4.4. Схемы печных и нетиповых подстанций

Индивидуальность крупных электроприемников (потребителей) вызывает необходимость разработки оригинальных схем электроснабжения и подстанций 5УР, 4УР. Отметим, что это проблема практически отсутствует для мини- и мелких предприятий, электроснабжение кото­рых осуществляется на напряжении ниже 1 кВ.

Схемы ГПП и РП, отличающиеся от подстанций, питающих спокой­ную нагрузку, можно разделить на схемы, предназначенные для элект­роснабжения дуговых сталеплавильных печей, потребителей с резко-переменной нагрузкой отдельного электроприемника (группы) с боль­шой единичной мощностью (по условиям пуска, например, определяю­щего трансформатор и присоединение), потребителей с особыми требо­ваниями по преобразованию тока (электролиз, сварка), качеству элект­роэнергии и надежности в различных технологических, ремонтных и аварийных режимах. Ключевым моментом в разработке таких схем является обеспечение качества электроэнергии (гл. 10) и компенсация реактивной мощности (гл. 11).

Нелинейные нагрузки (вентильные преобразователи, дуговые пе­чи и др.) работают, как правило, с низким коэффициентом мощности (0,4—0,8), поэтому необходима компенсация реактивной мощности. Колебания нагрузки дуговых сталеплавильных печей, особенно коле­бания реактивной мощности, вызывают значительные колебания напря­жения в питающей сети, которые тем больше, чем больше мощность печного трансформатора и меньше мощность КЗ в точке присоединения дуговой печи. Особенно большие колебания нагрузки печи и наиболь­шие снижения напряжения происходят при эксплуатационных КЗ, например при погружении электродов в расплавленный металл. Значения колебаний тока при этом могут достигать 1,5— 2 I_ном дуговой стале­плавильной печи для большой емкости и 2,5—3,5 I_ном, для печей средней и малой емкости, что имеет важное значение для определения мощ­ности сетевых трансформаторов и согласований схем с энергосистемой.

В отличие от дуговых сталеплавильных печей колебания нагрузки прокатных станов могут рассматриваться как строго цикличные. Зна­чения средней, эффективной и пиковой активной и реактивной на­грузок определяются мощностью прокатных станов и их отдельных клетей. Периодичность (цикл) работы определяется технологически­ми параметрами, в основном размерами заготовки и размерами конеч­ной продукции.

Фронт наброса реактивной мощности Q / t для различных станов различен и соответствует приближенно следующим величинам: для

блюмингов и слябингов — до 200, для непрерывных станов горячего проката - до 400, для станов холодного проката - до 2000 Мвар/с. Эти значения играют определяющую роль при выборе компенсирующих устройств по их быстродействию. Скорости набросов активной мощ­ности несколько меньше, чем скорости набросов реактивной мощности. Расчетная реактивная нагрузка в сетях 6—10 кВ промышленных пред­приятий Q_n слагается из расчетной нагрузки приемников 6—10 кBQ_рп; нескомпенсированной нагрузки сети до 1 кВ, питаемой через трансфор­маторы цехов Q_Т; потерь реактивной мощности Q в сети 6-10 кВ, особенно в трансформаторах и реакторах:

Зарядная мощность Q_зар линий распределительной сети в часы мак­симума нагрузки приближенно равна потерям Q_л в индуктивности линий, и поэтому Q_зар и Q_л взаимно исключаются. Расчет оптималь­ной мощности конденсаторов производится для режима наибольших нагрузок.

При выборе конденсаторов, сделав допущение о незначительной длине линий на предприятии, можно представить все предприятие как узел сети 6-10 кВ, к которому подключены реактивная нагрузка Q. В общем случае называют пять типов источников реактивной мощно­сти: синхронные двигатели 6-10 кВ (Q_СД), синхронные компенсаторы (Q_СК), синхронные генераторы ТЭЦ (Q_тэц), энергосистема (Q_э1 ), батареи высокого напряжения (Q_БК).

Баланс реактивной мощности в узле 6-10 кВ промышленного пред­приятия в общем случае будет выражаться следующим соотношением:

Входная реактивность мощности Q_Э1 задается энергосистемой как экономически оптимальная реактивная мощность, которая может быть передана предприятию в период наибольшей нагрузки энергосистемы. Выражение (4.12) обязательно для 6УР при подключении к энергоси­стеме.

При электроснабжении производства (цеха) с нелинейной нагрузкой вопросы обеспечения качества электроэнергии и компенсации реактив­ной мощности решаются локально на шинах подстанции 5УР (4УР), где рассчитывается реактивная нагрузка (4.11) и определяется необ­ходимость установки фильтров. Это делает схему и компоновку под­станций нетиповой, а сам процесс принятия технического решения творческим. На рис. 4.6 показана обобщенная однолинейная схема подстанции, питающей вентильную нагрузку, с параллельно установ­ленными на шинах подстанции силовыми фильтрами 5-й гармоники.

Для систем электроснабжения дуговых сталеплавильных печей ДСП рекомендуется следующее:

печные трансформаторы должны оснащаться переключающимися устройствами, работающими под нагрузкой и имеющими большой механический и коммутационный ресурс;

оперативные и оперативно-защитные выключатели должны иметь необходимый ресурс работы (не менее 20 тыс. операций);

оперативные выключатели должны взаимно резервироваться, при установке их на печной подстанции должно предусматриваться индиви­дуальное резервирование, при установке на ПГВ, как правило, - груп­повое;

сетевые трансформаторы должны выбираться с учетом динамиче­ского характера электрической нагрузки ДСП;

с целью снижения мощности силовых трансформаторов и повышения устойчивости работы ДСП должна по возможности предусматриваться их параллельная работа;

сетевые трансформаторы ДСП, как правило, должны подключаться к питающей сети в точках с наибольшим значением мощности КЗ с целью снижения влияния ДСП на питающую сеть.

Для установки ДСП в необходимых случаях должны предусматри­ваться установки компенсации реактивной мощности, совмещающие в себе функции по улучшению качества электроэнергии в питающей сети: тип, мощность и состав компенсирующего устройства должны выбираться с учетом параметров системы электроснабжения на основа­нии технико-экономического сравнения схем электроснабжения и спо­собов компенсации реактивной мощности. Подстанции, питающие уста­новки ДСП, должны размещаться, как правило, в непосредственной близости от печей.

При разработке схемы мощные электроприемники с ударным харак­тером нагрузки не должны вызывать недопустимой перегрузки пи­тающих трансформаторов как по нагреву, так и по условиям динами-

ческих воздействий ударных нагрузок. Целесообразно подключение электроприемников с усложненными режимами работы в точках си­стемы электроснабжения с наибольшим значением мощности КЗ.

Применение средств ограничения токов КЗ в сетях с такими на­грузками следует производить только в пределах необходимости для обеспечения надежной работы коммутационных аппаратов и электро­оборудования, не создавая больших запасов отключающей способности, термической и динамической стойкости аппаратов.

Мощность ДСП, сварки, прокатных станов с питанием через преобразовательные агрегаты растет в узле быстрее, чем мощность других потребителей. Поэтому ограничение влияния специфических нагрузок повышением КЗ недостаточно.

Для предварительной оценки допустимости подключения ДСП к питающей сети без принятия специальных мер рекомендуется принимать следующее значение мощности КЗ:

где S_{п т} - мощность печного трансформатора (выбирается не электрика­ми). Для печей с удельной мощностью 450—800 кВ • А/т мощность КЗ может быть принята равной 70S_П.Т.

Мощность сетевого трансформатора для питания группы из п ДСП одинаковой мощности

где S_С.Т — мощность сетевого трансформатора, определенная для оди­ночной ДСП.

Более широкие возможности применения схем электроснабжения, повышающих качество электроэнергии в системах электроснабжения промпредприятий, создаются путем рационального секционирования. К секционированным схемам относятся (рис. 4.7—4.9):

отдельные глубокие вводы для резкопеременной и несинусоидальной нагрузок. Например, на отдельные секции главной понижающей под­станции выделяются вентильные приводы, а спокойная нагрузка под­ключается на другие секции ГПП;

схемы главных понижающих подстанций на напряжении 6—10 кВ с трансформаторами с расщепленными вторичными обмотками или сдвоенными реакторами с четырьмя или большим количеством секций для раздельного питания спокойных, например групп синхронных дви­гателей насосов, и сгруппированных специфических нагрузок.

Главные трансформаторы ГПП могут включаться временно на па­раллельную работу включением секционного выключателя на стороне 6—10 кВ, когда это допустимо по токам КЗ и необходимо, например в период пуска крупных электродвигателей.

Наиболее широкое применение, а особенно для предприятий сред­ней мощности, находят схемы с расщепленными обмотками трансфор­маторов ГПП (рис. 4.9) или со сдвоенными реакторами (рис. 4.10).

В сдвоенном реакторе падение напряжения в каждой секции обмотки составляет U  I_обм x_l • 0,5, где I₁ = I₂ = I_обм - токи в секциях об­мотки реактора; х_L — индуктивное сопротивление обмотки реактора; К_М = M/L  0,5 — коэффициент взаимоиндукции между секциями об­мотки сдвоенного реактора.

Как видно из формулы, колебания напряжения на секциях со спо­койной нагрузкой под влиянием колебаний на этой секции от резко-переменной нагрузки будут меньше, чем при объединении их на одну секцию шин.

При строительстве крупных электросталеплавильных цехов (про­изводств) начинают сооружать отдельные печные подстанции, на ко­торых устанавливаются отдельные сетевые трансформаторы и сборные шины (рис. 4.11). Это позволяет сохранять питание ДСП при различ-

ных аварийных и ремонтных режимах работы сетевых трансформа­торов.

Рисунок 4.11 иллюстрирует: соотношение мощности сетевых и печ­ных трансформаторов; схему подключения оперативных выключателей и выключателей, осуществляющих защиту; сечение кабельной пере­мычки и другие элементы, изображенные в рабочих чертежах (рабочей документации) и отсутствующие при разработке собственно схемы для получения технических условий или для ТЭО (проекта).