Стартовая >> Статьи >> Статические тиристорные компенсаторы

Статические тиристорные компенсаторы

Статический тиристорный компенсатор — комбинированная электроустановка, содержащая одну или несколько ТРГ, ФКУ и (или) конденсаторные установки и систему автоматического управления СТК.
Статические тиристорные компенсаторы для промышленных предприятий решают одновременно задачу компенсации реактивной мощности и поддержания параметров качества напряжения, в том числе фликерных колебаний, в соответствии с ГОСТ 13109-97  они нашли широкое применение на металлургических комбинатах с дуговыми сталеплавильными печами (ДСП) и прокатными станами.
Режим работы ДСП — непрерывно-циклический, который характеризуется чередованием плавок с остановками для слива жидкого металла, заправки печи и завалки шихты Длительные остановки печей происходят только при профилактических ремонтах Наиболее распространенная плавка твердой завалки с окислением имеет три последовательных периода расплавление, окисление и рафинирование В период расплавления, занимающий от 30 до 70% времени плавки, расходуется до 80% электроэнергии при общем расходе 700 — 950 кВт-ч/т выплавленного металла ц цикле плавки до 4,5 ч. Наиболее сильно активная и реактивная мощности ДСП изменяются в период расплавления и в начале периода окисления, колебания которых во времени являются случайными величинами. Особенно большие колебания нагрузки происходят при эксплуатационных КЗ, например при погружении электродов в расплавленный металл, когда колебания тока могут достигать 1,5—2-кратных значений номинального тока ДСП большой емкости и 2,5—3,5-кратных значений для печей малой и средней емкости. Вероятностные характеристики нагрузки печей обычно получают экспериментальным путем. Нагрузки ДСП неравномерны по фазам, что вызывает значительную несимметрию токов и напряжений в питающей электрической сети. Эта несимметрия носит также случайный характер с динамикой изменения в течение 0,03 с, что требует высокого быстродействия от симметрирующих устройств. Кроме того, нелинейность дуги и характеристики печного трансформатора приводит к появлению высших гармоник тока. Резкопеременные нагрузки ДСП со скоростью изменения реактивной мощности до 500 Мвар/с приводят к колебаниям напряжения на шинах питающей сети. Различают нерегулярные колебания напряжения, вызванные КЗ электродов с шихтой, обрывами дуг при обвалах шихты и неустойчивым их горением в период расплавления, и регулярные колебания напряжения из-за действия электромагнитных сил на дуги, вибраций электродов и изменения проводимости дуг при испарении различных материалов. Размах реактивной мощности, как правило, находится в пределах (0,65 — 1) мощности печного трансформатора.
Слитки массой 10 — 40 т, получаемые в сталеплавильных цехах (заводах), поступают в прокатное производство, где на начальном этапе после нагрева прокатываются в мощном реверсивном стане в блюмы квадратного сечения или слябы прямоугольного сечения. Первые являются заготовкой для сортопрокатного производства, а вторые — для листопрокатного производства, основой которых являются непрерывные станы горячего и холодного проката. Состав электроприемников всех прокатных станов характеризуется большим количеством электродвигателей переменного и постоянного тока большой мощности, многие из которых управляются тиристорными преобразователями.
Первые СТК мощностью 160 Мвар на напряжение 35 кВ были введены в эксплуатацию в 1985—1986 гг. на Молдавском (г.Рыбница) и Дальневосточном (г.Комсомольск-на-Амуре) передельных металлургических заводах, каждый из которых обеспечивает выплавку 700 тыс.т стали в год на двух дуговых сталеплавильных печах емкостью 100 т каждая. Работа СТК обеспечила быстродействующую компенсацию реактивной мощности нагрузки и улучшение показателей качества электроэнергии. Так, коэффициент реактивной мощности нагрузки cosφ увеличился с 0,7 до 0,97, колебания напряжения в питающей сети были снижены в 3 раза. Кроме этого, работа СТК улучшила использование электропечного оборудования и повысила производительность работы ДСП. При этом время одной плавки снизилось в среднем на 20 мин при исходной длительности 150 мин, удельный расход электроэнергии на тонну выплавленной стали снизился на 3,3%, а также уменьшился расход графитовых электродов.
В 1990 г. на двух металлургических заводах в г.Волжском и г. Жлобине были смонтированы два СТК мощностью 160 и 110 Мвар соответственно на напряжение 33 кВ совместного производства СССР и фирмы «Нокиа» (Финляндия). Советская часть СТК — высоковольтные тиристорные вентили и система водяного охлаждения. В марте-апреле 1991 г. они введены в промышленную эксплуатацию.
К настоящему времени накоплен достаточный опыт проектирования и эксплуатации СТК. На первом внедренном СТК в Молдавии были проведены в полном объеме измерения электрических воздействий на электрооборудование компенсатора. Схема СТК в однолинейном исполнении приведена на рис. Компенсатор включает в себя тиристорно-реакторную группу мощностью 160 МВ-А и набор из восьми фильтрокомпенсирующих устройств с суммарной мощностью 138 МВ.А, настроенных на 2, 3, 4, 5, 7, 11-ю гармоники. Коммутация ФКУ осуществляется выключателями ВВЭ-35-20/1600. В качестве общего выключателя СТК используется выключатель ВВУ-35-40/3200. Для защиты от перенапряжений применены разрядники РМВ-35, установленные на шинах СТК и каждом ФКУ. Подключение ФКУ к шинам 35 кВ, а также связь между фильтровыми реакторами и конденсаторными батареями выполнена кабелями.

электрическая схема СТК-16038-35
Однолинейная электрическая схема СТК-16038-35
Для определения соответствия расчетных и реальных воздействий на оборудование были проведены испытания ФКУ при их различном сочетании и различных режимах работы электродуговых печей. На рис.   представлены токи в ФКУ-2 при их включении и напряжение на шинах 35 кВ и потенциал в точке соединения фильтрового реактора и конденсаторной батареи. Таблица 2 иллюстрирует максимальное значение тока ФКУ при его включении и потенциал точки X.
Осциллограмма токов при включении ФКУ-2
Осциллограмма токов при включении ФКУ-2

Осциллограмма напряжений при включении ФКУ-2
Осциллограмма напряжений при включении ФКУ-2:
UA, UB, Uс — напряжение на шинах 35 кВ; U3A, U4A — напряжение в точке соединения фильтрового реактора и конденсаторной батареи в фазе Л соответственно ФКУ-2, ФКУ-3, ФКУ-4

 

Таблица 2

Испытуемая ФКУ

Состав СТК

Режим ДСП

Номер опыта

Максимальный ток при включении ФКУ, А

Допустимый максимальный ток, А

Потенциал точки X

ФКУ-2

ФКУ 3,4, 5,5,7,11 и ТРГ

Расплав двух ДСП

1
2

  1.  
  2.  

1000 1100 1170 930

633 633 633 633

2,0Uф 2,5 Щ 1,8 Uф 2,ШФ

ФКУ-3

ФКУ 2,4, 5,5,7,11 и ТРГ

Одна ДСП — расплав, другая — рафинирование

1
2

1270 1450

1330 1330

2,0Uф 1,4Uф

ФКУ-4

ФКУ 2,3, 5,5,7,11 и ТРГ

Одна ДСП — расплав, другая — рафинирование

1
2

1230 1200

1900 1900

1,5Uф
1,2 иф

Из приведенных данных следует, что токи при включении ФКУ-4 меньше допустимых значений, в ФКУ-3 превышают их на 9%, в ФКУ-2 — на 85%. Превышение амплитуды тока при включении ФКУ-2 имеет место в течение 2 — 3 периодов. Учитывая допустимую перегрузку фильтрового реактора (100% в течение 10 мин), а также то, что коммутация ФКУ при работе СТК практически не производится, значение тока включения (1 170 А) для ФКУ-2 можно считать не опасным.
При опытах включение ФКУ сопровождалось повышением напряжения на шинах 35 кВ СТК. Зафиксировано максимальное значение напряжения на уровне 1,75Щ. Такое повышение напряжения не представляется опасным для оборудования, изоляция которого рассчитана на напряжение 3,5Uф. Потенциал в точке X достигал значения 2,5?7ф. Длительность этого повышения составила несколько периодов частоты 50 Гц.
В табл. 3  приведены результаты измерений тока и напряжений ФКУ-2, ФКУ-3 и ФКУ-4 в режиме максимальной (расплав) и минимальной (рафинирование) нагрузок печей при следующем составе СТК: ФКУ-2, ФКУ-3, ФКУ-5, ФКУ-7, ФКУ-11 и ТРГ.
Таблица 3


Фильтр

Режим печей

Номер опыта

Максимальное значение тока ФКУ, А

Допустимая амплитуда тока, А

Потенциал точки X

ФКУ-2

Расплав

1
2 28
3

400 — 675 400 — 695 565, имеются выбросы тока до 745 А 400 — 530

633

2,ШФ
1,8 Uф
1,8С/Ф

ФКУ-3

Расплав

1
2 28

550 — 690 500 — 780 650, в отдельных случаях до 900

750

2,0Uф
1Лиф
1,3Uф

 

Рафинирование

9

500

 

1,3Uф

ФКУ-4

Расплав

1
2 3

540 — 685, один
импульс 795 500 — 795, один импульс 795 570 — 680

645

1,5Uф 1,21/ф 1,2С/Ф

 

Рафинирование

4

500

 

1,5

Наибольшее значение токов имеет место при работе дуговых печей в режиме расплава. Для ФКУ-4 токи в основном не превышают 625 А. В отдельных случаях импульсы тока достигают 825 А (при допустимом пусковом токе 1 900 А). В ФКУ-3 токи имеют амплитуду около 560 А, отдельные импульсы тока достигают 900 А (при допустимом пусковом токе 1 330 А). Для ФКУ-2 амплитудные значения тока лежат в диапазоне 560 — 620 А и лишь в отдельных случаях достигают 745 А, что превышает допустимые значения на 17%.
Существенное влияние на режим работы ФКУ оказывают броски тока намагничивания при включении электропечного трансформатора (ЭПТ) в режиме холостого хода при другом неработающем. Броски тока ЭПТ по амплитуде достигают 6 — 7 кА и затухают с постоянной времени 0,3 с. Частота их появления — 10—15 раз в сутки. При этом электропечной трансформатор является источником гармоник, который в течение каждого периода генерирует однополярные импульсы синусоидальной формы.  
Амплитуда второй гармоники составляет примерно 20% 1т и достигает 1 200 — 1 400 А. С учетом основной гармоники максимальное значение тока в ФКУ-2 составляет 1 600 — 1 800 А, что в 2,5 — 3 раза превышает допустимый пусковой ток ФКУ-2. При таких значениях следует ожидать насыщения фильтрового реактора, выполненного с магнитной системой. В качестве фильтрового в ФКУ-2 используется реактор типа РФТМ-15000/35-2-У1, масляный двухстержневой с зазорами, имеющий три активные части в одном баке.
При бросках тока намагничивания ЭПТ индуктивность фильтрового реактора снижается с номинального значения (96 мГн на 6-й отпайке) до 17,7 мГн. Проведенные опыты подтвердили это утверждение. При амплитудных значениях тока XX ЭПТ не более 2 000 А перегрузки по току ФКУ-2 и ФКУ-4 не превосходят допустимых значений В диапазоне амплитуд тока XX 2 500 - 3 500 А ток в ФКУ-2 достигает значений 1 300 - 1 700 А, что недопустимо для обеспечения надежной работы ФКУ-2. При амплитудных значениях тока XX ЭПТ свыше 3 500 А имеют место сверхперегрузки ФКУ-2 и ФКУ-4, приводящие к их отключению защитой. В полученных результатах имеется несоответствие между ожидаемыми и реальными значениями тока ФКУ-2. Так, в опыте 1 (табл. 4) ожидаемое значение должно бы равняться сумме амплитуд тока основной гармоники (около 400 А) и 2-й гармоники (0,2 • 3 720 « 750 А), т.е. 1 150 А. Реальное же значение (2 780 А) в 2 раза с лишним превышает полученное. Это объясняется тем, что при перегрузочных токах из-за насыщения сердечника реактора частота настройки ФКУ-2 увеличивается примерно вдвое.
Таблица 4


Но мер опыта

Максимальный ток XX ЭПТ, А

Максимальный ток ФКУ-2, А, в период, с

Потенциал точки X в ФКУ-2

Максимальный ток ФКУ-4, А, в период, с

0,1

0,1-0,2

1,0-2,0

0,1

0,1-0,2

1,0-2,0

1

3 720

2 780

2245

820

4,9Uф

1300

855

510

2

1000

780

490

420

1,8С/Ф

625

570

510

3

1200

675

520

420

1,61/ф

625

590

740

4

4 800

2400

2100

1250

4,9Uф

1150

870

540

5

2580

1350

740

490

2,31/ф

660

540

570

6

3 450

1725

675

455

2,4Uф

855

700

500

7

3200

1540

740

430

3,01/ф

920

625

465

При мощности КЗ на шинах СТК 560 - 600 МВ-А и суммарной генерируемой мощности ФКУ 138 МВвА первый полюс частотной характеристики системы имеет место при относительной частоте



т.е. в области частоты 100 Гц практически имеет место резонанс тока. Таким образом, указанная выше расстройка ФКУ-2 из-за насыщения фильтрового реактора приводит к резонансным явлениям. В результате возникает недопустимая перегрузка фильтра. Кроме того, большой ток XX ЭПТ приводит к существенным искажениям формы напряжения на шинах 35 кВ, что, в свою очередь, ведет к асимметричному режиму работы ТРГ, которая также начинает генерировать 2-ю гармонику. На осциллограммах рис.   представлены токи в ФКУ-2 и ТРГ, а также напряжение на шинах 35 кВ и в точке X ФКУ.
Для исключения недопустимых воздействий в режиме XX одним из решений является ограничение бросков тока намагничивания. Это достигается, например, включением в цепь ЭПТ на 1 с токоограничивающих резисторов сопротивлением 5 Ом.
Осциллограмма токов в ФКУ-2 и фазах ТРГ в режиме холостого хода электропечного трансформатора
Осциллограмма токов в ФКУ-2 и фазах ТРГ в режиме холостого хода электропечного трансформатора
Опыты показали, что установка резисторов обеспечивает уменьшение второго импульса тока XX в 2,9 раза, третьего — в 4,7 раза, четвертого — в 10 раз по сравнению с амплитудой первого импульса. Максимальное значение тока XX в 30 проведенных опытах с резисторами составило 2,5 кА, что по крайней мере вдвое меньше максимальных значений амплитуды тока в опытах по включению ЭПТ без резисторов. При этом ток переходного процесса в ФКУ-2 не превышает допустимых значений и имеет малую длительность. Искажение сетевого напряжения незначительно.
Осциллограмма напряжений на шинах 35 кВ
Осциллограмма напряжений на шинах 35 кВ (t/4, UB, Uc) и в точке соединения (точке X) фильтровых реакторов и КБ в фазе А соответственно ФКУ-2, ФКУ-3, ФКУ-4 в режиме холостого хода электропечного трансформатора/
Введение резисторов позволило ограничить воздействие не только на оборудование СТК, но и на электропечные и сетевые трансформаторы и автотрансформатор 330 кВ.
Проведенные исследования и испытания СТК позволили сделать важный вывод о необходимости замены в последующих разработках насыщающихся масляных фильтровых реакторов с магнитопроводом на сухие реакторы без магнитопровода, имеющие линейную характеристику во всем диапазоне изменения их токов.
Как показано на рис., оперативное включение и отключение ФКУ осуществляется модернизированным выключателем ВВЭ-35-20/1600. Этот выключатель в заводском исполнении не был предназначен для коммутации емкостной нагрузки. При его испытании в режиме коммутации конденсаторной батареи наблюдались повторные зажигания и пробои межконтактного промежутка. Испытания выключателя при снятых шунтирующих резисторах и разновременности размыкания контактов не более 3 мс показали, что повторных зажиганий и пробоев не наблюдалось. Поэтому был принят следующий вариант модернизации выключателя ВВЭ-35-20/1600 — выключатель с двумя дугогасительными камерами без шунтирующих резисторов и с одновременной подачей напряжения на катушки отключения обеих камер. Таким образом были переделаны все восемь выключателей. Для определения способности модернизированного выключателя осуществлять коммутацию ФКУ проведено более 30 опытов по отключению ФКУ с регистрацией напряжений и токов на полюсах. В большинстве случаев выключатель обрывал токи ФКУ без повторных зажиганий и пробоев.
При этом скачок восстанавливающегося напряжения между контактами находился в пределах (0,2—1,0) Uф, амплитуда восстанавливающегося напряжения (спустя 10 мс) достигала 2,4Uф. Напряжение на линии ФКУ не превышало 1,88Uф, что практически в 2 раза меньше напряжения срабатывания разрядника РВМ-35. Имело место несколько случаев повторных зажиганий выключателя. Осциллограмма напряжений (рис. 6.13) на контактах выключателя
Осциллограмма напряжений при повторном зажигании выключателя ФКУ-11
Осциллограмма напряжений при повторном зажигании выключателя ФКУ-11

(C/M, UbB, UbC) при отключении ФКУ-11 с последующим повторным зажиганием выключателя показывает, что после прохождения тока фазы В через нуль на контактах этой фазы относительно медленно начинает восстанавливаться напряжение, которое спустя 5 мс становится равным (Уф и в этот момент происходит повторное зажигание этой фазы. После прохождения тока через нуль в фазе Л напряжение между контактами этой фазы восстанавливается скачком до 0,8[/ф и в дальнейшем достигает максимального значения 2,5Uф. Однако это не приводит к повторному пробою выключателя этой фазы. Повторное зажигание приводит к повышению напряжения на всех фазах ФКУ (по отношению к земле) до 1,6Uф. В силу вероятностного характера и малого числа повторных зажиганий выключателя выявить какую-либо их закономерность не удалось. Анализ полученных осциллограмм показал, что возможно повторное зажигание при напряжении между контактами выключателя, не превышающем 1,25Uф, и четкий обрыв токов, когда напряжение между контактами достигает значения 2,7Uф.
Аналогичные испытания были проведены и с выключателями ВВУ-35-40/3200. Испытания показали, что при напряжении сети 35 — 40,5 кВ выключатель отключает СТК при любых сочетаниях подключенных ФКУ без повторных зажиганий и пробоев. При этом напряжение на шинах 35 кВ СТК повышается до 2,14Uф, а при аварийных ситуациях — до 2,63Uф, что представляется опасным для электрооборудования. Для надежной коммутации ФКУ целесообразно использовать другие выключатели, в которых электрическая прочность межконтактного промежутка должна быть не менее амплитуды восстанавливающегося напряжения при отключении ФКУ. В общем случае амплитуда восстанавливающегося напряжения на контактах выключателя определяется как
 
где Iv = /v//] — отношение действующих значений токов частоты настройки и основной частоты.
В табл. приведены значения U для выключателей ФКУ при различных токах гармоник.


Л

Значения итах при V

2

3

4

5

7

11

0

3,0

2,69

2,60

2,56

2,53

2,51

0,25

3,25

2,83

2,70

2,64

2,59

2,55

0,50

3,50

2,97

2,80

2,72

2,64

2,58

0,75

3,75

3,11

2,90

2,80

2,70

2,62

1,0

4,00

3,25

3,00

2,87

2,75

2,65

Из таблицы следует, что определяющим является ФКУ второй гармоники. Реально значения Iv не превышают 0,25. Для получения некоторого запаса принято, что Urmx== 3,5.
Проведенные испытания и расчеты коммутационных процессов позволили разработать основные требования к выключателям фильтров СТК 35 кВ (табл. 6.12). По предварительной оценке этим требованиям в наибольшей степени удовлетворяют элегазовые выключатели, что следует учитывать в дальнейших разработках. Кроме того, для упрощения выбора типа выключателя можно разделить выполняемые функции между выключателями фильтров и общим выключателем СТК, например, на общий выключатель возложить отключение токов КЗ в элементах СТК, а на выключатели фильтров — оперативное их переключение.
Рассмотрим другие задачи, выполняемые СТК. В соответствии с техническими условиями СТК должен обеспечить снижение колебаний напряжения на шинах 110 кВ с мощностью КЗ не менее 2 000 MB*А до уровня, регламентированного ГОСТ 13109-67, а также поддержать значение tgφ на уровне не более 0,25 при 30-минутном максимуме реактивной мощности нагрузки не более 82 MB* А. Это значение соответствует проектному графику нагрузки, при котором циклы плавок ДСП смещены относительно друг друга на половину длительности плавки (75 мин) и периоды расплавов двух ДСП не совпадают. В этом случае при выбранной суммарной мощности ФКУ 138 Мвар допускается потребление из сети 18 Мвар реактивной мощности. Для исключения недопустимых воздействий в режиме XX ЭПТ путем смещения первого полюса частотной характеристики системы в область частот, больших 100 Гц, длительная работа СТК сначала производилась с шестью включенными ФКУ с суммарной мощностью 99 Мвар.


Характеристика

Значения технических параметров по техническим требованиям

Наибольшее рабочее напряжение (действующее), кВ

40,5

Номинальный ток, А, при промышленной частоте: 50 Гц 60 Гц

1600 2500

Амплитуда восстанавливающегося напряжения при отключении токов, не превышающих номинальный, кВ/время

30/10 мкс; 116/10 мс

Климатическое исполнение категория размещения температура окружающего воздуха, °С нижняя верхняя

ХЛ 1
-50 35

Испытательные напряжения промышленной частоты, кВ:
по отношению к земле
между контактами одного и того же полюса

105 95

Амплитуда грозового импульса, кВ:
полной волны по отношению к земле срезанной волны по отношению к земле

185 230

Номинальный ток отключения, к А при промышленной частоте (р=35%): 50 Гц

10; 31,5

Амплитуда восстанавливающегося напряжения, кВ/время:
при отключении номинального тока при отключении 60% номинального тока при отключении 30% номинального тока

69,3/99 мкс 74,4/42,4 мкс 74,4/21,2 мкс

Коммутационный ресурс при:
номинальном токе, циклов В—О номинальном токе отключения, циклов В—О

30 (суммарное число операций О и В)

Механический ресурс, циклов В—О

5000

Время отключения, мс (полное/собственное)

80/50±10

Собственное время включения, мс

280

Срок службы, лет:
до капитального ремонта полный

10
25

Чтобы  получить в этих условиях реальную картину работы СТК с точки зрения снижения колебаний напряжений пришлось увеличить уставку регулятора СТК до значения

Измерение колебания напряжения на шинах 35 кВ производилось с помощью разработанного в ВЭИ измерителя колебаний напряжения ИКН-1. Работа прибора основана на интегрировании входного напряжения в течение половины периода и последующей записи полученного значения динамическим запоминающим устройством. Выходной сигнал записывался на шлейфовый осциллограф одновременно с сигналами токов нагрузки, ТРГ и суммарного тока сетевых трансформаторов, а также мгновенного напряжения на шинах 35 кВ. Осциллограммы токов и напряжений в проектном режиме, когда одна печь находится в стадии начального расплавления, а другая — в стадии рафинирования, показали, что при изменении уставки регулятора с 0 до 60 Мвар рабочая точка ТРГ смещалась в середину регулировочной характеристики и происходило выравнивание токов сетевых трансформаторов и стабилизация напряжения шин 35 кВ. Максимальный размах колебаний напряжения снизился с 10 до 3%. С учетом мощности КЗ на шинах 35 кВ, равной примерно 600 Мвар, было определено, что максимальный размах колебаний на шинах 110 кВ с мощностью КЗ, равной 2 000 МВ*А, не превышает 1%. В более спокойных режимах размах колебаний напряжения на шинах 35 кВ не превышает 1,5 — 2%. Таким образом, при проектном графике нагрузки и шести включенных ФКУ СТК обеспечивал снижение колебаний и стабилизацию напряжения до требуемого уровня, а также исключение недопустимых воздействий при включениях на XX ЭПТ.
Реально же график работы ДСП отличается от проектного. Работа печей ведется по принципу <плавка на плавку». При этом начала плавок сдвинуты всего на 10 — 15 мин и режимы расплава двух ДСП совпадают в течение 20 — 25 мин. Вследствие этого увеличивается среднее значение суммарной реактивной мощности ДСП до 110 Мвар. Из алгоритма работы регулятора СТК

следует, что при мощности ФКУ 99 Мвар ТРГ полностью заперта и, следовательно, ограничение размаха колебаний напряжения ухудшается. Поэтому в дальнейшем были включены восемь ФКУ, причем мощность ФКУ-2 была увеличена до значения, обеспечивающего настройку фильтра на частоте 85 Гц. Кроме этого, на время включения ЭПТ (1—3 с) было введено принудительное открытие ТРГ с углами, близкими к 90° (полное открытие).
Отметим, что мощность СТК выбирается как наибольшее значение из двух: мощности, необходимой для компенсации фликера, и мощности, обеспечивающей требуемое значение коэффициента мощности. При анализе фликера в процессе работы ДСП непрерывный спектр колебаний напряжения, определяемый из спектральных характеристик ДСП, обычно заменяется дискретным, в котором интервалу А/ соответствует свое амплитудное значение периодического колебания 5U частотой /. Интенсивность совокупного воздействия дискретных колебаний на человека характеризуется эквивалентным размахом изменения напряжения.

В паспортных данных на ДСП задается кратность эксплуатационного тока КЗ с учетом постоянства напряжения на шинах питающей системы.
Изложенный способ оценки колебаний напряжения при работе ДСП математически строг, базируется на экспериментальных данных, но требует проведения сложных измерений по получении достоверных спектральных характеристик.

Зависимость коэффициента ослабления Коф от относительной мощности фликеркомпенсатора Кфк и времени задержки его системы регулирования

Основным элементом СТК, обеспечивающим выполнение его функциональных задач, является система автоматического управления (САУ). На рис   изображена структурная схема САУ которая нашла применение в СТК на Молдавском металлургическое заводе и на металлургическом заводе в г.Нанкин (КНР).
Входными сигналами САУ являются сигналы от трансформаторов тока, установленных в линии, соединяющей питающий трансформатор с шинами 35 кВ, трансформаторов тока ДСП, ТРГ| ФКУ и от трансформатора напряжения на шинах 35 кВ.
Выходные сигналы САУ (шесть каналов) усиливаются и преобразуются в импульсы необходимой формы в шкафу управления тиристорными вентилями и через световоды или электромагнитный связи поступают на тиристоры высоковольтных вентилей СТК.

Система автоматического управления

Система автоматического управления включает в себя:      
систему регулирования тока ТРГ;
систему защит ТРГ;
систему автоматики ТРГ;
систему сигнализации, контроля и диагностики тиристорных вентилей и САУ.
Система регулирования тока ТРГ обеспечивает быстродействующую пофазную компенсацию колебаний реактивного тока нагрузки путем автоматического изменения фазы импульсов управления ТРГ в соответствии с преобразованием Штейнмеца.
Система защит ТРГ осуществляет блокировку импульсов управления при перегрузке ТРГ и превышении постоянной составляющей тока фазы допустимого значения.
Система автоматики обеспечивает отпирание и запирание импульсов управления ТРГ при нажатии на кнопки «Пуск» и «Стоп», режим работы с фиксированным углом управления в течение 2 с после подачи сигнала о включении электропечного трансформатора и однократное АПВ после запирания ТРГ от защит САУ.
Система сигнализации контроля и диагностики отказов выполняет индикацию состояния неисправности САУ, постоянную индикацию основных параметров СТК и контроль неисправности основных узлов САУ и поиск неисправных элементов системы.
Система автоматического управления СТК состоит из двух однотипных шкафов, представляющих единую дублированную систему управления. При этом один шкаф находится в работе, а второй — в горячем резерве. Входы и выходы основного и резервного шкафов соединены параллельно, а токовые входные цепи последовательно. При выявлении неисправности основного шкафа осуществляется снятие питания с его выходных цепей и включение питания на выходные цепи резервного шкафа. Выявление неисправностей и переключение питания осуществляется автоматически при помощи защит и переключателя комплектов. Размеры каждого шкафа не более 2200x600x600 мм, масса — не более 300 кг.
В течение 1995—1997 гг. Научно-производственным центром «Энерком», г.Москва внедрены СТК на 10 кВ и мощность 20 МВ*А на металлургическом комбинате в г.Бао-Тоо (Китай)], а также СТК на 10 кВ и мощность 7 MB*А на металлургическом комбинате 208 в г.Ухань (Китай). В качестве нелинейной нагрузки на названных объектах выступают прокатные станы.
В отличие от дуговых печей колебания нагрузки прокатных станов носят не случайный, а циклический характер. Наличие тиристорных преобразователей практически исключает пофазную несимметрию нагрузки, но не снимает вопрос фильтрации высших гармоник тока. Цикл работы зависит от технологического процесса проката. Например, цикл проката блюма или сляба в 12—15 проходов занимает время от десятка секунд до нескольких минут. В момент сжатия металла возникает нагрузка в десятки мегаватт, которая в конце цикла сбрасывается до холостого хода главного привода. Коэффициент мощности преобразователей находится в пределах 0,3—0,8, а фронт наброса реактивной мощности для блюмингов и слябингов не более 200 Мвар/с и для станов холодного проката не более 2 000 Мвар/с. Поэтому колебания напряжения на шинах 10 кВ могут достигать более 20% номинального значения.
В качестве примера рассмотрим нагрузочные характеристики электропривода стана горячего проката Орско-Халиловского металлургического комбината. Электропривод выполнен на основе непосредственного преобразователя частоты (НПЧ). Номинальная активная мощность привода 5 000 кВт, коэффициент мощности cos ф = 0,7. Максимальные значения мощности нагрузки имеют место в режиме пропусков. На рис. 6.16 изображен график типовой программы пропусков прокатного стана на интервале времени 60 с. Данный график содержит семь пропусков, характеризующихся разными значениями активной и реактивной мощности. В табл. 6 приведены значения мощности нагрузки (для одного НПЧ) в семи расчетных точках А -s- G.
Таблица 6


Расчетные точки

S, кВ-А

Cos φ

Р, кВт

Q, квар

А

14364

0,595

8548

11545

В

15260

0,626

9555

11904

С

15379

0,657

10104

11594

D

14505

0,688

9980

10527

Е

13139

0,718

9434

9145

F

10494

0,779

8174

6579

G

11298

0,723

8168

6805

График типовой программы пропусков
График типовой программы пропусков
Пропуски осуществляются циклами, каждый из которых состоит из интервала нагружения и интервала паузы. Из рис. следует примерное равенство длительности циклов, а также пауз. В среднем длительность интервала нагружения составляет 5,9 с, паузы — 2,8 с.

Состав ФКУ определяется гармониками тока нагрузки и требованиями стандартов по качеству электроэнергии. Таблица 7  иллюстрирует гармонический состав рассматриваемого непосредственного преобразователя частоты в разных точках типовой программы пропусков. Приведенный спектр характеризуется наличием как канонических гармоник тока, так и интергармоник. Для фильтрации канонических гармоник тока обычно используют однорезонансные фильтры. Однако в области частот между нулями частотной характеристики, соответствующими частотам настройки фильтров, может иметь место резкое усиление интергармоник, что приведет к недопустимому возрастанию коэффициента искажения синусоидальности напряжения. Для снижения уровня усиления интергармоник в состав фильтров обычно вводят демпфирующие резисторы. На рис.   изображена схема СТК для прокатного стана в г.Ухань (КНР). В табл.   представлены параметры ФКУ и ТРГ. Мощность электропривода 5 400 кВт. В качестве электропривода используется непосредственный преобразователь частоты. Статический тиристорный компенсатор включает в себя динамическую часть (ТРГ) и набор фильтрокомпенсирующих цепей, настроенных на частоты 150, 250, 350 и 550—650 Гц- Тиристорно-реакторная группа состоит из полупроводникового стабилизатора мощности и компенсирующих реакторов. Стабилизатор содержит три встречно-параллельно соединенных тиристорных  вентиля, систему управления и регулирования, а также воздушную систему охлаждения.

 

Порядковый номер гармоник

Частота, Гц

Jv, А, в точках

Частота, Гц

Iv, А, в точках

Частота, Гц

Iv , А, в точках

А

В

С

D

Е

F

G

5

20

22,8

24,0

17,0

23,6

21,8

13,0

18,6

13,0

16,0

 

80

24,0

25,6

83,0

25,4

23,6

88

20,8

14,6

17,8

 

110

5,8

6,2

117

6,2

6,0

125

5,4

4,4

4,6

 

190

2,2

2,4

183

2,6

2,4

175

2,8

2,4

2,4

 

220

21,6

25,8

217

29,4

31,2

213

32,4

34,4

28,4

 

250

110

110

250

105,2

92,6

250

77,6

49,2

66,4

 

280

22,0

26,2

283

31,6

32,4

275

63,2

57,0

55,0

 

290

7,2

8,4

317

33,6

35,2

288

37,0

40,0

32,4

 

310

10,6

12,8

__

__

313

34,8

35,6

30,4

 

-47,2

__

__

325

53,2

43,8

46,0

7

350

56,2

31,0

350

51,8

60,4

350

38,6

27,8

32,8

 

380

26,2

2,0

383

35,0

36,6

388

36,8

36,4

32,2

 

410

1,8

4,7

417

2,2

2,2

425

2,2

1,7

19,0

 

490

3,6

32,2

483

5,9

6,9

475

8,2

10,7

7,2

 

520

29,0

29,6

517

33,4

32,0

513

29,0

20,8

24,8

11

550

28,4

30,0

55,0

29,0

26,1

550

26,2

23,2

19,4

 

580

27,4

29,2

583

28,8

32,4

575

28,4

28,4

24,8

 

590

24,0

22,8

617

32,4

29,4

613

37,0

30,0

32,0

 

610

18,8

29,0

 

 

 

620

27,2

23,2

__

__

__

__

__

__

__

13

650

23,2

27,8

650

21,0

18,0

650

144

12,2

13,2

 

680

26,0

7,4

683

27,2

24,2

688

20,2

12,2

17,0

 

710

5,6

13,0

717

9,0

10,4

725

11,0

13,4

9,8

 

790

10,6

16,0

783

15,0

10,4

775

152

13,2

13,2

 

820

16,2

13,8

817

14,8

13,2

813

11,2

9,6

9,6

17

850

13,8

20,0

850

11,4

11,4

850

5,2

14,8

5,2

 

880

16,6

26,8

883

9,4

12,6

875

23,8

13,2

20,2

 

890

25,4

26,6

917

9,2

4,8

888

11,0

8,2

9,2

 

910

23,0

13,2

__

__

925

25,2

16,2

21,6

19

950

13,2

13,2

950

12,4

9,0

950

4,8

10,6

3,4

 

980

12,6

14,4

983

13,4

12,4

988

10,4

5,8

8,6

 

1010

12,0

12,0

1017

16,0

16,4

1025

15,0

15,2

13,0

 

1090

11,4

10,6

1083

12,0

10,2

1075

8,6

4,0

7,2

 

1120

10,2

13,2

1117

10,8

8,8

1113

9,0

2,4

7,4

23

1150

12,4

20,6

1150

15,0

16,8

1150

16,0

10,2

13,6

 

1180

20,0

9,8

1183

13,4

12,4

1175

10,8

6,0

9,2

 

1190

19,6

19,0

1217

8,0

9,8

1188

5,0

4,0

4,2

 

1210

__

__

__

__

__

1213

7,4

2,0

6,2

 

__

13,0

17,4

__

__

__

1225

11,8

5,6

9,8

 

1220

7,2

9,8

__

__

__

__

__

__

__

25

1250

8,4

8,4

1250

12,0

15,2

1250

14,6

11,8

13,0

 

1280

10,0

9,4

1283

8,2

9,0

1288

12,8

7,4

11,2

 

1310

6,8

7,0

1317

9,0

5,6

1325

15,4

9,6

13,2

 

1390

5,6

5,4

1383

6,8

5,6

1375

9,2

11,0

8,8

 

1420

5,2

1,2

1417

3,6

7,6

1413

5,4

9,2

5,4

29

1450

11,8

11,6

1450

7,8

4,4

1450

10,4

5,8

8,8

 

1480

5,4

5,2

1483

11,2

9,8

1475

6,4

3,4

5,2

 

1490

13,8

13,8

1517

7,8

8,6

1513

4,2

0,6

3,4

 

1520

10,8

9,4

__

__

__

1525

6,2

3,6

5,2

31

1550

7,2

6,2

1550

13,4

9,4

1550

8,8

7,8

7,2

 

1580

6,8

8,8

1583

4,6

2,8

1588

8,4

10,2

7,0

 

1610

6,6

6,2

1617

4,6

7,4

1625

7,4

10,2

6,6

 

1690

7,8

9,6

1683

10,4

7,0

1675

6,4

3,2

5,0

 

1720

5,0

7,2

1717

11,6

10,8

1713

10,8

3,4

9,0

35

1750

7,6

7,2

1750

1,8

0,8

1750

7,2

2,8

6,2

 

1780

__

__

1783

9,0

7,8

1788

1,6

2,0

1,2

 

 

 

1817

6,8

7,2

Схема СТК для Уханьского меткомбината
Схема СТК для Уханьского меткомбината

Параметр

ФКУ-3

ФКУ-5

ФКУ-7

ФКУ-11

ТРГ

Генерируемая мощность, Мвар

1,56

4,8

2,2

1,45

Установленная мощность, Мвар

2,4

8,4

3,6

2,4

Емкость КБ, мкФ

44,1

146,8

66,2

44,1

Число параллельно включенных конденсаторов в фазе

4

14

6

4

Индуктивность фильтрового реактора, мГн

26,1

2,8

3,2

2,0

Сопротивление демпфирующего резистора, Ом

66,32

43,9

69,44

66,32

Мощность ТРГ, Мвар

 

7

Индуктивность компенсирующего реактора, мГн

2X53,1

Компенсирующий реактор выполнен в виде двух полуобмоток, в рассечку которых включен тиристорный вентиль. Фильтры 5, 7 и 11-й гармоник выполнены с демпфирующими резисторами. Коммутация фильтров осуществляется малообъемными масляными выключателями. Для фильтра 5-й гармоники используются конденсаторы 200 квар на номинальное напряжение 7,8 кВ, для других фильтров — конденсаторы мощностью 200 квар на напряжение 7,6 кВ. Конденсаторы изготовлены без встроенных разрядных резисторов. Поэтому для их разряда после отключения используются параллельно включенные трансформаторы напряжения. Каждый конденсатор комплектуется внешним предохранителем. Наличие демпфирующих резисторов приводит к существенным потерям и необходимости выполнения мероприятий по отводу тепла из помещения. Поэтому на этапе проектирования ФКУ следует по возможности снижать количество резисторов.
В заключение отметим некоторые рекомендации, которые необходимо соблюдать при проектировании СТК для повышения надежности его работы:
при наличии индивидуальных выключателей фильтрокомпенсирующих устройств необходимо предусмотреть порядок их подключения к шинам подстанции, начиная с низшего порядка, а при отключении — начиная с высшего порядка;
необходимо предусмотреть питание электронных устройств СТК от двух независимых систем шин собственных нужд 380 В, как правило, не имеющих других потребителей;
шкафы САУ и шкафы управления тиристорных вентилей должны устанавливаться в помещениях с обеспечением возможности их обслуживания и климатических условий по категории 4.2 УХЛ в соответствии с ГОСТ 15150-69 и ГОСТ 15543-70. При этом должен поддерживаться температурный диапазон +15 +30°С, относительная влажность не более 80% при 25°С, окружающая среда должна быть невзрывоопасной, не содержать токопроводящей пыли или химически активных газов, испарений и осадков в концентрациях, разрушающих изоляцию и металл, а содержание нетокопроводящей пыли в помещении не должно превышать 0,7 мг/м3;
по возможности для электронных устройств СТК необходимо предусмотреть отдельный контур заземления, не связанный с общим контуром подстанции, с сопротивлением растекания не более 4 Ом.

 
« Сокращение объемов работ, выполняемых на высоте   Статические тиристорные компенсаторы и конденсаторные батареи в энергосистемах »
электрические сети