Расчет трансформаторов для дуговых электрических печей
Тихомиров П.М.
Госэнергоиздат, 1955 г.
ОСОБЕННОСТИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ТРАНСФОРМАТОРОВ ДЛЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПЕЧЕИ
1-1.ТРЕБОВАНИЯ, ПРЕДЪЯВЛЯЕМЫЕ К ТРАНСФОРМАТОРАМ, ПРЕДНАЗНАЧЕННЫМ ДЛЯ ПИТАНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПЕЧЕЙ
Трансформаторы, предназначенные для питания электрических печей, во многом сходны с нормальными силовыми трансформаторами, однако особые условия работы электрической печи существенно сказываются на конструкции и режиме работы некоторых частей трансформатора. Эти условия и требования, вытекающие из особенностей конструкции, электрических данных и режима работы электрической печи, должны быть известны при проектировании электропечного трансформатора.
Электрические печи находят широкое применение в различных отраслях промышленности: черной и цветной металлургии, промышленности ферросплавов, машиностроении, химической промышленности при изготовлении стекла и керамики, пищевом и хлебопекарном производстве и др. Распространению электронагрева в промышленности способствуют возможность получения в электрических печах высоких температур (до 2 000° С и более), возможность создания и поддержания в печи любой искусственной атмосферы, удобство автоматического или ручного регулирования режима работы печи и пр.
Широкое применение электрических печей в промышленности, естественно, приводит к большому разнообразию типов, конструкций и мощностей этих печей. Не касаясь классификации электрических печей по назначению, можно подразделить их по способу превращения электрической энергии в тепловую на две группы: электрические печи сопротивления, в которых электрическая энергия превращается в тепло при прохождении тока через жидкие или твердые тела, и дуговые электрические печи, в которых превращение электрической энергии в тепло происходит в эдектрической дуге, горящей в газообразной среде. Существуют также печи смешанного типа, использующие оба эти принципа превращения электрической энергии в тепловую.
Наиболее характерными особенностями, присущими электрическим печам и отражающимися на конструкции и режиме работы питающего печь трансформатора, обладают дуговые печи. Электрические печи сопротивления имеют меньше таких особенностей, и трансформаторы, служащие для питания этих печей, меньше отличаются от нормальных силовых трансформаторов.
Для того чтобы выяснить, какие требования должны быть предъявлены к трансформатору, предназначенному для питания электрической печи, рассмотрим в качестве примера трехфазные дуговые сталеплавильные печи прямого действия, получившие широкое распространение в металлургии . Специфические особенности этих печей, существенно влияющие на режим работы и конструкцию питающих трансформаторов, выражены более ярко, чем в печах других типов, и требования к электропечиым трансформаторам, установленные в этом случае, могут быть с теми или иными ограничениями отнесены также и к трансформаторам, питающим электрические печи других типов.
В электрических дуговых сталеплавильных печах прямого действия обычно производится выплавка стали из металлического лома — скрапа. Скрап загружается в ванну печи и затем нагревается электрическими дугами, горящими между тремя электродами, опускаемыми в печь сверху, и поверхностью металла. Процесс плавки стали может быть подразделен на три последовательных периода: расплавление скрапа, окисление и рафинировка металла, т. е. доведение его состава до требуемого анализом готовой стали.
С точки зрения режима работы трансформатора наиболее тяжелым является первый период, составляющий по времени 50—60% общей длительности процесса плавки. В этот период печь потребляет наибольшую мощность, необходимую для прогрева всей массы холодного металла и на покрытие скрытой теплоты его плавления. Горение дуги в этот период нестабильно. Длина дуги невелика; она горит между концом электрода и холодным металлом, и небольшие изменения во взаимном расположении электрода и кусков скрапа — обвал или сдвиг подплавленных кусков скрапа — могут оборвать дугу или вызвать короткое замыкание. В первую очередь расплавляется скрап, находящийся вблизи электрода, и под тремя электродами печи образуются три колодца, в которые электроды постепенно опускаются автоматическим устройством, регулирующим горение дуг. Обвалы стенок этих колодцев также приводят к коротким замыканиям. Таким образом, работа трансформатора в этот первый период плавки протекает в условиях потребления печью наибольшей мощности при частых толчках нагрузки, коротких замыканиях и обрывах тока в обмотке низшего напряжения (НН).
Для защиты обмоток трансформатора от теплового и механического воздействия при толчках тока и коротких замыканиях ток короткого замыкания трансформатора должен быть ограничен. Трансформатор должен выполняться с повышенным значением напряжения короткого замыкания или снабжаться токоограничивающим реактором. Обычно считают, что ток короткого замыкания не должен превышать номинальный ток более чем в 2,5—4 раза. Поскольку частые короткие замыкания, являющиеся характерной особенностью режима дуговой сталеплавильной печи, происходит на электродах печи, ток короткого замыкания всей установки ограничивается общим сопротивлением реактора, трансформатора и короткой · сети. С ростом мощности печи и трансформатора растет относительное сопротивление короткой сети, что позволяет для трансформаторов мощностью более 5 000—8 000 ква отказаться от применения реакторов и искусственного повышения напряжения короткого замыкания.
Второй и третий периоды плавки протекают при потреблении меньшей мощности, так как расплавление металла к началу второго периода заканчивается. Дуга между электродом и жидким металлом горит более стабильно, обрывы тока практически исключаются, а сравнительно редкие короткие замыкания происходят лишь при бурном кипении металла. Трансформатор при этом работает более спокойно, мощность, отдаваемая им, значительно уменьшается, для чего должна быть предусмотрена возможность регулирования напряжения.
Обычно уменьшение мощности достигается за счет уменьшения вторичного напряжения трансформатора, при сохранении величины тока, установленного в первый период плавки, путем пересоединения первичной обмотки трансформатора (обмотки ВН) с треугольника на звезду с перерывом питания нагрузки и отключением трансформатора от сети. После перехода ко второму периоду плавки реактор обычно отключается.
В целях улучшения управления процессом плавки часто требуется регулирование напряжения во всех трех периодах плавки. Это регулирование обычно осуществляется путем изменения числа включенных витков первичной обмотки при помощи переключателя ступеней с перерывом нагрузки для трансформаторов мощностью менее 15 000 ква и без перерыва нагрузки для более мощных трансформаторов.
Электрические печи и питающие их трансформаторы устанавливаются в закрытых помещениях (внутренняя установка). При этом стараются уменьшить расход меди на так называемую короткую сеть, т. е. на шины, соединяющие обмотку НН трансформатора с печью, для чего устанавливают трансформатор по возможности ближе к печи. Такая установка ухудшает условия теплоотдачи трансформатора, так как среднегодовая температура воздуха в помещении значительно выше, чем на открытой установке, а условия охлаждения — тяжелее. Это обстоятельство приходится учитывать при тепловом расчете трансформатора. Так, например, у трансформаторов, предназначенных для питания сталеплавильных электрических печей, превышение средней температуры обмоток над температурой окружающего воздуха допускается не более 60° С и масла в верхней части бака — не более 50° С, в то время как для нормальных силовых трансформаторов эти превышения допускаются соответственно до 70 и 60° С.
Из рассмотрения режима работы сталеплавильной дуговой электрической печи следует, что трансформатор, предназначенный для питания этой печи, должен обладать следующими особенностями, отличающими его от нормального силового трансформатора:
а)Высокий номинальный ток на стороне НН, доходящий до тысяч и десятков тысяч ампер.
б)Повышенное напряжение короткого замыкания, такое, чтобы внутреннее сопротивление самого трансформатора вместе с сопротивлением короткой сети и реактора ограничивало ток короткого замыкания 2,5—4-кратной величиной по отношению к номинальному.
в)Повышенная механическая прочность крепления обмоток и отводов, рассчитанная на частые толчки тока и короткие замыкания.