1. Обзор литературных источников

1.1 Обзор литературных источников

Основной особенностью работы любого выключателя является то, что он является источником перенапряжений, в том числе и высокочастотных. На сегодняшний день не существует эффективных средств защиты от такого вида перенапряжений. В мировой практике имеется ряд работ, посвященных этой проблеме, рассмотрим основные из них.

Базуткин В.В., Евдокунин Г.А., Халилов Ф.Х. в своей статье [1] указывают, что для контактов из сплава хром-медь ток среза не более 5 А, что не требует специальной защиты от возникающих перенапряжений. Основной проблемой вакуумного выключателя (ВВ) они считают возможность среза тока 10-50 А и возникающие при этом перенапряжения. В проведенных экспериментах по отключению ненагруженных трансформаторов отмечалось многократное срабатывание разрядников с пробивным напряжением около 5,5U_ф. Авторы считают срез тока основным механизмом возникновения опасных перенапряжений, при коммутациях трансформаторов дуговых печей. В данной работе приводится теоретический и экспериментальный анализ перенапряжений, возникавших при коммутациях печного трансформатора c U=6 кВ, S=4000 кВ·А вакуумным выключателем ВВТЭ-10. В [1-3] также приведены принципиальная и расчетная схемы замещения исследованной цепи с вакуумным выключателем. В расчетах на ЭВМ для вакуумного выключателя ВВТЭ-10 в этой статье была принята следующая математическая модель:

- скорость роста “холодной” электрической прочности межконтактного промежутка взята постоянной и равной 5-50 кВ/мс;

- рост электрической прочности до предельного значения имеет место в течение 6 мс при скорости движения контактов 1 мм/мс;

- первое прерывание тока считается возможным при мгновенном значении тока не более 12 А.

Активное сопротивление и индуктивность дуги в [8] предлагается аппроксимировать следующими степенными рядами от времени t:

; (1)

, (2)

где r_д – сопротивление дуги в момент t=0⁺.

1.2 Постановка задачи исследования

На основании проведенного обзора задачи исследования будут следующие:

- построение математической модели исследуемой цепи;

- проведение на ее основе необходимых исследований;

- разработка защитных мероприятий и их проверка на модели.

2 Технологический процесс. Система электроснабжения

электросталеплавильного производства

2.1 Технология электросталеплавильного производства

Для выплавки стали с помощью электрического тока применяют дуговые, открытые и вакуумные индукционные электропечи. Большую часть стали выплавляют в дуговых печах, доля индукционных печей в общем объеме выплавки невелика [42]. Дуговые сталеплавильные электропечи (ДСП) служат для выплавки легированных и высококачественных сталей, которые затрудни­тельно получать в конверторах и мартеновских печах.

Преимуществами ДСП является: в возможность быстро нагреть металл, что позволяет вводить большие количества легирующих добавок; обеспечение в печи восстановительной атмосферы и безокислительных шлаков, что определяет малый угар легирующих элементов; плавно и точно регулировать температуру металла; более полно раскислить металл, получая его с низким содержанием неметаллических включений; получить сталь с низким содержанием серы. Поэтому высоколегированные, нержавеющие, инструментальные и жаропрочные стали выплавляют только в электропечах. Доля электростали составляет около 40% общего объема выплавки стали в мире. Дуговые печи имеют индивидуальное питание непосредственно от ЛЭП через электрические подстанции, основным элементом которой является преобразователь (печной понижающий трансформатор), обеспечивающий печь электроэнергией с требуемыми параметрами. В отечественной практике ДСП принято характеризовать двумя основными параметрами: номинальной емкостью (вместимостью) и номинальной мощностью, выраженными соответственно в тоннах (м³) и мегавольт-ампер или киловольт-ампер.

Весьма важной характеристикой ДСП является их удельная номинальная мощность киловольт-ампер на тонну. Рядом технико-экономических расчетов и практикой установлена целесообразность повышения удельной мощности средних и большегрузных ДСП с 250-300 кВА/т до 500-1000 кВА/т, обеспечивающее сокращение периода плавления с 3,5-3,0 до 0,5-1 ч. [42,44]. Для большегрузных высокомощных ДСП в понятие электропечной установки в последние годы включаются системы обслуживания печи, тепловой подготовки шихтовых материалов, интенсификации плавки, внепечного рафинирования жидкого металла и др., т. е. весь комплекс устройств, обеспечивающих ее высокопроизводительную работу [6].

К основным эксплуатационным показателям ДСП, характеризующим их технический уровень, относятся производительность и удельный расход электроэнергии, которые в значительной мере зависят от параметров и формы рабочего пространства, габаритов и массы печи, надежности обслуживающих ее механизмов, стойкости футеровки, значений электрических параметров, определяющих величину коэффициента мощности (cosφ) и электрического КПД установки (η_э ). Устройство дуговых электропечей. Серийные дуговые печи имеют емкость 0,5; 1,5; 3,6; 12; 25; 50; 100; 200; 300 и 400 т. Она состоит из рабочего пространства (собственно печь) с электродами и токопроводами и механизмы, обеспечивающие наклон печи, удержание и перемещение электродов и загрузку шихты. Плавку стали ведут в рабочем пространстве (рисунок 1), ограниченном сверху куполообразным сводом, снизу сферическим подом, с боков стенками 2. Огнеупорная кладка пода и стен заключена в металлический кожух. Съемный свод набран из огне­упорных кирпичей, опирающихся на опорное сводовое кольцо. Через три симметрично расположенных в своде отверстия в рабочее пространство введены токоподводящие электроды 9, которые с по­мощью специальных механизмов могут перемещаться вверх и вниз. Печь питается трехфазным переменным током [42,44].

Шихтовые материалы загружают на под печи; после их распла­вления в печи образуется слой металла и шлака. Плавление и нагрев осуществляются за счет тепла электрических дуг 5, возникающих между электродами и жидким металлом или металлической шихтой. Готовую сталь и шлак сливают через сталевыпускное отвер­стие 4 и желоб 3, наклоняя рабочее пространство. Рабочее окно 7, закрываемое заслонкой 8, предназначено для контроля за ходом плавки, ремонта пода и загрузки материалов в печь.

Рисунок 1. Схема рабочего пространства дуговой электропечи

1 - свод, 2 - стенки, 3 - желоб, 4 - сталевыпускное отверстие,

5 - электрическая дуга, 6 - под, 7 - рабочее окно,

8 - заслонка, 9 - электроды

Шихту в современных печах загружают сверху в открываемое рабочее пространство с помощью бадьи (корзины) с открывающимся дном (см. рисунок 1). По способу открывания устройства загрузки сверху различают следующие варианты исполнения печей, отличаю­щиеся компоновкой и устройством механического оборудования: с поворотным сводом (печи серии ДСП); с выкатным корпусом (печи серии ДСВ); с откатывающимся сводом. Преимущественно строят печи с по­воротным сводом. Технические данные дуговой печи представлены в таблице 1 и 2.

Таблица 1. Технические данные дуговых печей малой мощности

Параметр	Напряжение	Ток	Мощность	Производительность
Единица измерения	кВ	А	кВА	т
Значение	10	1000	50000	200

При емкости выше 25 т их оборудуют меха­низмами поворота ванны и устройствами для электромагнитного перемешивания металла. Ванну, образуемую футеровкой пода, делают сферо-конической формы; нижняя ее часть сферическая, а откосы наклонены под углом 45° к горизонтали. Такой наклон необхо­дим, чтобы магнезитовый порошок при заправке не ссыпался с откосов вниз (угол естественного откоса магнезита близок к 45°). Сферическая форма днища кожуха обеспечивает минимальные тепловые потери и расход огнеупоров на кладку пода. Форму кожуха и рабочего пространства выбирают со сферо­коническими стенками, обеспечивающими отдаление от электрических дуг нижней части стенок и вместе с тем возмож­ность изготовлять свод относительно небольшого диаметра.

Таблица 2. Технические данные мощных дуговых печей

Параметр	Напряжение	Ток	Мощность	Производительность
Единица измерения	кВ	А	кВА	т
1	2	3	4	5

Окончание таблицы 2.

1	2	3	4	5
Значение вариант 1	10	2000	100000	500
Значение вариант 2	35	3000	200000	550
Значение вариант 2	35	4000	300000	6000

Диаметр распада электродов (диаметр окружности, проходя­щей через оси трех электродов) принимают равным 0,3 диаметра на уровне порога. Кожух рабочего пространства выполняют сварным из стального листа толщиной 10-40 мм. На больших печах его усиливают наружными вертикальными и горизонтальными ребрами жесткости. На печах, работающих с электромагнитным перемешиванием металла, центральную часть днища кожуха выполняют из немагнитной стали.

Сводовое кольцо служит опорой для огнеупорной кладки свода. Его выполняют сварным, а на крупных и средних печах делают водоохлаждаемым. Для рабочего окна в кожухе печи делают вырез, в котором крепится П-образная водоохлаждаемая металлическая рама. Рама служит опорой для кирпичной кладки, обеспечивая постоянство контура оконного проема. Окно закрывается футерованной заслонкой, перемещаемой вверх и вниз.

Футеровка дуговой печи подвергается воздействию излучения электрических дуг, разъедающему воздействию шлака и металла и термических напряжений, возникающих при резких колебаниях температур во время завалки. Футеровка свода испытывает дополнительные нагрузки, вызываемые распорными усилиями арочного свода. Поэтому применяемые огнеупоры должны обладать высокой огнеупорностью, термостойкостью, прочностью и шлакоустойчивостью. Подина печи состоит из изоляционного и рабочего слоев. Изоляционный слой включает укладываемый на металлическое днище кожуха слой листового асбеста, выравнивающий слой шамотного порошка и слой кладки из шамотного кирпича. Толщина изоляционного слоя равна 70-190 мм.