Глава 9

9.5. Переходные процессы, обусловленные особенностями технологии производства

Электротехнологические установки широко применяются в различных отраслях народного хозяйства. Перспективы их использования весьма значительны. Как потребители электрической энергии эти установки имеют ряд специфических особенностей, проявляющихся в большом разнообразии режимов работы и переходных процессов в СЭС предприятий вследствие резкопеременного, импульсного, несинусоидального и несимметричного характера нагрузки, изменения напряжения, появления электромагнитных помех в сетях и т. п. Колебания напряжения вызываются резко-переменными и ударными нагрузками, которые характерны, в первую очередь, для электродуговых сталеплавильных гимен и электросварочных установок. Они также могут создаваться такими потребителями, как вентильные преобразователи прокатных станов, электротяговые установки и т. п.

Как известно, колебания напряжения классифицируют как изменения модуля напряжения, происходящие со скоростью не менее одного процента номинального напряжения в секунду. Колебания напряжения влияют на работу светотехнических устройств, радио и телевизионной аппаратуры, систем автоматики и управления, вычислительной техники и т, п. При нелинейной нагрузке генерируются высшие гармоники тока, перегружаются конденсаторные батареи, .из-за чего появляются дополнительные потери мощности. Колебания напряжения приводят к ухудшению энергетических показателей работы электрооборудования и электрических сетей, а также к нежелательному изменению механических характеристик электродвигателей.

В качестве примера рассмотрим особенности протекания переходных процессов при работе некоторых электротехнологических установок.

Электродуговые сталеплавильные печи относятся к потребителям с циклическим резкопеременным режимом работы. Один из периодов графика их нагрузки - расплавление металла - характеризуется наибольшей неравномерностью (сильные и частые случайные колебания тока), что объясняется эксплуатационными КЗ, В этот период расходуется 50-80 % всей потребляемой за плавку энергии, создается ударный эффект в сети. Для дуговых печей характерно значительное число отключений от сети по ходу плавки, связанных с технологическими операциями или с аварийными остановами (до 10 за плавку).

В сетях с дуговыми печами практически любые изменения напряжения можно рассматривать как колебания. Случайные колебания напряжения в питающей сети часто превышают допустимые пределы. Они обусловлены колебаниями тока в печи из-за КЗ и разрыва дуги, периодического характера регулирования процесса, а также особенностей электрической дуги, вызывающей колебания тока частотой от 2 до 10 кГц с амплитудой ±15 %. Колебания напряжения составляют 2-4 % при напряжении 110 и 35 кВ и 3-12 % при 6 и 10 кВ. Частота таких колебаний 0,5-1 Гц.

Оценка ударного эффекта дуговых сталеплавильных печей выполняется с помощью методов, используемых при анализе электрических цепей. Она имеет важное значение при построении СЭС предприятий с учетом влияния этих установок. Ввиду случайного характера изменения параметров нагрузки дуговых печей и размахов колебаний напряжения при их анализе и нормировании следует применять методы теории случайных процессов. Анализируя колебания напряжения в сетях параллельных дуговых печей, надо учитывать электромагнитное влияние их друг на друга.

Технологические отключения дуговых печей, происходящие, как правило, сразу после обрыва печных дуг, сопровождаются коммутационными перенапряжениями на обмотках отключаемого трансформатора. Поскольку число таких отключений велико, а перенапряжения значительны, их необходимо учитывать при разработке оборудования электропечной установки.

Уровень перенапряжений определяется глазным образом быстродействием выключателя. Возникающие коммутационные перенапряжения зависят также от режима работы трансформатора. Наибольшие уровни перенапряжений (семикратные) возможны при отключениях ненагруженных трансформаторов. Наиболее неблагоприятным режимом с точки зрения возникновения значительных перенапряжений (пятикратных) при отключениях трансформаторов под нагрузкой является отключение двухфазной нагрузки при токах, близких к токам ненагруженного агрегата. Расчет перенапряжений выполняется с использованием методов, применяемых в электротехнике.

Кратность возможных бросков тока намагничивания при включениях трансформаторов достигает (рис. 9.10). Броски токов резко уменьшаются с переходом на более низкие ступени напряжения, а также по мере прогрева печи.

Импульсный характер графиков нагрузки электросварочных установок приводит к появлению провалов в огибающей кривой напряжения, форма которых зависит от формы индивидуальных импульсов тока сварки. Изменения тока и напряжения на зажимах

Рис. 9.10. Изменения токов и напряжений в сети при включении трансформатора мощностью 45 MBА печи ДСП-200 и при работе в режиме холостого хода

стыковой сварочной установки мощностью 600 кВА показаны на рис. 9.11.

Законы изменения провалов напряжения соответствуют законам изменения индивидуальных графиков и описываются зависимостями, определяемыми с помощью вероятностных методов.

Рис. 9.11. Изменения сварочного тока и напряжения на зажимах стыковой сварочной установки мощностью 600 кВА

Глубина провалов напряжения определяется мощностью электросварочной установки и источника питания, а также параметрами питающей сети. Установки точечной и рельефной сварки создают провалы напряжения до 7 %. Наибольшая глубина провалов напряжения наблюдается на зажимах стыковых и многоточечных установок (до 19 %). Средняя частота провалов напряжения где п - число импульсов тока за средний цикл сварки .

В сетях, питающих группы сварочных установок, провалы напряжения носят случайный характер. Наибольшие значения провалов напряжения (до 20 %) наблюдаются в сетях, питающих стыковые и многоточечные установки, наименьшие - в сетях, питающих дуговые сварочные установки (не более 3 %). Максимумы частот провалов напряжения групповых графиков составляют 1,8-4 Гц.

Электросварочные установки создают также колебания напряжения, средняя частота которых .Колебания напряжений разнообразны: от периодических прямоугольных до случайных марковских. Максимальная частота колебаний напряжения в групповых сетях составляет 5-12 Гц. Основная энергия спектра колебаний сосредоточена в интервале 2,5-3 Гц. Электросварочные установки работают в импульсном режиме, поэтому необходимо "учитывать появление переходных процессов в потребляемом токе. При асинхронном включении амплитудное значение переходного тока может достигать трехкратного значения номинального тока. Длительность процесса - от трех до шести периодов. Большие значения переходных токов приводят к увеличению амплитуды провалов напряжения и дополнительному искажению синусоиды напряжения за счет появления в токе постоянной составляющей и четных гармоник. Режимы работы электросварочных установок регулируются с помощью тиристоров.

Создаваемые ударными нагрузками непериодические колебания напряжения можно привести к периодическим, эквивалентным по энергии или средней мощности за время контроля процесса Т. Эквивалентный размах периодического р-го колебания в процентах определяется выражением

где п - число колебаний за время Т.

Выражение для определения , пригодное в проектной практике, можно записать иначе, используя значения набросов реактивных мощностей и мощности КЗ на шинах резкопеременных нагрузок:

Условием допустимости колебаний напряжения является .