автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.10, диссертация на тему:Исследование электромеханических характеристик гибких токопроводов дуговых сталеплавильных печей и разработка технических требований к их конструкциям

НОВОСИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи УДК 621.365.22

Тесля Наталья Борисовна

ИССЛЕДОВАНИЕ ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ГИБКИХ ТОКОПОДВОДОВ ДУГОВЫХ СТАЛЕПЛАВИЛЬНЫХ ПЕЧЕЙ И РАЗРАБОТКА ТЕХНИЧЕСКИХ ТРЕБОВАНИЙ К ИХ КОНСТРУКЦИЯМ

Специальность: 05.09.10 - электротехнология

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Новосибирск 1998

Работа выполнена в Новосибирском государственном техническом университете

Научный руководитель - доктор технических наук, профессор

Чередниченко B.C.

Официальные оппоненты: -

доктор технических наук, профессор Миронов Ю.М. кандидат технических наук Сафонов Б.С.

Ведущее предприятие - ОАО "СКБ Сибэлектротерм"

Защита состоится 1998 г. в часов на заседании

диссертационного совета Д 063.34.09 Новосибирского государственного технического университета по адресу: 630092, г.Новосибирск, пр. К.Маркса, 20.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета

Автореферат разослан " ¿О " Ок*ГЛ%рЛ 1998 г.

Ученый секретарь диссертационного совета канд. техн. наук, доцент ^^^^ ^ А.И. Алиферов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Современная дуговая сталеплавильная электропечь (ДСП) является одним из основных плавильных агрегатов черной металлургии. В последние десятилетия определились тенденции повышения мощности ДСП и изменения их функционального назначения - применять только как плавильный агрегат, а рафинирование металла проводить вне печи. Это обеспечивает рост производительности и других технико-экономических показателей работы агрегата. Например, мощность трансформатора отечественной базовой электропечи емкостью 100 тонн за двадцать лет возросла с 25 MB А до 80 MB А.

Отечественный и зарубежный опыт эксплуатации ДСП выявил ряд проблем, обусловленных повышением удельных мощностей. Одна из них связана с электродинамическими взаимодействиями сильноточных токоподводов в условиях значительных колебаний рабочих токов в начальный период расплавления шихты, когда реализуется максимальная мощность электропечи. При этом режим максимальной мощности является основным и именно для этого режима характерен высокий уровень колебательности электромеханической системы, наиболее подвижным элементом которой является гибкий токоподвод. Электромеханические колебания обуславливают флуктуации электрических параметров ДСП, возникновение аварийных режимов работы, преждевременный износ элементов конструкции, в частности, рукавов кабелей. Наблюдается реальное ограничение верхнего предела удельных мощностей, сдерживающее рост технико-экономических показателей ДСП.

В последнее время первостепенное значение приобретает вопрос обеспечения эффективной экологической защиты в процессе плавки. Экологически неблагоприятные явления при работе ДСП, такие как шум, пыле-газовые выбросы, а также фликкер-эффект, настолько значительны, что необходимость усиления внимания к созданию более благоприятных условий труда обслуживающего персонала не вызывает сомнений. Например, использование высокомощных печей влечет за собой повышение уровня шума до 120-130 Дб при допустимом 90 Дб.

Используемые методы создания конструкций сверхвысокомощных ДСП, традиционный подход к решению экологических задач не принимали во внимание специфику процессов, происходящих в ДСП при плавлении шихты. Незнание причин и механизма развития колебаний в ДСП, существующих взаимосвязей в электромеханической системе пета, их влияния на экологические аспекты работы установки, а также отсутствие наглядного инструмента для оценки уровня электродинамических взаимодействий в электромеханической системе, не позволяли вывести агрегат на необходимые мощности, а значит, и производительности.

Анализу, постановке и решению этих задач посвящена настоящая диссертационная работа.

Работа выполнялась по централизованному госбюджетному финансированию по важнейшим проблемам развития фундаментальных наук.

Целью работы является разработка основных концепций анализа ДСП как-электромеханической системы с внутренними взаимосвязями; исследование причин возбуждения и развития колебаний в дуговой установке; исследование влияния электромеханических колебаний кабельных гирлянд на электрические режимы печи; разработка технических требований к конструкции гибкого токоподвода.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи.

1. Анализ современного состояния проблемы, предлагаемых путей ее решения, имеющихся моделей ДСП как электромеханической системы с внутренними взаимосвязями; анализ кабельных гирлянд как объекта колебаний и моделей, включающих данный элемент; формулировка требований к постановке математического моделирования на новом уровне детализации ДСП как физического объекта.

2. Экспериментальные исследования рабочих режимов высокомощных ДСП, включая определение фактических параметров механической системы и ее поведение при электродинамическом взаимодействии токоподводов; анализ физической природы возмущений в зоне горения мощной печной дуги; исследование электромеханической системы дуговой сталеплавильной электропечи, обладающей способностью к возбуждению электромеханических колебаний; выявление причин возникновения экологически неблагоприятных явлений, связанных с работой ДСП; разработка рекомендаций по снижению колебательности электрического режима и элементов конструкции ДСП, а также взаимосвязанных с ними экологически неблагоприятных явлений.

3. Разработка математической модели электромеханических колебаний гибкого токоподвода ДСП.

4. Исследование динамических свойств кабельных гирлянд, влияния электрических режимов на интенсивность электромеханических колебаний вторичного токоподвода различных типов ДСП, включая обратное влияние кабельных гирлянд на электрические режимы; оценка максимальных отклонений кабелей с учетом низкочастотных возмущений; исследование влияния механических параметров системы, в том числе при использовании клиц, на интенсивность электромеханических колебаний; выбор количества проводников кабельной гирлянды одной фазы с учетом электродинамики гибкого токоподвода; оценка электромеханической устойчивости установки с учетом колебаний кабельных гирлянд.

Научная новизна.

1. Подтверждено, что электромеханические колебания являются неотъемлемым свойством дуговых сталеплавильных печей, обусловленным комплексом сложных взаимосвязей физических явлений в зоне горения мощной печной дуги, автоколебаний систем электрод-электрододержатель, работы системы автоматического регулирования (САР) и электромеханических колебаний кабельных гирлянд с электрическими режимами ДСП.

2. Установлено, что первопричинами повышения колебательности электрического режима ДСП являются физические явления в зоне горения дуги, связанные с поведением электромеханической системы при изменении тока.

3. Исследован механизм возникновения и развития электромеханических колебаний гибкого токоподвода. Показано, что влияние кабельных гирлянд на токи дуг существенно отличается от влияния электрододержателей на электрические режимы. Гибкие кабели пассивно перемещаются при любых изменениях электрического режима с частотами, близкими к собственным, и генерируют низкочастотные составляющие тока за счет изменения индуктивности токоподводов ДСП.

4. Доказано, что броски токов при коротких замыканиях вследствие обвалов шихты, электромеханические колебания гибкого токоподвода и работа САР определяют амплитудную модуляцию токов в диапазоне частот до ] Гц.

5. Показано, что влияние работы САР на колебания электромеханической системы ДСП связано с резонансными явлениями при устранении возмущений электрического режима с частотами, близкими к собственным частотам колебаний электрододержателей.

6. Проведена оценка электромеханической устойчивости ДСП с учетом электромеханических колебаний кабелей.

7. Разработана математическая модель электромеханических колебаний кабельных гирлянд, позволившая установить их частотный диапазон, исследовать взаимовлияние электрических режимов и механических характеристик системы, оценить интенсивность колебаний кабелей при различных режимах работы ДСП.

8. Доказано, что экологически неблагоприятные факторы также являются неотъемлемым свойством дуговой сталеплавильной печи, поскольку предопределены физическими явлениями в печной дуге и комплексом электрических и механических параметров электропечи.

Практическая ценность и реализация результатов работы

1. В ходе исследования доказана необходимость согласования электромеханических параметров конструкции ДСП и условий подготовки твердой

шихты при повышении уровня вводимой мощности; показана целесообразность отдельного рассмотрения электрических режимов при плавлении мелкой и крупной шихты, электродинамика которых существенно различна; предложены пути снижения колебательности электрического режима ДСП и вибраций механической конструкции.

2. Показано наличие в спектре шума ДСП частот, обусловленных электродинамическими процессами в печи и негативно влияющих на здоровье обслуживающего персонала.

3. Предложено характеризовать величиной градиента потенциала дугового промежутка интенсивность экологически неблагоприятных эффектов.

4. Показано, что скрепление кабелей пофазно с помощью клиц приводит к усилению электромеханических колебаний кабельных гирлянд вследствие увеличения их суммарной жесткости; обоснован выбор оптимального количества параллельных проводников в кабельной гирлянде одной фазы с учетом электродинамики гибкого токоподвода.

5. Обоснована конструкция гибкого кабеля с резиновым сердечником, обеспечивающая снижение интенсивности электромеханических колебаний кабельных гирлянд.

6. Создана математическая модель электромеханических колебаний гибких кабелей в дуговых сталеплавильных печах; доказана ее корректность и возможность использования для прогнозирования электромеханических свойств кабельных гирлянд и элекгродуговой системы в целом.

Основные положения, выносимые на защиту.

1. Физические явления в зоне горения печной дуги как первоисточники повышения колебательности электрического режима ДСП, обусловленные поведением электромеханической системы при изменении токов.

2. Комплекс результатов исследований, доказывающий влияние электромеханических колебаний кабельных гирлянд и работы САР на амплитудную модуляцию токов ДСП в диапазоне частот менее 1 Гц.

3. Метод снижения интенсивности вертикальных колебаний электродо-держателей путем расширения зоны нечувствительности регулятора ДСП с целью избежания резонансного раскачивания электромеханической системы.

4. Механизм развития электромеханических колебаний гибкого токоподвода ДСП под действием электродинамических усилий, обусловленный перемещениями кабелей при любых изменениях электрического режима с частотами, близкими к собственным, в результате которых в токи вводятся низкочастотные гармоники за счет изменения индуктивности фаз печи.

5. Метод снижения электромеханических колебаний кабельных гирлянд изменением механических свойств кабелей.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждадись на Международной научно-технической конференции "Проблемы комплексного развития регионов Казахстана" (г.Павлодар, 1996); на Всесоюзной межвузовской научной конференции "Электротехнология: сегодня и завтра" ЭТ-97 (Чебоксары, 1997); на научной конференции "Second Russian-Korean International Symposium on Science and Technology" (Томск, 1998); на научных семинарах кафедры АЭТУ НГТУ.

Публикации. Основные результаты исследований опубликованы в 8 печатных работах и одном отчете по научно-исследовательской работе, зарегистрированном в установленном порядке.

Структура и объем диссертации: работа состоит из введения, пяти глав, заключения, списка использованной литературы из 96 наименований и приложений; содержит 140 страниц текста, 55 рисунков и 8 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, сформулированы цель, задачи и основные направления исследований.

Первая глава посвящена анализу современных тенденций развития элект-ропечесгроения и состоянию проблемы в целом; сделан обзор литературы по состоянию исследований электродинамических явлений в ДСП, проанализированы результаты, полученные различными исследователями этой проблемы, проведена оценка их вклада в развитие теоретических представлений и практического использования дуговых сталеплавильных установок.

Из анализа современного этапа развития отечественного и зарубежного электропечестроения выявлены основные его направления, связанные с обновлением и модернизацией парка дуговых печей, в том числе, и электропечей постоянного тока, созданием комбинированных установок. При этом новый этап развития этой отрасли определяет дальнейшее существенное повышение мощности дуговых печей переменного тока (до 140 МВА).

Проведенный анализ, в основу которого положены научные работы К.М.Хасина, В.С.Чередниченко, Л.П.Елмановой, А.Н.Ведина, А.И.Сапко, Н.В.Коваля, опыт создания и результаты эксплуатации мощных и сверхмощных ДСП в АО "ВНИИЭТО", ОАО "Сибэлектротерм" и на отечественных заводах, привел к выводу, что состояние отечественных ДСП по-прежнему характеризуется низкими показателями работы в связи с вибрациями элементов конструкций, и решение проблемы снижения электромеханических колебаний остается актуальным.

На основе анализа состояния теоретических исследований электромеха-

нических колебаний в ДСП установлено, что в опубликованных ранее работах не рассматривались вопросы кабельных гирлянд. Это не позволило выявить в полной мере причинные связи электромеханических колебаний в трехфазной системе, имеющей в целом статическую неопределенность основной механической составляющей и стохастический характер электрического режима с разбросом рабочих параметров от холостого хода до короткого замыкания. Установлено, что имеющиеся модели не объясняют некоторых явлений, наблюдаемых на промышленных печах, не полностью выявлены вероятные источники повышения уровня колебательности электрического режима ДСП, а также причины возникновения экологически неблагоприятных факторов.

Значительный вклад в рассматриваемой области внесли работы, выполненные на кафедре АЭТУ НГТУ под научным руководством проф. B.C. Чередниченко. Настоящая работа является их продолжением и посвящена исследованию электромеханических колебаний гибкого токоподвода под действием электродинамических усилий. При постановке задач диссертационной работы был проведен анализ различных конструкций кабельных гирлянд как объекта колебаний, определены их характеристики и свойства, связанные с конструктивным исполнением. Из анализа экспериментальных исследований электромеханической системы ДСП были определены цели, а в качестве основных методов исследования электромеханической системы ДСП были выбраны метод математического моделирования и экспериментальные исследования на действующем промышленном оборудовании. Сформулированы требования к модели, которая позволяет: исследовать электромеханические колебания кабельных гирлянд трехфазной ДСП с учетом сверхвысокого диапазона токов и стохастического разброса рабочих параметров; учитывать возмущения электрического режима печи в широком диапазоне частот; исследовать влияние изменения электрических параметров на электродинамическую устойчивость установки при проектировании ДСП.

Во второй главе приведены результаты экспериментальных исследований электромеханической системы ДСП; проанализированы и выявлены возможные физические источники повышения уровня колебательности электрического режима дуговой установки; проведен анализ внутренних взаимосвязей в электромеханической системе ДСП; рассмотрены экологические аспекты работы электропечи.

На основе экспертного анализа действующего парка электроплавильных печей были проведены экспериментальные исследования базовых для отечественной электрометаллургии ДСП емкостью 100 тонн. Для обеспечения достоверности и воспроизводимости результатов исследований эксперименты проводились на печах ДСТТ-100И6 Молдавского металлургического завода и аналогичных печах завода "Амурсталь" (г.Комсомольск-на-Амуре), а также на дуго-

вой сталеплавильной электропечи емкостью 300 кг, установленной в ОАО "СКВ Сибэлектротерм".

При экспериментальных исследованиях получены следующие результаты.

1. Определены частоты и коэффициенты демпфирования свободных колебаний электрододержателей ДСП-100И6 и ДСЛ-0.3 при разных вылетах стойки. Установлено, что ведущие частоты собственных колебаний электрододержателей ДСП-100И6 находятся в интервале 1,5+4 Гц, а ДСЛ-0.3 - 9+12 Гц. В спектре свободных колебаний конструкций промышленных электропечей экспериментально обнаружены частоты в диапазоне до 1 Гц, источник которых был выявлен в последующем при математическом моделировании колебаний кабельных гирлянд.

2. Экспериментально установлено наличие связи между низкочастотной модуляцией токов печи и электромеханическими колебаниями системы элект-род-элекгрододержатель в диапазоне частот 1.5-6 Гц. Выявлена амплитудная модуляция токов в диапазоне частот 0,1-0.8 Гц, а также ее взаимосвязь с колебаниями элементов электромеханической системы. В последующем на основе анализа численных результатов доказано, что одним из источников модуляции токов печи в этом диапазоне частот являются кабельные гирлянды. Кроме того, экспериментально установлено, что САР на отечественных печах также является источником возмущений электрического режима с частотой до 0.5 Гц. Влияние САР на токи дут в этом диапазоне частот обусловлено искусственным увеличением зоны нечувствительности регулятора с целью избежания дополнительного раскачивания электромеханической системы.

3. Установлено, что существует такое значение градиента потенциала дугового промежутка р, названное границей электромеханической неустойчивости, при котором любое малое возмущение приводит к колебаниям электромеханической системы вплоть до разрывов электрической дуги и невозможности эксплуатации электропечи. Для электропечи ДСП-100И6 при 11=12=1з=60 кА такой границей является величина 0=45-103 В/м. При увеличении тока в фазах до 90 кА эта граница определяется величиной 27-103 В/м.

На основе анализа физических процессов в мощной печной дуте установлено, что ни приэлектродные явления, ни изменение условий ионизации и деионизации в столбе дуги, ни перемещения катодного пятна по электроду и шихте, ни "выдувание" дуги потоками паров и газов и под действием электромагнитных сил не могут быть физическими источниками низкочастотных возмущений электрического режима и определяют, в основном, высокочастотные флуктуации токов дуг. Первопричинами низкочастотных изменений уровня колебательности электрического режима ДСП являются физические явления, связанные с поведением электромеханической системы при изменении тока. К таким явлениям прежде всего относятся изменение пространственного располо-

жения дуги вследствие переброса с одного участка шихты на другой (макрошунтирование дуги) в диапазоне частот 2-3.3 Гц и эксплуатационные короткие замыкания при обвалах шихты, частота следования которых составляет 0.070.09 Гц. Эти источники вызывают флуктуации тока и соответствующие изменения электродинамических сил, действующих между токоведущими элементами ДСП с двойной частотой изменения токов, которая попадает как в диапазон собственных частот колебаний электрододержателей (3-6 Гц), так и собственных частот гибкого токоподвода (0.15-0.2 Гц).

В процессе исследований действующих взаимосвязей в электромеханической системе ДСП, включающей в себя как элементы токоподвода, так и элементы механической конструкции, была разработана обобщенная схема (рис. 1), дающая новое представление о причинно-следственных связях возникновения и развития колебаний в ДСП.

Рис. 1. Обобщенная схема ДСП как объекта со взаимосвязанными колебательными контурами

При протекании тока по токоподводу механическая система каждой фазы оказывается под действием внешних электродинамических сил, которым противодействуют внутренние силовые факторы, связанные с жесткостью механической системы. При этом достигается некоторое равновесное напряженно-деформированное состояние. Причинами выхода системы из равновесия являются физические явления, непосредственно определяющие первичные колебания амплитуды токов и изменения электродинамических усилий. С изменением электродинамических сил связано перемещение гибких кабелей, в результате чего изменяются взаимоиндуктивные связи, индуктивное сопротивление короткой сети, а, следовательно, модулируется ток. Несущей конструкцией для установки участка токоподвода из медных трубошин является элекгрододержатель. В результате действия электродинамических сил и изменения деформации всей

10

электромеханической системы, изменяется местоположение рабочего конца электрода, следовательно, длина и электрическое сопротивление дуги, рабочий ток в токоподводе и электродинамические силы, а это приводит опять же к изменению деформации в системе. Очевидное наличие замкнутых контуров с прямыми и обратными внутренними связями приводит к возникновению режима электромеханических колебаний.

Существенное различие механических свойств системы электрододер-жателей и кабельных гирлянд определяет дальнейшее развитие колебательных движений в системах. Динамические характеристики - собственные частоты, формы колебаний, коэффициенты затухания - определяют способность систем электрод-электрододержатель регулировать отбор энергии от источника, что приводит к возникновению автоколебаний. В отличие от этого, кабельные гирлянды, обладая высокими демпфирующими свойствами и большей подвижностью, пассивно отрабатывают изменения электрического режима, но вводят в ток гармонию! за счет изменения индуктивности установки. Многочисленные экспериментальные исследования электрических режимов работы ДСП подтверждают существование регулярных возмущений с частотами 2-10 Гц, обусловленных автоколебаниями системы электрододержателей, и нерегулярных, с частотами до 1 Гц, связанных, в том числе, с перемещениями гибкого токопод-вода. Установленное различное поведение элементов электромеханической системы, способов их влияния на электрические режимы печи позволяет рассматривать кабельные гирлянды отдельно от электрододержателей.

В работе показано, что возможен и резонансный механизм развития колебаний в системах, когда частота возмущений электрического режима близка к собственным частотам элементов электромеханической системы.

Таким образом, колебания электрических параметров и элементов конструкции ДСП под действием электродинамических усилий являются неотъемлемым свойством рассматриваемых электромеханических систем, обусловленным физической природой возмущений в зоне горения печной дуги и механическими свойствами самих систем.

Еще один замкнутый контур связан с работой системы автоматического регулирования электрического режима ДСП. Отрабатывая изменения токов дуг перемещением электрододержателя с электродом, САР изменяет условия горения дуги и, следовательно, ток в ней. Соответствующие изменения электродинамических сил между сильноточными токопроводами способствуют дополнительному раскачиванию электромеханической системы.

Опыт эксплуатации дуговых электропечей, работы K.M. Хасина, А.Н.Ве-дина подтверждают, что использование высокоэффективных быстродействующих САР приводит к усилению вибраций электромеханической системы и нарушению процесса регулирования. На отечественных печах относительная ста-

11

бильность работы достигается значительным расширением зоны нечувствительности регулятора. Это обосновано необходимостью устранения предельных возмущений электрического режима ДСП, вызванных короткими замыканиями, в то время как незначительные возмущения электрического режима, согласно многочисленным статистическим исследованиям, происходят с частотами более 2 Гц. Диапазон 2-6 Гц характеризует собственные частоты электрододержате-лей, совпадение которых с частотами их перемещений под воздействием САР, и приводило к резонансному раскачиванию электромеханической системы. Таким образом, подтверждена необходимость настройки САР путем расширения зоны нечувствительности, исключающая отработку возмущений с собственными частотами колебаний электрододержателя.

С нестабильностью электрического режима ДСП связаны экологически неблагоприятные явления, такие как шум, фликкер-эффект, пыле-газовые выбросы и другие. Определено, что первопричинами их возникновения также являются процессы в мощной печной дуге в режимах плавления шихты. Поскольку в роли основного источника изменения уровня колебательности токов ДСП выступают динамические свойства элементов конструкции, электродинамические явления определяют усиление экологически неблагоприятных факторов. Граница электромеханической неустойчивости может служить одновременно границей экологической совместимости ДСП. Интенсивность экологически неблагоприятных эффектов предлагается характеризовать величиной градиента потенциала р.

Показано, что негативное влияние шума на человека Связано не только с существенным повышением его уровня, достигающим 130 Дб. Наибольшая опасность заключается в механическом воздействии звуковых вибраций, способных нарушать структуру тканей живого организма. Известно, что если период колебаний внешнего воздействия близок к частоте собственных колебаний живого органа (резонанс), то возможны остановка кровообращения, безумие, слепота. При этом наиболее опасны инфразвуковые колебания (до 17'Гц). Проведенный анализ выявил, что диапазоны частот колебаний элементов конструкции ДСП и звуковые вибрации, создаваемые ДСП, лежат в области частот собственных колебаний органов человека (3-11 Гц). Это указывает на необходимость поиска путей снижения вредных воздействий, сопровождающих работу электродуговых установок.

На основе анализа традиционных решений экологических задач обоснована необходимость нового подхода к исследуемой проблеме, основанного на представлении о действующих в ДСП взаимосвязях. Установлено, что экологически неблагоприятные факторы также являются неотъемлемым свойством дуговых сталеплавильных печей, предопределенным, ставшей уже классической, трехфазной схемой электропитания током промышленной частоты и конст-

руктивным исполнением электромеханической системы ввода, преобразования и регулирования энергии в ДСП. Предложены пути снижения уровня вибраций электромеханической системы, следовательно, колебательности электрического режима, являющихся, в частности, ключом для оптимизации экологических последствий работы печи: изменение механических характеристик электродо-держателя путем увеличения жесткости стойки и повышения его демпфирующих свойств; устранение возмущений электрического режима в области частот 2-4 Гц за счет применения более мелкой шихты; использование подпружинивающих роликов, повышающих интегральную жесткость системы.

Третья глава посвящена разработке математической модели электромеханических колебаний кабельных гирлянд ДСП.

Трехфазная система гибких кабелей представлена на рис. 2. Для исследования межфазных взаимодействий кабельных гирлянд трехфазной ДСП, полагалось, что каждая фаза состоит из одного проводника. В последующем рассмотрены варианты выполнения гибкой части из нескольких кабелей на фазу.

В общем случае конструкция ДСП описывается системой дифференциальных уравнений напряженно-деформированного состояния механической системы с бесконечным числом степеней свободы и бесконечным рядом форм колебаний. Прямое решение такой системы уравнений трудоемко. Опыт эксплуатации ДСП показывает, что при колебаниях гибких кабелей преобладающее значение имеют деформации, соответствующие изгибу в плоскости ХОУ. Поэтому расчет такой системы выполнялся

как расчет системы с одной степенью свободы. При этом все действующие на систему силы и массы приводились к нижней точке петли кабеля. Принималось, что кабель находится в плоскости, его форма не меняется во время работы печи, а местоположение определяется углом отклонения плоскости кабеля а от положения статического равновесия.

Для определения векторов индукции и электродинамических сил, действующих на кабельные гирлянды, проводники трех фаз были представлены в виде некоторого количества т прямолинейных участков с11, а каждый участок -в виде вектора с началом в точке М] с координатами (хь у), '¿\) и концом в точке М2 с координатами (хг, у2, 7л). Для описания положений участков кабельных проводников использовалось параметрическое уравнение прямой. При этом учитывалось, что в любой точке XV с координатами (х',у';г') наводится индукция В от любого участка кабельных гирлянд, которая определялась с помощью

Рис.2. Модель кабельных гирлянд трехфазной ДСП.

закона Био-Савара-Лаштаса:

1=1

\а х ?]

I, 4 л

■а,

(1)

где ; - номер фазы; /,■ - длина кабеля /-той фазы; ц = 4-я-10"7 Гн/м - магнитная постоянная; / - фазный ток, А; <й - вектор, определяющий положение проводника; г - единичный вектор, соответствующий расстоянию от элементарного проводника Л до рассматриваемой точки ДУ.

С помощью стандартных приемов работы с векторами было получено выражение для модуля магнитной индукции:

в =

4л к~

*4-

*2 .А-2 кг 2 к2

4**1 ^¡+к3+к4 ( к2 1 к 4 4к2 \ К2 / /

(2)

где геометрические коэффициенты к1, к2, кз, к4 полностью определены координатами точек Мь Мг и W. Направление вектора индукции В определяется векторным произведением между радиус-вектором г и вектором отрезка проводника (¡1.

Усилие динамического воздействия на элементарный отрезок кабеля сИ определялось выражением:

-> -> Вх<Я

(3)

Согласно принципу Даламбера, при динамических расчетах формально рассматривалось равновесие тела под действием всех внутренних и внешних сил, включая силы инерции и силы демпфирования. При этом считалось, что силы вязкого трения, за счет которых происходит демпфирование, пропорциональны скорости перемещения нижней точки кабеля с1х/Л, а силы инерции пропорциональны ускорению ее перемещения <£х/Ж2. Перемещение кабельной гирлянды х по горизонтали от положения статического равновесия определялось как х-1-Б1па, где / -длина кабеля; а - угол отклонения кабеля от статического равновесия. Синтез этих положений позволил получить динамическую модель системы:

М-1^+0-1— + К-1-Ята + М-е-Хта = Р,(1,сс), (4) Л2 Л

где М - приведенная масса кабеля; О - коэффициент сопротивления, характеризующий вязкое трение в кабеле; К - жесткость кабеля; ,РЭ - внешняя (электродинамическая) сила.

Конструкция кабельного проводника является сложным объектом для определения его механических свойств, т.к. состоит из материалов с различными свойствами (медь, сталь, резина, вода). Поскольку опорой всех компонент кабельного проводника является стальная пружина, считалось, что она определяет жесткость кабеля. Диссипативные силы рассматриваемой системы, в отличие от электрододержателей, обусловлены трением между слоями в кабелях, которое существенно превосходит внутреннее трение в материалах.

Используя современные результаты управления дуговой сталеплавильной печью с использованием нейронной сети, при котором измерение значений тока осуществляется с частотой 3 кГц с последующим усреднением в течение 1 сек., электрические режимы работы ДСП описаны с помощью уравнения нормального распределения тока, позволяющего учитывать броски тока от короткого замыкания до холостого хода:

1(<т) = ка-Гт,-[(*-1)3+1], (5)

где кК1 - кратность тока короткого замыкания; 1шм - номинальный ток электропечи; а - случайная величина, принимающая значения от 0, что соответствует обрыву дуги, до 1, что моделирует замыкание электродов с шихтой.

Принималось, что в трехфазной системе кабельных гирлянд протекают псевдопостоянные токи. При этом термин "псевдопостоянный" предлагается для обозначения тока, который несет в себе свойства постоянного и переменного тока. Это означает, что в кабелях протекают токи одного направления, однако все фазы отталкиваются друг от друга, как если бы по ним протекал переменный ток. При этом замена переменного тока на псевдопостоянный не изменяет его действующего значения. Моделирование возмущений электрического режима осуществлялось в диапазоне частот от 1 до 10 Гц.

Таким образом, совокупность уравнений (1) - (5) составляет математическую модель электромеханических колебаний в ДСП, которая позволяет: исследовать влияние электромеханических колебаний кабельных гирлянд на электрические режимы установки, а также влияние механических характеристик гибких кабелей на интенсивность их перемещений.

В четвертой главе приведены результаты моделирования электромеханических колебаний кабельных гирлянд ДСП. Для сравнения модельных представлений с реально наблюдаемыми явлениями в промышленных конструкциях объектами исследования выбраны дуговые сталеплавильные электропечи ДСП-100И6, ДСП-100И7, ДСП-50ИЗ. В качестве исходных данных использовались геометрические размеры гибкого токоподвода по чертежам электропечей; механические параметры кабеля с пружинным сердечником типа КСВ ДСП 4000 Бердянского завода "Азовкабель"; электрические параметры установок.

Численные эксперименты показали, что собственные частоты колебаний

кабелей находятся в диапазоне 0.17-0.25 Гц. Установлено, что изменение точки подвеса кабелей со стороны печи в связи с перемещением стойки электродо-держателя в процессе плавки, практически не влияет на собственную частоту колебаний кабелей.

Характерные графики электромеханических колебаний в виде изменения углов отклонения кабельных гирлянд трех фаз во времени приведены на рис.3. Гармонический анализ колебаний с помощью преобразования Фурье показал, что кабельные гирлянды совершают электромеханические колебания с частотами, близкими к собственным. Отклонения кабелей от проектного расположения под действием электродинамических усилий приводят к изменению взаимоиндуктивных связей между токоведущими элементами и появлению переменной составляющей реактивного сопротивления ДСП, что обуславливает флуктуации токов дуг с частотами электромеханических колебаний кабельных гирлянд. Таким образом, доказано, что гармоники с частотами до 1 Гц, присутствующие в экспериментально полученных на электропечи ДСП-100И6 регистрограммах токов, связаны, помимо САР, с колебаниями гибкого токоподвода.

Известно, что максимальная амплитуда вынужденных колебаний системы достигается при резонансе, когда частота возмущающей силы приближается к частоте свободных колебаний системы. Возмущающие электродинамические силы, определяемые амплитудной модуляцией токов из-за обвалов шихты, воздействуют на электромеханическую систему в диапазоне частот 0.2-0.3 Гц, который характеризует собственные частоты кабелей. Следовательно, возможен резонанс, при котором величины углов отклонения проводников от положения равновесия могут достигать, как показали численные эксперименты, 1 радиан.

С помощью математической модели показана нецелесообразность применения клиц для жесткого закрепления кабелей. Увеличение суммарной жесткости кабельных гирлянд способствует повышению интенсивности их электромеханических колебаний под действием электродинамических сил между токами разных фаз. Причиной быстрого выхода кабелей из строя при этом является увеличение механических нагрузок из-за переменного растяжения-сжатия на скрепленные кпицами проводники. Показано также, что выбор числа проводников кабельной гирлянды одной фазы должен проводиться с учетом электродинамического поведения гибкого токоподвода. Определено, что использование четырех проводников в кабельной гирлянде одной фазы является оптимальным вариантом. При шести и более кабелей на фазу особенно проявляется перераспределение тока. Установка одного-двух кабелей существующих конструкций, помимо увеличения потерь, связанных с ростом плотности тока, способствует усилению раскачиваний гибкого токоподвода из-за большей жесткости массивных проводников.

а)

36 1,.сек

Предложена конструкция кабеля, сердечник которого вместо 0 стальной пружины выполнен из резины, аналогично техническим решениям, реализованным фирмой ЕМСО (Франция). Такое конструктивное решение определяет малую жесткость кабеля и, соответственно, лучшие электромеханические свойства при колебаниях гибкого токо-подвода.

Колебания кабельных гирлянд «

рад

под действием переменных электро- 0 )4 динамических сил, способствующие выходу кабелей из строя, обусловлены целым комплексом причин и взаимосвязей, что значительно затрудняет их снижение в источнике возникновения. Для предотвращения быстрого износа кабелей предложено использовать резиновые бамперы (бандажи), защищающие рукава кабелей от ударов и трения, аналогично техническим решениям, используемым фирмой ЕШСО.

Пятая глава посвящена исследованию взаимовлияния электромеханических колебаний кабельных гирлянд и электрических режимов Рис 3 Электромеханические колебания ДСП. С этой целью в математичес- трехфазной системы кабельных гирдянд для кую модель включена система урав- электропечей: а) ДСП -100И6; б) ДСП-100И7; некий, описывающих электрические Б) ДСП-50ИЗ.

режимы работы печи для симметричной трехфазной схемы замещения с использованием дифференциальных уравнений для проводимостей дуг. Учитывалось, что основная переменная составляющая реактивного сопротивления электропечи обусловлена колебаниями гибкого токоподвода.

С учетом изменения индуктивностей фаз при колебаниях гибкого токоподвода и мгновенных значений токов получены мгновенные значения актив-

б)'

рад

А

12 в)

24 Ь, сек

ной мощности фаз. При принятой постановке исследований анализ колебаний мощностей с помощью дискретного преобразования Фурье не выявил выраженного влияния электромеханических колебаний кабелей на перенос мощности по фазам ДСП. Для исследования данного вопроса в математическое представление электрических режимов должны быть введены дополнительные уравнения, учитывающие существующие процессы переноса мощности по фазам.

С помощью результатов моделирования проведена оценка электромеханической устойчивоста электропечи ДСП-100И6. Электромеханические колебания ДСП могут вводить электропечь в неустойчивый режим, при котором амплитуда изменений тока достигает величины его действующего значения, что обеспечивает прерывание электрической дуги и последующий скачок тока до номинального. Определено, что изменение амплитуды токов печи за счет колебаний гибкого токоподвода при значениях градиента потенциала дугового промежутка, близких к максимальным реально возможным (20-Ю3 В/м), не превышает 85 % от номинального значения тока. Следовательно, колебания кабельных гирлянд не вводят печь в режим электромеханической неустойчивости, что подтверждает преобладающий вклад автоколебаний электрододержателей в повышение нестабильности электрического режима ДСП.

Установленная степень влияния гибкого токоподвода на токи дуг доказывает возможность настройки САР на диапазон частот менее 1 Гц, связанную с необходимостью устранения предельных возмущений электрического режима ДСП. Совпадение собственных частот колебаний кабелей с частотой изменений электрического режима под действием регулятора, не приводит к режиму электромеханической неустойчивости печи, что подтверждается на практике.

Основные выводы по работе

1. С помощью анализа физической природы возмущений электрического режима ДСП установлено, что первоисточниками изменения уровня колебательности токов печи являются физические явления при плавлении шихты, связанные с поведением электромеханической системы при изменении тока. При этом между токоведущими элементами печи действуют возмущающие электродинамические силы с частотами, соответствующими двойной частоте изменений тока вследствие явлений макрошунтирования дуги и обвалов шихты, которые попадают в диапазон собственных частот элементов конструкции ДСП.

2. Установлен принципиально различный характер влияния вибраций систем электр од- эле ктро до держатель и колебаний кабельных гирлянд на электрические режимы ДСП. В отличие от вибраций электрододержателей кабельные гирлянды не могут оказывать непосредственное механическое воздействие на дугу. Перемещаясь под действием переменных электродинамических усилий, кабели изменяют свое взаимное расположение, а, следовательно, взаи-

моиндуктивные связи, реактивное сопротивление установки и вводят в ток низкочастотные составляющие. При этом основные частоты электромеханических колебаний кабельных гирлянд близки к их собственным частотам. Определен также диапазон собственных частот колебаний гибкого токоподвода, который составляет 0.17-0.25 Гц. Доказано, что выявленная экспериментально на действующей печи ДСП-100И6 амплитудная модуляция токов с частотами до 1 Гц обусловлена, в том числе, электромеханическими колебаниями гибких кабелей. Но, в отличие от электрододержателей, гибкий токоподвод, благодаря высоким диссипативным свойствам, не размножает колебания электрических параметров, пассивно отрабатывая любые изменения электрического режима.

3. Экспериментально доказано, что САР на действующих печах является одним из источников амплитудной модуляции токов с частотами до 1 Гц. Подтверждено, что использование быстродействующих регуляторов обуславливает возникновение резонансных вертикальных колебаний электромеханической системы, которые существенно повышают нестабильность электрического режима печи. Обоснована необходимость настройки цараметров САР путем увеличения зоны нечувствительности, чтобы исключить совпадения с собственными частотами колебаний электрододержателя, которые находятся в диапазоне 2-6 Гц. При этом влияние регулятора на электрические режимы ДСП в диапазоне частот до 1 Гц не приводит к невозможности эксплуатации печи, что подтверждается на практике.

4. Разработана математическая модель электромеханических колебаний кабельных гирлянд, основанная на новом представлении о причинах и механизме их возникновения, взаимосвязи с колебаниями электрических параметров в ДСП. С помощью модели исследовано влияние электрических режимов на уровень электромеханических колебаний кабельных гирлянд различной пространственной конфигурации, а также механических характеристик кабелей на интенсивность колебаний.

5. Установлено, что увеличение суммарной жесткости кабелышх гирлянд, пофазно скрепленных клицами, обуславливает резкое усиление электромеханических колебаний, что способствует быстрому износу кабелей. Для снижения колебаний гибкого токоподвода под действием электродинамических сил предложена конструкция кабеля с меньшей жесткостью за счет замены стальной пружины сердечником из специальной резины. Рекомендовано также использовать резиновые бамперы, защищающие рукава кабелей от ударов и трения. С учетом электромеханических свойств гибкого токоподвода предложено использовать четыре параллельных проводника на фазу печи.

6. Доказано, что экологически неблагоприятные эффекты являются неотъемлемым свойством дуговых сталеплавильных печей, т.к. причинами их возникновения служат процессы в мощной печной дуге и автоколебания электромеха-

нической системы, которые являются источником регулярных низкочастотных возмущений электрического режима печи. Интенсивность экологических факторов предложено характеризовать величиной градиента потенциала дуги р.

Показано, что наряду с существенным повышением уровня шума высокомощных электропечей большая опасность заключается в механическом воздействии низкочастотных звуковых вибраций на органы человека вследствие резонанса.

Предложены меры по оптимизации негативных воздействий работы ДСП через снижение колебаний электрического режима и электромеханической системы ДСП путем изменения механических параметров электрододержателя (увеличение жесткости стойки и повышение демпфирующих свойств) и кабелей; устранения резонирующих частот первичных возмущений электрического режима за счет применения более мелкой шихты; использования подпружинивающих роликов; настройки параметров САР.

7. Режимы электромеханической неустойчивости при определенных параметрах ДСП определяются колебаниями электромеханической системы, при которых амплитуда изменений тока достигает номинального значения. Установлено, что колебания кабельных гирлянд определяют изменения амплитуды токов печи, величина которой достигает 85 % от номинального значения тока, что подтверждает определяющий вклад автоколебаний электрододержателей в повышение колебательности электрического режима.

Основные положения диссертации изложены в работах:

1. Анисимов И.В., Маховикова Н.Б. Моделирование электромеханических колебаний кабельной гирлянды дуговой сталеплавильной печи // Проблемы комплексного развития регионов Казахстана. Часть 2. Электроэнергетика и теплоэнергетика, Павлодар, 5-7 декабря 1996 г. - Алматы, КазгосИНТИ, 1996. -С.36 - 40.

2. Ведин А.Н., Маховикова Н.Б., Анисимов И.В. Исследование электродинамических свойств кабельной гирлянды дуговой сталеплавильной печи//Сбор-ник научных трудов - Новосибирск: Изд-во НГТУ, 1996. - Вып. 3(5). - С. 43-48.

3. Электродинамика сильноточных (до 100000 Ампер) статически неопределимых электромеханических систем: Отчет / НГТУ; Руководитель Чередниченко B.C. - № ГР - 01.9.70 000007. - Новосибирск, 1997.

4. Ведин А.Н., Елманова Л.П., Маховикова Н.Б. Экологические аспекты работы дуговых сталеплавильных электропечей II Экологически перспективные системы и технологии: Сб. научн.тр. / НГТУ, Новосибирск, 1997. - Вып. 1. -С. 103-107.

5. Ведин А.Н., Маховикова Н.Б., Анисимов И.В. Электродинамика гибких кабелей вторичного токоподвода ДСП // Сб. тезисов докладов науч. конферен-

ции ЭТ-97 - Чебоксары, 1997. - С.58.

6. Ведин Л.Н., Тесля Н.Б., Бикеев Р.А. Физическая природа возмущений электрического режима дуговой электропечи // Экологически перспективные системы и технологии: Сб. научн.тр. / НГТУ, Новосибирск, 1998. - Вып.2. -С. 86-90.

7. Ведин А.Н., Суворов П.Н., Тесля Н.Б. Влияние работы дуговой сталеплавильной печи на жизнедеятельность обслуживающего персонала // Экологически перспективные системы и технологии: Сб. научн.тр./НГТУ, Новосибирск, 1998.-Вьш.2,-С. 91-96.

8. Тесля Н.Б. Влияние электродинамики гибких кабелей на экологическую обстановку работы ДСП // Экологически перспективные системы и технологии: Сб. научн.тр. / НГТУ, Новосибирск, 1998. - Вып.2. - С.96-99.

9. Teslya N.B., Vedin A.N., Anisimov I. V. The flexible cables as the reason of oscillation electrical parameters of an electric arc furnace: Abstracts "Second Russian-Korean International Symposium on Science and Technology"/ Tomsk polytech. university. - Tomsk, 1998. - C.85.

Наталья Борисовна Тесля

Исследование электромеханических характеристик гибких токоподводов дуговых сталеплавильных печей и разработка технических требований к их конструкт

Подписано к печати 25.10.98. Формат бумаги 60 х 84 1/16. Бумага офсетная. Тираж 100 экз. Уч.-изд.л. 1,0. Печ.л. 1,0. Заказ №

Отпечатано в типографии Новосибирского государственного технического университета 630092, г. Новосибирск, пр. К.Маркса, 20.