоимости энергоресурсов по сравнению с ростом цен на металлопродукцию, что смещает акцент с задачи достижения максимальной производительности на задачу более эффективного использования ресурсов и, в частности, электроэнергии.
В современном производстве широкое применение получили энергоемкие энергетические установки, наиболее мощными из которых являются дуговые сталеплавильные печи (ДСП). Причем доля мирового производства стали в ДСП непрерывно возрастает и в настоящее время превышает 30% общего производства стали [54]. Одновременно возрастают емкости электропечей и мощности печных трансформаторов. Введены в эксплуатацию сверхмощные ДСП-100 с печными трансформаторами мощностью 80 MB А.
Увеличение доли производства стали в ДСП определяется рядом причин, в том числе тем, что ДСП могут выплавлять любые марки стали, включая высококачественные, специальные, а процесс ведения плавки поддается высокой степени автоматизации.
С ростом мощностей ДСП и интенсификацией процесса плавки повышаются требования к качеству управления режимом работы ДСП с позиций энергосбережения, особенно в период расплавления металла, характеризующийся наибольшими электрическими мощностями и ухудшением показателей качества электроэнергии в питающей сети. Отклонения от энергосберегающих режимов ДСП в этот период приводят к существенным потерям электроэнергии, и могут вызвать нарушение условий электромагнитной совместимости (ЭМС) в системе электроснабжения (СЭС).
Улучшение технико-экономических показателей электротехнологического процесса производства металлопродукции и эффективное использование электроэнергии при одновременном обеспечении ЭМС электротехнического комплекса "система электроснабжения - дуговая сталеплавильная печь" в настоящее время является актуальной задачей.
Для ее решения требуется совершенствование методов расчета, проведение всесторонних исследований, причем проведенный анализ показывает, что ряд вопросов до настоящего времени остается открытым, а их решение позволит реализовать существующие потенциальные возможности дополнительного повышения экономичности работы электротехнического комплекса "СЭС-ДСП".
Работа выполнялась в соответствии с госбюджетными программами МинВУЗа РФ в 1990-1995 гг. по теме: "Разработка энергосберегающего метода автоматизированной системы оптимального управления режимом работы дуговых электропечей с учетом обеспечения электромагнитной совместимости'', №303537, гос.регистрация № 01.9.10031751, ТолПИ, 1995 г.; МОиПО РФ в 1997-2000 гг. по теме: "Развитие теории энергосбережения электротехнологических процессов", №03540, гос.регистрация № 01.9.70008894, ТолПИ, 2000 г.
Целью работы является решение комплекса научных и технических проблем обеспечения электромагнитной совместимости ДСП с СЭС и поддержания энергосберегающих электротехнологических режимов ДСП на основе разработки теоретической модели повышения эффективности функционирования электротехнического комплекса "система электроснабжения- дуговая сталеплавильная печь" ("СЭС-ДСП") на базе методов расчета электрических и рабочих характеристик ДСП, показателей качества напряжения (ПКЭ) с учетом параметров системы электроснабжения (СЭС).
В соответствии с этой_целью поставлены и решаются следующие научные и практические задачи:
1. Разработка концепции обеспечения электромагнитной совместимости элек-
* тротехнического комплекса "СЭС-ДСП" путем построения математической модели
комплекса по характеристикам нагрузки ДСП и параметрам СЭС, ограниченных показателями качества напряжения на шинах питания ДСП и в СЭС.
Разработка критериев оптимизации и методов расчета характеристик нагрузки ДСП с учетом влияния параметров СЭС для обеспечения энергосберегающих электротехнологических режимов ДСП электротехнического комплекса "СЭС-ДСП".
Разработка методов расчета характеристик нагрузки одиночной и группы ДСП с учетом параметров СЭС и нелинейных характеристик печного контура, а также разработка методов расчета показателей качества напряжения на шинах питания ДСП на основе статической модели электротехнического комплекса "СЭС-ДСП".
Разработка методов расчета вероятностных характеристик нагрузки ДСП и показателей качества напряжения на шинах питания ДСП с учетом их функциональных преобразований на основе вероятностной модели электротехнического комплекса "СЭС-ДСП".
Разработка методов расчета частотных характеристик системы автоматического регулирования, нелинейных параметров печного контура ДСП и методов расчета уровней высших гармоник тока и напряжения, создаваемых нелинейной нагрузкой ДСП на шинах питания ДСП и в СЭС, на основе частотно-динамической модели электротехнического комплекса "СЭС-ДСП".
Разработка условий электромагнитной совместимости электротехнического комплекса "СЭС-ДСП" по допустимым характеристикам нагрузки ДСП, параметров СЭС, по допустимым значениям показателей качества напряжения на шинах питания ДСП, а также с учётом влияния силового оборудования СЭС по нормируемым значениям показателей качества напряжения в СЭС.
Разработка алгоритмов, пакета прикладных программ для ЭВМ, а также практических рекомендаций для расчета электрических характеристик ДСП,
показателей качества напряжения на шинах питания ДСП и в СЭС, а также электротехнологических режимов, включая энергосберегающие, электротехнического комплекса "СЭС-ДСП".
Основные методы научных исследований.
При решении поставленных в диссертации задач использовались методы математического моделирования СЭС, ДСП, их характеристик и режимов работы, базирующихся на основных законах электротехники, теории вероятности и случайных процессов, методов интерполяции, методов регрессионного и корреляционного анализа, теории автоматического регулирования. Исследования проводились аналитическими методами с использованием математического моделирования на ЭВМ.
Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и практических рекомендаций диссертации подтверждены результатами экспериментальных данных, полученных на действующих ДСП в СЭС промышленных предприятий.
Научная новизна работы.
Разработана концепция и выполнено математическое обоснование условий обеспечения ЭМС электротехнического комплекса "СЭС-ДСП" в диапазоне возможных изменений параметров СЭС на шинах питания ДСП, представленных уровнями исходного напряжения и мощности короткого замыкания, на основе сопряженных электрических и рабочих характеристик нагрузки ДСП и допустимых значений показателей качества напряжения: колебаний и коэффициента несинусоидальности напряжения на шинах питания ДСП, ограниченных нормируемыми значениями показателей качества напряжения в СЭС, а также допустимой перегрузкой печного трансформатора ДСП.
Разработаны критерии оптимизации и методика расчета характеристик нагрузки ДСП с учетом влияния параметров СЭС для обеспечения энергосберегающих электротехнологических режимов ДСП электротехнического комплекса "СЭС-ДСП".
Предложены значения для коэффициентов потерь мощности в СЭС, а также аналитические выражения для его определения, позволяющие обеспечить учет параметров СЭС при расчете характеристик нагрузки ДСП и показателей качества напряжения, а также существенно повысить точность расчета по сравнению с другими методами.
Разработаны методы расчета характеристик нагрузки одиночной и группы ДСП с учетом нелинейных характеристик печного контура ДСП, а также взаимного влияния параметров СЭС и параметров нагрузки ДСП, что позволило разработать теоретические методы расчета показателей качества напряжения: отклонений и колебаний напряжения на шинах питания ДСП, а также статическую модель электротехнического комплекса "СЭС-ДСП".
Концепция определения рациональных рабочих характеристик ДСП (максимума производительности и минимума удельного расхода электроэнергии) и анализ характера влияния на изменение их экстремальных значений параметров СЭС.
Методология определения вероятностных характеристик параметров нагрузки ДСП, показателей качества напряжения на шинах питания ДСП, включая их функциональные преобразования, на основе вероятностной модели электротехнического комплекса "СЭС-ДСП".
Математические методы расчета частотных характеристик системы автоматического регулирования ДСП и частотных характеристик дуги ДСП, определяемых с учетом параметров печного контура ДСП и параметров СЭС, представленных, соответственно, низкочастотным звеном и высокочастотным звеном ДСП в СЭС, также определение аналитических связей между характеристиками дуги ДСП и значениями высших гармоник тока и напряжения, генерируемых ДСП в СЭС.
Разработка метода расчета коэффициентов передачи и ослабления силовыми элементами СЭС значений показателей качества напряжения, что позволяет ограничивать допустимые значения показателей качества напряжения на
шинах питания ДСП нормируемыми значениями показателей качества напряжения на шинах чувствительных к ним электроприемников Практическая полезность работы.
1. Получены аналитические выражения для инженерных расчетов с целью опреде
ления условий ЭМС на собственных шинах питания ДСП в виде допустимых значе
ний потребляемой ДСП реактивной мощности, допустимой мощности короткого за
мыкания и уровней исходного напряжения на шинах ДСП, перегрузки печного транс
форматора, а с позиции выполнения требований ЭМС в СЭС в виде допустимых зна
чений показателей качества напряжения, что позволяет сократить число контрольных
точек оценки ЭМС в СЭС и совмещать функций контроля и управления режимами
ДСП и качеством напряжения в СЭС.
Предложена инженерная методика расчета электротехнологических режимов, включая и энергосберегающие, ДСП и разработаны практические рекомендации для расчета и поддержания энергосберегающих режимов ДСП.
Предложены инженерные методы расчета и аналитические выражения для определения электрических и рабочих характеристик одной или группы ДСП, показателей качества напряжения: отклонений и колебаний напряжения, с учетом параметров СЭС, применимые для всех типов действующих и проектируемых ДСП.
Для проектирования даны удобные в инженерном расчете выражения для определения рациональных рабочих характеристик действующих ДСП, позволяющие также усовершенствовать устройства определения и задания режимов ДСП за счет повышения точности выбора уставки тока дуги ДСП.
Даны удобные для инженерного использования выражения, позволяющие по известным или заданным параметрам СЭС и печного контура ДСП с высокой точностью определять уровни высших гармоник тока и напряжения, создаваемых нелинейной нагрузкой ДСП в любой точке СЭС.
Для практической реализации указанных методов разработаны алгоритмы, программы для ЭВМ; получены графические зависимости между рабочим
током, характеристиками ДСП и показателями качества напряжения и др.; составлены таблицы показателей электротехнологических режимов ДСП, включая и энергосберегающие, для конкретного электротехнического комплекса "СЭС-ДСП-40", таблицы коэффициентов ослабления показателей качества напряжения: колебаний и несинусоидальности напряжения, силовыми элементами СЭС: линиями электропередачи, трансформаторами ГПП, сдвоенными реакторами и т.д.
Реализация в промышленности, проектной практике, учебном процессе и внедрение результатов.
По теме диссертационной работы выполнено более 15 научно-исследовательских работ, из них 2 работы по госбюджетным программам МинВУЗа РФ по теме: "Разработка энергосберегающего метода автоматизированной системы оптимального управления режимом работы дуговых электропечей с учетом обеспечения электромагнитной совместимости", 1990-1995 г.; МОиПО РФ теме: "Развитие теории энергосбережения электротехнологических процессов", 1997-2000 г.; под научным руководством и при участии автора.
За счет использования разработанных новых методов расчета рациональных характеристик и электротехнологических режимов ДСП с учетом параметров питающей сети были выданы рекомендации по ведению оптимальных режимов плавки для Металлургического производства (МтП) АО "АВТОВАЗ", что позволило снизить удельный расход электроэнергии ДСП-40 с 690 до 528 кВт*ч/т, т.е. на 23%. Алгоритмы и пакеты программ для расчета электрических характеристик ДСП, энергосберегающих электротехнологических режимов ДСП^ отклонений, колебаний и несинусоидальности напряжения, были переданы в Энергетическое и Металлургическое производства, Электротехнический отдел Проектного Управления ОАО "АВТОВАЗ".
Положения диссертационной работы и её материалы, нашедшие отражение в учебном пособии "Электромагнитная совместимость дуговых сталеплавильных печей в системах электроснабжения" (с грифом УМО), используются в
учебном процессе Самарского государственного технического университета, Тольяттинского государственного университета в дисциплинах: "Электромагнитная совместимость в системах электроснабжения", "Энергосбережение", "Электротехнологические установки".
Основные положения, выносимые на защиту.
Математическая модель и методы определения условий обеспечения электромагнитной совместимости электротехнического комплекса "СЭС-ДСП" по допустимым характеристикам нагрузки ДСП, параметров СЭС, по допустимым значениям показателей качества напряжения на шинах питания ДСП, а также с учётом влияния силового оборудования СЭС по нормируемым значениям показателей качества напряжения в СЭС.
Математическая модель, критерии оптимизации и методы расчета электротехнологических режимов электротехнического комплекса "СЭС-ДСП" на основе положений энергосбережения с учетом влияния параметров СЭС.
Теория, модели электротехнического комплекса "СЭС-ДСП" и математические методы расчета статических и вероятностных характеристик одиночной и группы ДСП с учетом взаимного влияния параметров СЭС и параметров нагрузки ДСП.
Методы расчета показателей качества напряжения в СЭС: отклонений и колебаний напряжения, а также их вероятностных характеристик на шинах питания одиночной и группы ДСП с учетом параметров СЭС.
Методы расчета низкочастотных колебаний и высших гармоник тока и напряжения в СЭС на основе частотно-динамической модели комплекса "СЭС-ДСП" и методы расчета частотных характеристик дуги и печного контура ДСП с учетом параметров СЭС.
Пакет прикладных программ на ЭВМ и практические рекомендации для расчета электрических и рабочих характеристик ДСП; электротехнологических, включая и энергосберегающие, режимов ДСП; показателей качества напряже-
ния; расчета комплексной модели обеспечения ЭМС на шинах питания ДСП и в СЭС электротехнического комплекса "СЭС-ДСП"^
Апробация работы:
Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на Всесоюзном научно-техническом семинаре "Эффективность и качество электроснабжения промышленных предприятий" (г.Жданов, 1983 г.), на Всесоюзном совещании "Повышение качества энергоснабжения и эффективности промышленной энергетики" (г.Ташкент, 1983 г.), на Всесоюзном научно-техническом симпозиуме "Электроснабжение и электрооборудование дуговых электропечей" (г.Тбилиси, 1988 г.), на областном научно-техническом семинаре "Проблемы энергоснабжения и пути их реализации" (г.Тольятти, 1989 г.), на научно-технической конференции "Повышение эффективности электроснабжения на промышленных предприятиях" (г.Москва, 1990 г.), на Всесоюзной научно-технической конференции "Повышение эффективности и качества электроснабжения" (г.Мариуполь, 1990 г.), на Всесоюзной научно-технической конференции "Разработка методов и средств экономии электроэнергии в электрических системах и системах электроснабжения промышленности и транспорта" (г.Днепропетровск, 1990 г.), на VI научно-технической конференции "Технико-экономические проблемы оптимизации режимов электропотребления промышленных предприятий" (г.Челябинск, 1991 г.), на XII сессии Всесоюзного научного семинара АН СССР "Кибернетика электрических систем" по тематике "Электроснабжение промышленных предприятий" (г.Гомель, 1991 г.), на научно-технической и методической конференции "Энергосбережение, электропотребление, электрооборудование" (г.Новомосковск, 1994 г.), на XVII сессии Всероссийского научного семинара АН России "Кибернетика электрических систем" по тематике "Электроснабжение промышленных предприятий " (г.Новочеркасск, 1996 г.), на Юбилейной научно-технической конференции Тольяттинского политехнического института (г.Тольятти, 1997 г.), на IV Международном симпозиуме "Электротехника, 2010 год" (г.Москва, 1997г.), на
Всероссийской научно-технической конференции "Технический вуз - наука, образование и производство в регионе" (г.Тольятти, 2001 г.), на III Международной научно-практической конференции "Проблемы энерго- и ресурсосбережения в промышленном и жилищно-коммунальном комплексах" (г.Пенза, 2002 г.) на научно-практических конференциях по итогам научно-исследовательских работ Тольяттинского политехнического института (г.Тольятти, 1996-2001 г.г.).
Публикации:
По теме диссертации опубликовано 47 работ (4 работы без соавторов) в научно-технических журналах "Электричество", "Промышленная энергетика", Известия ВУЗов "Энергетика", Известия ВУЗов "Электромеханика" и др., а также в сборниках научных трудов, материалах конференций и семинаров; получено 1 авторское свидетельство на изобретение (в соавторстве); опубликовано 1 учебное пособие "Электромагнитная совместимость дуговых сталеплавильных печей в системах электроснабжения", утвержденное УМО по образованию в области энергетики и электротехники (в соавторстве). Структура и объем диссертации:
Диссертация содержит 400 стр. и состоит из: введения, шести глав, заключения, изложенных на 283 стр. основного текста; списка литературы из 210 наименований на 23 стр.; 15 приложений на 94 стр.; 74 иллюстраций, 18 таблиц.
В первой главе приведен анализ современного состояния общей теории и применяемых на практике методов определения характеристик нагрузки и технологических режимов ДСП, характера воздействия нагрузки ДСП на СЭС. В соответствии с целью диссертационной работы формулируются научные и практические задачи, решение которых позволяет реализовать основную идею работы - разработку методов расчета и условий обеспечения ЭМС электротехнического комплекса "СЭС - ДСП".
Во второй главе приведена статическая модель электротехнического комплекса "СЭС - ДСП", изложены теоретические методы расчета электрических и рабочих характеристик одиночной и группы параллельных ДСП с уче-
том параметров СЭС, а также методы расчета отклонений и колебаний напряжения на шинах питания ДСП, представляющие собой показатели качества электроэнергии и являющиеся составными частями ЭМС ДСП с СЭС.
В третьей главе показана вероятностная модель электротехнического комплекса "СЭС - ДСП" выполнены функциональные преобразования и проведен анализ вероятностных электрических характеристик ДСП, огибающей, отклонений и колебаний напряжения на шинах питания ДСП.
В четвертой главе разработана частотно-динамическая модель электротехнического комплекса "СЭС - ДСП", где каждый элемент модели рассматривается в виде передаточной функции, что позволяет рассматривать частотные характеристики ДСП и СЭС как низкочастотного (0,1...10 Гц), так и высокочастотного (100... 1000 Гц) диапазонов, т. к. ток ДСП является резкоперемен-ным и нелинейным по характеру.
В пятой главе разработана модель электротехнологического энергосберегающего комплекса "СЭС - ДСП". Оптимизационную задачу электротехнологического режима ДСП целесообразно решать посредством нахождения минимума приведенных удельных затрат на производство. Важнейшей составляющей удельных затрат на реализацию технологического процесса являются общий расход или удельные затраты на электрическую энергию WPAB. Именно эта составляющая может быть минимизирована за счет оптимизации электротехнологических режимов работы электротехнического комплекса "СЭС — ДСП" включая значение рабочего тока ДСП, ступень печного трансформатора, параметры СЭС. При этом, соблюдение требований технологического процесса, в частности, его производительность, учитывается в качестве ограничения. В тоже время, с учетом особенностей конкретного производства, может ставиться и задача достижения максимальной производительности GPAB. В этом случае в качестве ограничения выступает расход электроэнергии. При решении, как первой, так и второй задачи существенные дополнительные ограничения на
область допустимьк решений накладывают условия электромагнитной совместимости ДСП с СЭС.
В шестой главе рассмотрены условия обеспечения ЭМС электротехнического комплекса "СЭС - ДСП" как в СЭС, так и на собственных шинах питания ДСП.
В заключение изложены основные выводы и результаты работы.
В приложении приведены графики и таблицы; программы для расчета электротехнологических режимов; акты о внедрении результатов диссертационной работы.
Анализ методов определения и нормирования показателей качества напряжения в СЭС с нагрузкой ДСП
Задача изучения влияния ДСП на питающую СЭС должна опираться на изучение технологических особенностей ДСП и выявления помех, возникающих в СЭС, оценку их влияния и поиск средств их уменьшения.
К основным видам помех, вызываемых работой ДСП, можно отнести: колебания тока в широких пределах от нуля до тока эксплуатационного КЗ (ЭКЗ), резкопеременные изменения активной и реактивной мощностей и др. Как известно, ток дуги зависит от целого ряда случайных факторов [2,15,77,150,177,181,186,204]: колебания температуры, химического состава шихты и металла, движение металла и шлака, ионизации дугового промежутка, состояния футеровки, электромагнитных сил упругих колебаний электродов и других. Период расплавления сопровождается значительными колебаниями реактивной и активной мощностей ДСП в диапазоне 0,1... 15 Гц [25].
Широкий диапазон изменения токов в трёх фазах ДСП, а также несовершенство конструкций короткой сети вызывают несимметрию токов и напряжений. Возмущения тока ДСП вызывают случайные отклонения и колебания напряжения в СЭС, особенно, в период расплавления [170]. Нелинейная вольт-амперная характеристика дуги и стохастические перемещения дуги в рабочем пространстве печи вызывают искажения формы кривой тока, а, следовательно, и несинусоидальность напряжения в СЭС [62].
Таким образом, являясь крупными потребителями электрической энергии ДСП оказывают существенное влияние на качество электрической энергии, создают в питающей системе электроснабжения практически все виды кондук-тивных электромагнитных помех, вызывая искажения напряжения в виде несимметрии, несинусоидальности, отклонений и колебаний напряжения [4,29,30,39,44].
Поскольку ДСП, как правило, питаются от отдельных сборных шин, то при анализе следует выделять те искажения напряжения в питающей СЭС, которые будут отражаться на режимах работы электроприемников, чувствительных к электромагнитным помехам, создаваемых нагрузкой ДСП.
Исследования показывают, что отклонения напряжения, определяются мощностью нагрузки ДСП. Отклонения напряжения, составляющие на шинах питания ДСП -5...-10%, влияют на изменение производительности ДСП и практически не оказывают влияние на другие электроприемники в СЭС, если ДСП подключены к отдельным сборным шинам СЭС.
Несимметрия напряжения, определяется различием токов дуг трех фаз и особенностями короткой сети [47,174,175,176]. При несимметрии напряжения в трехфазных сетях уменьшается пропускная способность электрической сети, появляются дополнительные потери мощности в элементах СЭС, повышается нагрев электрических машин, снижается надежность и экономичность производства, передачи и потребления электроэнергии. Однако, в настоящее время усилиями отечественных и зарубежных ученых [15,29,30,31,153,168,193,202] разработаны методы и способы уменьшения несимметрии. В частности, несимметрия токов и напряжения может быть уменьшена за счет совершенствования конструкции короткой сети ДСП или посредством неодинакового регулирования напряжения в трех фазах печного трансформатора [77,150,170,175,183,191]. Исследования показывают, что коэффициент несимметрии на шинах питания ДСП составляет 3...5 % и за счет удаленности нагрузки ДСП от шин чувствительных к ним электроприемников не оказывает в СЭС существенного воздействия.
Таким образом, практически только электромагнитные помехи, в виде несинусоидальности и колебаний напряжения, вызываемые нагрузкой ДСП, могут создавать искажения напряжения в питающей СЭС.
В настоящее время установлено, что широко распространенным видом искажений в электрических сетях являются высшие гармоники. Через несколько лет уровни гармоник превзойдут нормы, если не будут приняты меры по их снижению [6,34,37].
Основными источником искажения кривой тока и напряжения является выпрямительно-инверторная нагрузка преобразователей [7].
В последнее время приходиться считаться и с высшими гармониками, генерируемыми ДСП переменного тока, так как растет производство стали в дуговых электропечах и мощность самих ДСП [6]..
Для определения количественного состава и уровня высших гармоник проводятся экспериментальные исследования кривых тока и напряжения ДСП. Анализ экспериментальных данных проводится с помощью графоаналитических методов [6,15,18,27,28,29,30,77,163,183,199]. В настоящее время большое распространение получили анализаторы гармоник, приборы для контроля несинусоидальности формы кривой напряжения, измерители несинусоидальности напряжения, а также анализаторы гармоник [33,36,63,64,198,209].
Однако в настоящее время не существует достоверных расчетных методов, позволяющих определить высшие гармоники в кривой тока и напряжения от ДСП [15, 32].
Дальнейшее развитие сталелитейного производства, связанного с переходом выплавки стали от мартенов в дуговых электропечах [54,190], увеличение мощности ДСП ставит вопрос о необходимости дальнейшего развития методов расчета и снижения уровня высших гармоник в промышленных сетях.
К применению специального электрооборудования (СТК, ФКУ) [9,28,49,65,74,76,127,129,103,138,141,160], требуемого дополнительных затрат, следует прибегать лишь после того, как будут исчерпаны схемные решения и мероприятия [25,28,29,33,48,155,156,158,194,198].
В настоящее время существует еще довольно широкий круг нерешенных вопросов, относящихся к методам расчета, исследования и ограничения колебаний напряжения в СЭС с ДСП. Такое положение вызвано рядом причин. В первую очередь, это связано с ограниченными возможностями использования серийных приборов [36,44,172], как было указано, для исследования резкопе-ременных характеристик ДСП и показателей качества электроэнергии на шинах их питания. Кроме этого, отсутствие единого методического подхода к исследованию, оценке и допустимости колебаний напряжения в характерных точках СЭС, а также отсутствие технико-экономических критериев оценки воздействия колебаний напряжения на все виды чувствительных к ним электроприемников сдерживает решение проблемы разработки объективных критериев ограничения колебаний напряжения в СЭС [50,73,113,115,146].
Имеющиеся данные о существенном воздействии колебаний напряжения не только на лампы накаливания [2], но и на другие электроприемники, включая системы автоматического управления, автоматизированные линии [39,183], ставит вопрос о необходимости дальнейшего развития методов нормирования и ограничения колебаний напряжения в СЭС с целью обеспечения ЭМС электротехнического комплекса "СЭС - ДСП".
Известно, что абсолютные значения норм на показатели качества электроэнергии (ПКЭ) функционально связаны с затратами на поддержание показателей в допустимых пределах, поэтому ошибки в выборе величины ПКЭ могут привести к неоправданным затратам [28,29,32,44,71,113,148].
Определение коэффициента потерь мощности в системе электроснабжения при питании дуговой сталеплавильной печи
Требования, предъявляемые к схемам электроснабжения ДСП, многообразны и зависят от требований надежности питания, мощности и удаленности ДСП от источников питания, наличия зон с загрязненной и агрессивной средой, влияния ДСП на качество электрической энергии и т.д.
Как потребители электрической энергии ДСП относятся ко второй категории по надежности электроснабжения, характеризуются широким диапазоном мощностей печных трансформаторов от 0,4 до 80 МВА, имеют циклический режим нагрузки. Режим работы ДСП, особенно, на этапе расплавления, сопровождается появлением в сети отклонений и колебаний напряжения, несинусоидальности и несимметрии напряжения, т.е. составляющих электромагнитной совместимости ДСП с СЭС.
Указанные особенности режимов работы ДСП требуют использования соответствующих схем электроснабжения. Одной из особенностей схем электроснабжения ДСП является предпочтительное подключение их к точкам с наиболее возможной высокой мощностью короткого замыкания системы. Другой особенностью схем электроснабжения ДСП является предпочтительно раздельное питание резкопеременной нагрузки ДСП и других общепромышленных потребителей со спокойным режимом работы.
Наиболее распространенным вариантом электроснабжения ДСП на современных предприятиях является питание их через общезаводские главные понизительные подстанции (11111). При этом раздельное питание ДСП от других потребителей обеспечивается применением двойной системы сборных шин [15,77].
На металлургических предприятиях в основном используются дуговые электропечи большой емкости (ДСП-100...ДСП-200) с печными трансформаторами 63...80 МВА. Для их электроснабжения, как показано в Приложении П.З. на рис. П.3.1, как правило, применяются подстанции глубокого ввода (ПГВ) с двухобмоточными трансформаторами 11111 [15]. Электроснабжение таких ДСП выполняется по блочной схеме: линия энергосистемы 110...220 кВ - силовой двухобмоточный трансформатор 11111 - кабель связи 11111 с ДСП - ДСП. Следует отметить, что внешнее электроснабжение дуговых электропечей 110...220 кВ осуществляется исключительно воздушными линиями. Кабельные линии применяются крайне редко. На 11111 при напряжении питающей энергосистемы 220 кВ, в основном, устанавливаются силовые трансформаторы с номинальной мощностью 100...160 МВА, при напряжении 110 кВ - устанавливаются силовые трансформаторы с номинальной мощностью 40...80 МВА.
Дуговые сталеплавильные печи, являясь мощной нагрузкой, оказывают существенное влияние на изменение параметров питающей СЭС, в первую очередь, в виде потерь мощности и, следовательно, потерь напряжения во всех элементах питающей сети. Одновременно указанные изменения в СЭС приводят к изменению электрических и рабочих характеристик самих дуговых электропечей и электрических параметров СЭС на шинах их питания. Следовательно, целесообразным является комплексное решение проблемы определения электрических и рабочих характеристик ДСП с учетом изменяющихся параметров СЭС.
Как известно, СЭС до шин подключения дуговой электропечи включает в себя, как правило, высоковольтные линии напряжением 110...220 кВ, силовые трансформаторы 11111, кабели связи 11111 с ДСП. Как было отмечено выше, питание мощных ДСП наиболее целесообразно осуществлять через отдельные двухобмоточные трансформаторы ГПП по схеме "глубокого ввода",, что обеспечивает независимое питание дуговых электропечей и других потребителей. Блочная схема питания ДСП от двухобмоточного трансформатора (а) и схема замещения (б) приведены на рис. 2.5.
где: ЛІІл , AU/, Ли к - продольные составляющие падения напряжения в питающей высоковольтной линии, силовом трансформаторе, кабеле связи ГПП с ДСП; ЛиЛ" ЛІІт", ЛІІк"- поперечные составляющие падения напряжения в высоковольтной линии, силовом трансформаторе, кабеле. суммарная переменная составляющая коэффициента потерь мощности от протекания нагрузки ДСП во всех элементах питающей СЭС, выраженная в относительных единицах к величине реактивной мощности ДСП.
Для исследования характера влияния параметров СЭС на изменение переменных составляющих коэффициента потерь мощности Abi итерационным методом были проведены расчеты при установке на 11111 с напряжениями 110/35 кВ ряда силовых двухобмоточных трансформаторов с номинальными мощностями 40, 63 и 80 MB А и при установке на 11111 с напряжениями 220/35 кВ ряда силовых двухобмоточных трансформаторов с номинальными мощностями 100 и 160 MB А, а также в диапазоне изменения длины питающих высоковольтных линий 1...20 км для напряжений 110...220 кВ с учетом и без учета зарядной мощности линии. В частности, результаты расчетов указанных параметров Abi ДДЯ ДСП-40 с печным трансформатором 32 MB А и ДСП-100 с печным трансформатором 63 МВА, выраженные в процентном соотношении к переменной части коэффициента потерь Afy, представлены в виде графических зависимостей от полного тока нагрузки печи на рис. 2.6 и 2.7.
Вероятностные характеристики нагрузки дуговых сталеплавильных печей и их функциональные преобразования
Ранее, были получены связи между значениями электрических характеристик при фиксированных (статических) значениях тока дуги ДСП во всем диапазоне его изменения.
Указанные функциональные связи могут быть использованы для построения вероятностных характеристик параметров нагрузки ДСП при случайных изменениях тока дуги ДСП.
Наибольший интерес с позиций анализа нагрузки ДСП представляет вероятностный анализ изменений активной, реактивной и полной мощностей, определяемых током ДСП, а также, вызываемых работой ДСП изменений напряжения (отклонений и колебаний) на шинах питания печной установки.
В соответствии с изложенным в разделе 3.1, распределение тока дуги ДСП можно считать нормальным (3.4). Математическое ожидание (МО) распределения тока дуги ДСП при наличии автоматических регуляторов, которыми оснащены практически все ДСП, определяется его уставкой или заданным значением, желательно рациональным, выбираемым с учетом условий питающей сети и ступени трансформации печного трансформатора в рассматриваемом режиме
Разброс значений рабочего тока вокруг МО, характеризующийся среднеквадратичным отклонением (СКО) т, в значительной степени определяется случайными факторами (шумом) и диапазоном регулирования регулятора, его быстродействием и постоянной времени. Чем лучше характеристики применяемого регулятора, тем уже диапазон регулирования, тем большее время режим ДСП соответствует заданному (рациональному).
На рис. 3.5 в качестве иллюстрации правомерности и достаточной точности графического функционального преобразования одной случайной величины в другую, при наличии между ними определенной функциональной связи, приведено преобразование фрагмента огибающей тока (рис. 3.5 б) через связь U =f(I), как показано на рис. 3.5 а, в огибающую напряжения. Сопоставление изменений огибающей напряжения, построенных графическим преобразованием (рис. 3.5 в) с процессом, полученным экспериментально (рис. 3.5 г), показали высокую точность полученного преобразования.
Примем закон распределения тока дуги ДСП нормальным с МО равным уставке регулятора и значением, соответствующим рациональному. Пусть, в соответствии с [15] размах изменения тока с вероятностью 0,95 не превысит значения уставки тока Л/ = 12у = 1р. Для указанного случая на рис. 3.6 приведены графические функциональные преобразования плотности распределения огибающей тока дуги к плотностям распределения активной, реактивной, полной мощностей, а также огибающей напряжения.
На рис. 3.7 и 3.8 приведены графические функциональные преобразования плотности распределения тока ДСП к плотностям распределения активной, реактивной и полной мощностей ДСП, огибающей напряжения при, соответственно, уставке тока регулятора мощности ДСП меньше рационального Іу Ір, (рис. 3.7) и уставке тока регулятора больше рационального 1у 1р (рис. 3.8).
Вид зависимостей P = f(I2); Q = f(I2); S = f(I2); идсп=/(12) приводит к нелинейным преобразованиям плотности распределения тока дуги ДСП w(I2) в плотности распределения w(P), w(Q), w(S), w(UAcn) что, дополнительно, выражается в появлении несимметрии в получаемых плотностях распределений.
Совместное изучение трех графиков, приведенных на рис. 3.6...3.8, показывает, что плотности распределения полной и реактивной мощностей, огибающей напряжения, хотя и изменяют свою форму в зависимости от величины тока уставки, но все же приближаются к нормальной, особенно при Iy = 1р. Особый интерес вызывает получаемый вид плотности распределения активной мощности w(P). Закон распределения активной мощности имеет более сложную связь с величиной тока уставки и изменяется от нормального до усеченного нормального. При 1У — 1р размаху тока А1 = 1р будет соответствовать как
большие, так и меньшие значения активной мощности относительно ее максимального значения, что приводит к свертке нормальной плотности распределения тока w(l2) к усеченной плотности распределения активной мощности w(P). Одновременно происходит удвоение частоты изменения активной мощности ДСП. На рис. 3.9, в качестве примера, показано преобразование синусоидального изменения тока / -f(t) во времени с периодом 7} = 0,02 сек. через функцию Р =f(I) к изменению активной мощности во времени. Полученная в результате графического построения кривая Р = f(I) характеризуется периодом 7/ = 0,01 сек., т.е. на период тока 0,02 сек. укладывается два периода активной мощности.
Расчет несинусоидальности тока и напряжения на шинах питания ДСП с учетом параметров системы электроснабжения
В настоящее время при расчете режимов работы дуговых электропечей учитываются только их статические характеристики [127] без учета переменного характера как параметров питающей СЭС, так и частотных характеристик самих ДСП. Поэтому возникает проблема разработки частотно-динамической модели электротехнического комплекса " система электроснабжения - дуговая сталеплавильная печь", где каждый элемент модели рассматривается в виде своей передаточной функции [110,111], что позволяет рассмотреть амплитудно-частотные характеристики ДСП как низкочастотного (0,1...10 Гц), так и высокочастотного (100... 1000 Гц) диапазонов, т. к. ток ДСП является резкопере-менным и нелинейным по характеру.
Частотно-динамическая модель электротехнического комплекса "система электроснабжения - дуговая сталеплавильная печь" показана на рис. 4.1.
Автоматический регулятор мощности (АРМ) ДСП обеспечивает поддержание с максимально возможной точностью заданного значения тока и вводимой в печь активной мощности, которая выделяется в электрических дугах и регулируется путем изменения длины дугового промежутка, что на частотно-динамической модели (рис. 4.1) отражено функционалом: а также за счет переключения ступеней напряжения печного трансформатора, т.е. регулируемой величиной в ДСП является ток дуги и активная мощность дуг ДСП.
Характер изменения тока дуги ДСП, поддерживаемый АРМ, представленный на частотно-динамической модели как Y =/(Ядсп) предопределяет характер изменения огибающей напряжения на шинах питания ДСП, что отражено функционалом Y , а с учетом показанных ранее зависимостей, также и характер изменения колебаний напряжения на шинах питания ДСП: которые, как известно, являются составной частью условий обеспечения ЭМС в СЭС.
ДСП, состоящая из электрического печного контура и дуги, представляет объект регулирования электрического режима и одновременно является нелинейным звеном с переменными параметрами и случайными возмущениями. Чтобы обеспечить регулирование электрического режима ДСП, применяются быстродействующие высокочувствительные регуляторы мощности, способные отстраиваться от возмущений, приходящих от других фаз печи, и компенсировать влияние нелинейностей и упругих связей звеньев регулятора.
В процессе плавки металла в ДСП наиболее изменяемым является параметр Д представляющий собой градиент потенциала в столбе дуги, который в общем случае является функцией температуры, давления и характера газовой среды. Данный параметр изменяется за период плавки примерно в 10 раз: в начале расплавления Д=10...12 В/мм, при расплавленном металле Д=3,8 В/мм, а в процессе рафинирования р доходит до 1,1 В/мм [149,177]. Роль случайных возмущений, возникающих при работе ДСП, целесообразно рассматривать как шум, наложенный на основной сигнал, связанный с отработкой изменений тока регулятором.
Учитывая технологические режимы и условия существования электрической дуги, с целью устранения случайных возмущений, связанных с изменением параметров при переходе к другим режимам работы [177], запишем передаточную функцию замкнутой системы автоматического регулирования (САР) ДСП, показанной на рис. 4.2, в виде:
Для анализа САР ДСП сделаем ряд допущений [11,68,90,108,110,114], позволяющих в первом приближении определить вид передаточной функции системы автоматического регулирования: а) предположим, что нагрузка во всех трех фазах равномерна; б) ввиду небольшой постоянной времени печного контура ДСП переходные процессы цепей токов дуг не учитываются; в) примем условно, что сумма падений напряжений у анода и катода or, а также напряженность поля столба дуги /? для определенного периода плавки постоянны; г) пренебрегаем отрицательными обратными связями, которые не вносят существенной ошибки.
Таким образом, для последующего анализа работы динамики САР ДСП, структурная схема САР ДСП в линейном приближении может быть представлена передаточными функциями разомкнутой системы: привода перемещения и подвески электродов (исполнительный механизм) и усилителя, от которого получает питание привод, - на рис.4.3 б представлены звеном WP(p), печного контура и электрической дуги ДСП - звеном Wop(p).
