Сначала ответ: трансформатор дуговой сталеплавильной печи подбирается исходя из энергетического и мощностного профиля плавильного цеха, и он не является увеличенным распределительным трансформатором. Мощность в кВА определяется требуемой мощностью плавления в период расплавления, но три других параметра определяют конструкцию: вторичный ток в кА (который задаёт низковольтную обмотку, вводы, шины и охлаждение), диапазон ступеней регулирования (который должен быть достаточно широким, чтобы поддерживать стабильность дуги от холодного лома до плоской расплавленной ванны), а также полное сопротивление и последовательное реактивное сопротивление (которые определяют, насколько жёстко дуга может короткозамкнуться и сколько фликера вы отдаёте в сеть). Рассчитывайте его исходя из кВт·ч на тонну стали и времени от выпуска до выпуска, указывайте таблицу ступеней регулирования и вторичный ток явно, и рассматривайте превышение температуры при циклическом режиме, снижение мощности из-за гармоник и многократную стойкость к коротким замыканиям как реальные критерии приёмки.
Трансформатор дуговой сталеплавильной печи (ДСП) принимает напряжение, которое получает ваш завод — обычно 33 кВ, 66 кВ, 110 кВ или 132 кВ, а на очень крупных интегрированных комбинатах 220 кВ — и преобразует его в несколько сотен вольт, которые фактически зажигают дугу: обычно от примерно 400 В до 1 000 В, а в крупнейших современных конструкциях до 1 700 В. Токи на этой стороне и есть причина, по которой машина выглядит совершенно не так, как распределительный трансформатор: от 40 кА до 60 кА на печи среднего размера и более 100 кА на самых крупных агрегатах, с токами электродов до примерно 120 кА в опубликованных конструкциях печных трансформаторов. Что отличает режим ДСП от любого другого применения трансформаторов, так это то, что нагрузка представляет собой намеренно нестабильное движущееся короткое замыкание, что три фазы никогда не уравновешены и что трансформатор рассчитан на тысячи коротких замыканий в год и при этом должен служить 20 лет.
Всё нижеследующее написано для человека, которому предстоит купить или задать характеристики этого трансформатора: инженера-электрика металлургического завода, подрядчика EPC или производителя стали из лома, наращивающего мощности плавления. Если вместо этого вы рассчитываете обычную распределительную нагрузку, общая методика в нашем руководстве по расчёту и бюджетной формуле и руководстве по расчёту распределительной системы — правильная отправная точка; в этой статье рассматривается то, что меняется, когда нагрузкой является дуга.
Ключевые выводы
- Сначала энергия, потом кВА. Энергия плавления (обычно 350–500 кВт·ч на тонну жидкой стали), делённая на время под током, даёт среднюю мощность дуги; средняя плюс пик расплавления дают номинальную мощность печного трансформатора. Современные печи сверхвысокой мощности (UHP) проектируются исходя из примерно 0,7–1,0 МВА мощности трансформатора на тонну массы выпуска.
- Вторичный ток в кА — это жёсткое ограничение, а не МВА. Низковольтная обмотка, медные вводы, водоохлаждаемые шины и электродные рукава — всё спроектировано исходя из тока, который может превышать 100 кА.
- Печные ступени — это не ±2 × 2,5%. Трансформатор ДСП обычно имеет широкий диапазон ступеней (распространённое решение — диапазон вторичного напряжения примерно 2:1, например от 840 В до 480 В) с 15–33 положениями, часто с первичными ступенями на нейтральном конце и, для очень широких диапазонов, с автотрансформатором или последовательно-параллельной схемой.
- Гармоники и фликер — это пропускной пункт для подключения к сети. Печь должна соответствовать пределам эмиссии сетевого оператора в точке общего присоединения — ограничениям гармоник в духе IEC 61000-3-6 и уровням планирования фликера по IEC 61000-3-7 (обычно указываются ориентировочные значения Pst 1,0 / Plt 0,8) — что обычно означает компенсацию SVC или STATCOM плюс фильтр и трансформатор, рассчитанный на несинусоидальный режим.
- Задавайте режим, а не только табличку. В заказе на печной трансформатор должны быть указаны таблица ступеней, ток короткого замыкания на электродах, испытание на превышение температуры при циклическом режиме, основа для снижения мощности из-за гармоник, ожидаемое число выдерживаемых коротких замыканий и температура окружающей среды плавильного цеха. Расплывчатые запросы — это путь к тому, что заводы получают трансформатор, который в первый же год вызывает ложные срабатывания дифференциальной защиты.
Что такое трансформатор дуговой сталеплавильной печи — и чем он отличается от распределительного трансформатора?
Трансформатор ДСП — это силовой трансформатор специального назначения, вторичная обмотка которого питает электроды печи через короткие, очень тяжёлые низковольтные соединения. В печи переменного тока (AC) три графитовых электрода опускаются в лом; дуга зажигается от каждого электрода к шихте, и поскольку точкой соединения в треугольник или звезду дугового контура является сама расплавленная ванна, электрическая цепь меняется секунда за секундой по мере плавления лома, выгорания электродов и переключения ступеней оператором. Опубликованные диапазоны печных трансформаторов простираются от примерно 10 МВА до 300 МВА, с вторичными напряжениями до 1 700 В и токами электродов до примерно 120 кА.
Отличия от распределительного трансформатора не косметические. Они структурные:
| Аспект | Распределительный трансформатор (например, 1 000 кВА, 11/0,4 кВ) | Печной трансформатор ДСП (например, 90 МВА, 33/0,84 кВ) |
|---|---|---|
| Характер нагрузки | Медленно меняющаяся, в основном уравновешенная нагрузка | Нестабильная, намеренно неустойчивая дуга; повторяющиеся короткие замыкания |
| Вторичный ток | Десятки — несколько сотен ампер | 40–120 кА |
| Вторичное напряжение | Фиксированное 400/415 В | Широкий диапазон, часто около 2:1, задаётся ступенью |
| Устройство регулирования напряжения | Без возбуждения, 5 положений, ±2 × 2,5% | Под нагрузкой, 15–33 положения, очень широкий диапазон; иногда регулирование каждой фазы отдельно |
| Сопротивление короткого замыкания | 4–6% | Намеренно выше (обычно около 10–14% при базовой мощности, и выше для конструкций с повышенным реактивным сопротивлением), часто плюс внешний последовательный реактор с регулируемым реактивным сопротивлением |
| Нагрузка | Непрерывная, близкая к номинальной | Циклическая: тяжёлое расплавление, более лёгкое доведение, простой во время завалки; превышение температуры оценивается за цикл плавки |
| Охлаждение | ONAN, герметичный гофрированный бак | Принудительная циркуляция масла и воздуха (OFAF/ODAF), водоохлаждаемые низковольтные шины; иногда водоохлаждаемые обмотки |
| Низковольтное соединение | Кабельный ящик на баке | Медные вводы через стенку или крышку бака, затем водоохлаждаемые шины и гибкие электродные кабели |
| Изоляция и диэлектрический режим | Стандартные уровни | Тяжёлый механический и тепловой режим из-за частых КЗ; особое внимание к прессовке обмоток и пределам температуры наиболее нагретой точки |
| Защита | Предохранитель или выключатель среднего напряжения | Дифференциальная, от быстрого повышения давления, температурная и газовая защита, согласованная с выделенным печным выключателем и регулятором мощности дуги |
Из этой таблицы непосредственно следуют два вывода. Во-первых, нельзя купить трансформатор ДСП из каталога распределительных трансформаторов: он проектируется под каждый проект, и именно вы задаёте его характеристики. Во-вторых, важны специальные приёмочные испытания — не рутинные проверки коэффициента трансформации и сопротивления, а испытание на превышение температуры при циклическом режиме, подтверждение стойкости к короткому замыканию, измерение потерь нагрузки на каждой ступени и измерение уровня шума агрегата, который будет стоять рядом с плавильным цехом.
Что на самом деле требует плавильный цех от своего трансформатора?
Плавильный цех, работающий на ломе, работает плавками. Каждая плавка — это повторяющийся цикл: завалка лома (часто две или три бадьи), проплавление колодцев, расплавление, доводка и легирование под шлаком, затем выпуск в ковш; на многих заводах отдельная установка ковш-печь затем подогревает и доводит сталь перед разливкой. Для типичной 100-тонной печи переменного тока цикл составляет около 40–60 минут, из которых, возможно, 30–40 минут — время под током, и производится около 30–35 плавок в сутки.
Электрический профиль внутри одной плавки имеет форму, и трансформатор должен её отслеживать:
- Проплавление колодцев (первые минуты). Электроды опускаются на холодный, неровный лом; дуга нестабильна и постоянно короткозамкнута. Токи резко колеблются, и фликер напряжения здесь наиболее сильный.
- Расплавление. Печь работает на максимальной доступной мощности дуги или близко к ней большую часть времени под током. Эта фаза определяет номинальную мощность трансформатора.
- Доводка. Ванна плоская, дуга стабильна; мощность снижается примерно до 50–65% от максимальной для контроля температуры ванны и шлака.
- Простой. Завалка, выпуск и задержки — нагрузки на печной трансформатор нет, но обычно трансформатор отключается и снова включается между плавками.
Из этого режима вытекают три конструктивных факта:
- Трансформатор работает в циклическом тепловом режиме, а не в установившемся. Нагрузка колеблется между нулём и полной мощностью плавления несколько раз в час, весь день. Именно этот циклический режим, а не непрерывная номинальная нагрузка, определяет температуры масла и обмоток трансформатора, и именно поэтому важна оценка превышения температуры при циклическом режиме (см. коэффициент нагрузки и перегрузочную способность о том, как оценивается циклическая нагрузка).
- Трансформатор должен часто включаться повторно. Каждая плавка начинается с коммутационной операции, а значит, каждая плавка начинается с события броска тока намагничивания. Дифференциальная защита должна быть отстроена от броска тока намагничивания, иначе она будет ложно срабатывать.
- Температура окружающей среды выше, чем в зале подстанции. Печной трансформатор обычно делит здание или смежную ячейку с самой печью, где температура воздуха может быть значительно выше 40 °C. Снижение мощности из-за температуры окружающей среды (см. практику снижения мощности) должно входить в расчёт, а не в сноску.
Шаг 1 — Сколько электрической энергии нужно на одну тонну стали?
Начинайте с энергии, а не с догадки о кВА на тонну. Электрическая энергия, необходимая для расплавления тонны стального лома, зависит главным образом от качества лома, состава шихты (только лом или лом плюс прямое восстановленное железо и чугун), практики вдувания кислорода и углерода, а также от того, используется ли отходящий газ для подогрева лома.
| Практика | Электрическая энергия на тонну жидкой стали | Примечания |
|---|---|---|
| Теоретический минимум | Около 300 кВт·ч/т (примерно 1,1 ГДж/т) | Чистое плавление плюс перегрев ванны, без учёта всех потерь |
| Лучшая современная практика, подогрев лома, вдувание кислорода | Около 280–400 кВт·ч/т | Шахтные печи и подогрев лома конвейерного типа утилизируют тепло отходящих газов |
| Типичная текущая практика | Около 400–500 кВт·ч/т | Значение для использования для обычной печи с завалкой бадьями |
| Старые или плохо оптимизированные печи, влажный или низкосортный лом | Около 500–600 кВт·ч/т и выше | Дополнительная энергия на сушку и нагрев лома и на покрытие потерь |
Это единственное число — кВт·ч на тонну — является якорем для всего остального. Это также число, которое важно для финансовой модели, потому что при промышленной цене электроэнергии, скажем, 0,07 долл. США/кВт·ч, каждые дополнительные 50 кВт·ч/т потребления — это примерно 3,5 долл. США на тонну стали, что на заводе производительностью 500 000 т/год составляет более 1,7 млн долл. США в год. Поэтому правильный выбор трансформатора и философии управления дугой — это решение по энергозатратам в такой же степени, как и по оборудованию.
Шаг 2 — Как энергия плавления превращается в МВА трансформатора?
Выполните расчёт в четыре приёма. Приведённый ниже пример намеренно использует круглые числа и печь на 100 тонн; подставьте свои заводские данные.
- Энергия на плавку. 100 т × 400 кВт·ч/т = 40 000 кВт·ч (40 МВт·ч) электрической энергии на плавку.
- Время под током. При цикле от выпуска до выпуска 45 минут и времени под током 60–70% дуга горит около 0,5–0,53 часа.
- Средняя мощность дуги. 40 000 кВт·ч ÷ 0,53 ч ≈ 75 МВт в среднем за время под током. Если ваша практика более эффективна (350 кВт·ч/т с подогревом) или плавка длиннее, средняя мощность падает; время под током на 8 минут больше при той же энергии даёт около 60 МВт.
- Пик расплавления и номинальная мощность трансформатора. Трансформатор должен обеспечивать мощность дуги при расплавлении (максимальную), которая выше среднего значения за цикл. Коэффициент мощности дугового контура обычно находится в диапазоне примерно 0,75–0,85, поэтому полная мощность печного трансформатора равна пиковой активной мощности, делённой на этот коэффициент мощности. Печи, которая должна поддерживать примерно 70 МВт мощности дуги при коэффициенте мощности около 0,8, требуется около 85–90 МВА на выводах печного трансформатора.
| Масса плавки (т) | Электроэнергия (кВт·ч/т) | Энергия на плавку (МВт·ч) | Время под током (ч) | Средняя мощность дуги (МВт) | Типичный печной трансформатор (МВА) |
|---|---|---|---|---|---|
| 30 | 450 | 13,5 | 0,45 | ≈ 30 | 35–45 |
| 60 | 420 | 25,2 | 0,50 | ≈ 50 | 55–70 |
| 100 | 400 | 40,0 | 0,53 | ≈ 75 | 80–100 |
| 150 | 380 | 57,0 | 0,58 | ≈ 98 | 105–130 |
Последний столбец — тот, который стоит проверить на соответствие отраслевой практике: современные печи сверхвысокой мощности проектируются исходя из примерно 0,7–1,0 МВА номинальной мощности печного трансформатора на тонну массы выпуска, что для 100-тонной печи даёт диапазон примерно от 70 до 100 МВА. Если ваш расчёт существенно выходит за этот диапазон, один из ваших исходных параметров — энергия на тонну, время под током или коэффициент мощности — неверен, и проект стоит перепроверить до того, как он дойдёт до запроса предложения.
Шаг 3 — Почему вторичное напряжение определяет всё остальное?
Как только вы знаете полную мощность, вторичное напряжение фиксирует ток, а ток фиксирует оборудование. Соотношение — обычное трёхфазное:
I2 = S ÷ (√3 × U2)
Пропустите 90 МВА через вторичную обмотку 840 В, и вы получите около 62 кА на фазу. Снизьте напряжение до 480 В, и тот же ток даст только около 50 МВА — именно такое поведение и нужно оператору печи, потому что ток электрода является ограничением, и конструкция поддерживает его примерно постоянным при изменении напряжения. Дуговая печь при низком напряжении с тем же током работает с короткой горячей дугой и меньшей мощностью дуги; при высоком напряжении она работает с длинной дугой с более высокой мощностью дуги, но с большим излучением и большим износом футеровки. Выбор рабочей точки — это металлургия; её обеспечение — это конструкция ступеней трансформатора.
Что определяет число кА в конструкции
- Низковольтная обмотка. При 50–120 кА вторичная обмотка — это не проводная обмотка. Обычно это небольшое число витков из тяжёлой медной шины или листа, расположенных так, чтобы вихревые и добавочные потери оставались управляемыми, с тщательно рассчитанной прессовкой, потому что электромагнитные силы при коротком замыкании растут пропорционально квадрату тока.
- Вводы. Низковольтные соединения выполняются медными вводами — часто несколькими параллельно — и в опубликованных конструкциях печей при токах ниже примерно 80 кА низковольтный вывод идёт через крышку бака, а при самых высоких токах — через стенку бака, чтобы шины достигали электродных рукавов по кратчайшему пути. Общие принципы см. в нашем руководстве по выбору вводов.
- Вторичные шины и электродные рукава. Это водоохлаждаемые трубки или сварные шинные сборки, рассчитанные на плотность тока и механическую жёсткость, а не на падение напряжения, о котором кто-либо беспокоится — при 60 кА один миллиом сопротивления соединения — это 3,6 кВт потерь в цепи и реальная тепловая проблема.
- Таблица ступеней. Поскольку ток остаётся высоким при падении напряжения, устройство регулирования должно разрывать и замыкать цепь при полном вторичном токе, не позволяя дуге погаснуть. Именно поэтому печные устройства регулирования работают под нагрузкой, и поэтому их число ступеней и механическая износостойкость задаются отдельно от таковых для сетевого трансформатора (см. устройства регулирования под нагрузкой и без возбуждения).
Шаг 4 — Почему диапазон ступеней намного шире, чем у распределительного трансформатора?
Устройство регулирования без возбуждения распределительного трансформатора существует только для компенсации напряжения системы: пять положений, обычно ±2 × 2,5%. Устройство регулирования печного трансформатора — это устройство управления мощностью. Оно задаёт напряжение дуги, а следовательно, длину дуги и мощность, подводимую к ванне, плавка за плавкой, от холодного лома до плоской расплавленной ванны.
Три механизма делают возможным такой широкий диапазон, и правильный выбор для вашего завода зависит от того, насколько широким должен быть диапазон:
- Ступени на нейтральном конце первичной обмотки (регулирование «переменным потоком»). Это наиболее компактное и экономичное решение для обычных диапазонов регулирования. Поскольку число витков первичной обмотки в цепи меняется, поток в магнитопроводе меняется вместе со ступенью, поэтому вторичное напряжение — и мощность в кВА, которую может отдать трансформатор — падают вместе при переходе вниз по диапазону ступеней, а вторичный ток остаётся близким к постоянному.
- Регулирование с помощью автотрансформатора. Когда требуемый диапазон напряжений шире, чем может экономично охватить простая регулировочная обмотка, регулирующий автотрансформатор включается последовательно с первичной обмоткой печного трансформатора. Это классический способ достичь очень широкого диапазона, сохраняя сам печной трансформатор более простым.
- Последовательно-параллельные, треугольник-звезда или реверсивные схемы ступеней. Специальные соединения устройства регулирования изменяют конфигурацию обмоток, а не только число витков в цепи, что дополнительно расширяет диапазон коэффициента трансформации; цена — более сложное, более дорогое устройство с меньшим числом положений.
Практические последствия для технического задания:
- Требуйте таблицу ступеней, а не процент ступени. Результат — это таблица вторичных напряжений по положениям ступеней, соответствующий ток электрода и гарантированные сопротивления. Печные трансформаторы обычно задаются с примерно 15–33 положениями, и гарантия потерь нагрузки должна даваться на каждой ступени, а не только на номинальной ступени.
- Ожидайте работу под нагрузкой. В современной печи устройство регулирования перемещается во время плавления, пока регулятор ищет наилучшую стабильность дуги; это требование к механической износостойкости, измеряемое сотнями тысяч операций, поэтому оно должно быть указано и подтверждено. Наше руководство по регулированию напряжения объясняет лежащую в основе механику.
- Решите, нужно ли вам регулирование по каждой фазе. Поскольку три дуги никогда не делят нагрузку поровну, в опубликованной практике печных трансформаторов предусматривается отдельное регулирование напряжения для каждой фазы (и, следовательно, отдельное однофазное переключение), когда асимметрия значительна. Если ваша философия эксплуатации опирается на установку одной фазы иначе, чем других, укажите это в техническом задании — это меняет как трансформатор, так и схему выключателя.
Шаг 5 — Для чего нужно сопротивление в дуговой печи и когда нужен последовательный реактор?
В сетевом трансформаторе сопротивление — это то, что нужно минимизировать, чтобы регулирование напряжения было хорошим. В печной цепи сопротивление — это параметр управления. Дуга — это нестабильная нагрузка с отрицательным сопротивлением; определённое количество реактивного сопротивления в цепи — это то, что поддерживает её стабильность, ограничивает, насколько резко возрастает ток, когда электрод касается лома, и превращает дугу в управляемый источник мощности. Два разных элемента обеспечивают это реактивное сопротивление:
- Сопротивление трансформатора. Печные трансформаторы обычно задаются с более высоким сопротивлением короткого замыкания, чем сетевой трансформатор той же мощности — обычно в районе 10–14% при базовой мощности, а конструкции с повышенным реактивным сопротивлением — ещё выше. Это дополнительное реактивное сопротивление приобретается намеренно: оно стоит КПД и регулирования напряжения, а взамен даёт стабильность дуги и меньший фликер.
- Последовательный реактор. В крупных установках требуемое реактивное сопротивление обеспечивается или дополняется реактором, включённым последовательно с печным трансформатором — либо в отдельном баке, либо встроенным в тот же бак, что и трансформатор. Эти реакторы сами имеют ступени, и их реактивное сопротивление можно изменять от практически нуля до полного значения с помощью устройств регулирования без возбуждения или под нагрузкой, что позволяет заводу настраивать характеристики дугового контура при вводе в эксплуатацию и перенастраивать их при изменении состава лома или сортамента продукции.
Конструктивные последствия: ток короткого замыкания низковольтной стороны трансформатора ДСП — это не неисправность, которую нужно минимизировать, а номинальное расчётное состояние, и ток короткого замыкания на электродах — это табличное значение, которое нужно задать. Указание числа — задача покупателя, а не изготовителя; завод, который указывает «короткое замыкание на электродах не должно превышать X кА на низшей ступени», получает машину, соответствующую его электродам и системе управления. Наше руководство по расчёту тока короткого замыкания показывает, как бюджет реактивного сопротивления объединяет сопротивление трансформатора, последовательный реактор, шины и кабели.
Шаг 6 — Какую группу соединений использует печной трансформатор и почему вторичная обмотка соединена в треугольник?
Соединения печного трансформатора выбираются по трём причинам: чтобы уменьшить ток, который должна нести каждая обмотка, чтобы заблокировать циркуляцию гармоник, кратных трём, и чтобы оставить дуговой контур без нейтральной точки. Распространённые ответы:
- Вторичная обмотка, соединённая в треугольник. В треугольнике ток обмотки составляет 1/√3 от линейного тока, поэтому линейный ток 60 кА становится примерно 35 кА на обмотку — большое сокращение меди, потерь и усилий прессовки. Треугольник также даёт токам гармоник, кратных трём (3-й, 9-й, 15-й), замкнутый путь, так что они не покидают трансформатор, и это означает отсутствие нейтрального вывода — точкой соединения в звезду контура является сама расплавленная ванна.
- Первичная обмотка, подключённая непосредственно к питающей сети и с ответвлениями на нейтральном конце для обычного диапазона регулирования, или питаемая через регулирующий автотрансформатор для очень широких диапазонов.
- Группа соединений. Печные трансформаторы обычно обозначаются как агрегаты типа Dd0 (треугольник–треугольник). Там, где требуется несколько иная схема для защиты или для подключения к существующей установке — например, первичная обмотка в звезду с доступной нейтралью — вместо неё может использоваться группа соединений типа Ynd; важно то, что группа указана явно и что схема защиты спроектирована вокруг неё. Наше руководство по группам соединений описывает, как символ отображается на соединение и сдвиг фаз, а наше руководство по параллельной работе описывает условия, которые должны быть выполнены, если резервному печному трансформатору когда-либо придётся работать паралле