بخشی از مقاله
چکیده -
امروزه تولید فولاد در ایران توسط کورههای قوس الکتریکی به سرعت در حال گسترش میباشد. اصول کار کورههای قوس الکتریکی بر اساس گرمای ناشی از تشعشع قوس الکتریکی است که به سبب ماهیت به شدت غیرخطی و تصادفی قوس و فرآیند ذوب، آلودگیهای کیفیت توان را ایجاد میکنند. مشکلات کیفیت توان ناشی از کورههای قوس الکتریکی میتواند اثرات نامطلوبی روی سیستم قدرت و تجهیزات متصل به آن داشته باشد. یکی از مهمترین مشکلات کیفیت توان کورههای قوس الکتریکی که ناشی از فرآیند تصادفی قوس میباشد، فلیکر ولتاژ است.
در این مقاله نفوذ فلیکر در شبکه بالادست با توجه به قدرت اتصال کوتاه سیستم مورد بررسی قرار گرفته و تاثیر راکتور سری در پایداری قوس و کاهش فلیکر نشان داده میشود. سپس بهکارگیری جبرانکننده استاتیکی توان راکتیو SVC به عنوان راهکار اصلی جهت بهبود فلیکر ولتاژ کورههای قوس الکتریکی در نرمافزار DIgSILENT شبیهسازی و بررسی خواهد شد. همچنین در این مقاله روش محاسبه و تخمین فلیکر ناشی از یک کوره قوس ارائه گردیده و سپس همزمانی چند کوره قوس و نحوه ترکیب نمودن اثرات آنها بررسی و با نتایج اندازهگیری مقایسه میشود.
-1 مقدمه
کورههای قوس الکتریکی به سبب رفتار غیرخطی و ت صادفی مشکلات عدیده کیفیت توان نظیر عدم تعادل ولتاژ و جریان، پد یده های کو تاه مدت و گذرای ول تاژ، هارمون یک های ول تاژ و جریان، فلیکر و ضریب توان پایین را ایجاد میکنند.
رفتار تصادفی قوس، سبب تغییرات طول قوس و در نتیجه تغییرات سریع مقاومت قوس، توان اکتیو و راکتیو و ولتاژ شین کورههای قوس الکتریکی میگردد. تغییرات ول تاژ در م حدوده فر کانسی 8-30Hz باعث ایجاد پدیده فلیکر یا چشمک زنی ولتاژ میشود که خ ستگی و آزردگی چ شم را به همراه دارد. فلیکر ایجاد شده ناشی از عملکرد کورههای قوس یکی از مشکلات کیفیت توان آنها است که وابسته به عواملی نظیر طراحی کوره قوس، توان نامی تران سفورمر آن، نوع شارژ کوره، مقدار راکتور سری، سطح ات صال کوتاه سی ستم در نقطه PCC و همچنین راهکار ا ستفاده شده جهت کاهش فلیکر میباشد
یکی از راهکارهای اصلی کاهش فلیکر، استفاده از جبرانکننده استاتیکی توان راکتیو SVC میبا شد که الگوریتم کنترلی آن بهگونهای ا ست که میزان توان راکتیو تزریقی را طوری تنظیم مینماید که میزان توان راکتیو در طرف شبکه ثابت باقی بماند
در این مقاله فلیکر ولتاژ در صورت عملکرد یک یا چند کوره قوس بهطور همزمان شبیهسازی و تخمین زده شده و با نتایج اندازهگیری مقایسه میشود. اندازه گیری در مجتمع فولاد مبارکه که توسط دو خط 400kV تغذیه میشود، انجام شده است. لازم به ذکر است این مجتمع فولاد دارای 8 کوره قوس 200 تنی جهت تولید مذاب میباشد. شکل 1 دیاگرام تکخطی اتصال مجتمع فولاد مبارکه به شبکه را نشان میدهد.
شکل :1 دیاگرام تک خطی اتصال مجتمع فولاد مبارکه به شبکه
مشخصات ات صال کوتاه باسبار 400kV که نقطه ات صال به شبکه مجتمع فولاد مبارکه میباشد در جدول 1 آورده شده است.
جدول :1 مشخصات اتصال کوتاه فولاد مبارکه در نقطه اتصال به شبکه
-2 ناپایداری قوس و فلیکر ولتاژ
شکل 2 مدار تغذیه کوره قوس الکتریکی را نشان میدهد. همانگونه که مشاهده می گردد مسیر تغذیه کوره شامل ترانسفورمر اصلی، راکتور - در صورت وجود - ، ترانسفورمر کوره، کابلهای انعطاف پذیر و الکترودهای قوس میباشد.
شکل :2 مدار تغذیه کوره قوس الکتریکی
جهت محاسبه توان اکتیو و راکتیو کوره قوس لازم است مطابق شکل 3 مدار معادل کوره ترسیم گردد.
شکل :3 مدار تغذیه کوره قوس الکتریکی
در شکل 3، RT و XT مقاومت و راکتانس ترانسفورمر کوره، Rf و Xf مقاومت و راکتانس کابلهای انعطاف پذیر کوره و Rarc مقاومت قوس در نظر گرفته می شوند. لازم به ذکر است مقادیر R'n و X n به عنوان مقاومت و راکتانس تونن شبکه و V'in ولتاژ انتقال یافته در ثانویه ترانسفورمر اصلی میباشند. در اینصورت توان اکتیو و راکتیو کوره مطابق رابطه - 1 - محاسبه میشود.
رابطه - 1 - معادله یک بی ضی در صفحه P-Q را ن شان می دهد و در صورتی که مقدار Xn برابر با صفر در نظر گرفته شود، این معادله تبدیل به معادله یک دایره مطابق شکل 4 خواهد شد که نقطه کار کوره نیز در آن به صورت PMEAN و QMEAN نشان داده شده است. با توجه به اینکه توان راکتیو کوره دارای تغییرات دینامیکی می باشد لذا این تغییرات حول نقطه کار کوره نیز ایجاد می شود که سبب ایجاد فلیکر خواهد شد.
شکل :4 دیاگرام دایره ای و تغییرات توان راکتیو کوره حول نقطه کار
اندازهگیریهایی که بر روی کورههای قوس انجام شده ا ست، رابطه معناداری بین پایداری قوس و مقاومت آن را نشان میدهد. اگر مقاومت قوس بیشتر از مقدار معینی شود، قوس ناپایدار شده و فلیکر افزایش می یابد. شکل 5 مقاومت قوس و شکل 6 توان قوس برحسب زمان را بر اساس نتایج اندازهگیری نشان میدهند.
شکل :5 مقاومت قوس کوره براساس نتایج اندازهگیری
شکل :6 توان قوس کوره براساس نتایج اندازهگیری
در محدوده قوس پایدار، ولتاژ قوس - Varc - تقریباً مستقل از جریان الکترود میباشد که این موضوع در شکل 7 نشان داده شده است. در واقع انحراف ولتاژ ایجاد شده ناشی از نوسان جریان یکسان در محدوده قوس پایدار بسیار کمتر از ناحیه قوس ناپایدار می باشد.
شکل :7 محدوده قوس ناپایدار کوره و افزایش میزان انحراف ولتاژ
بنابراین جهت کاهش نوسانات توان و در نتیجه نوسانات ولتاژ علاوه بر اینکه باید پایداری قوس مد نظر قرار گیرد، باید راهکارهایی در راستای بهبود میزان فلیکر اتخاذ گردد که به بررسی آنها پرداخته خواهد شد.
-3 تخمین فلیکر کوره قوس الکتریکی
برای به دست آوردن تخمین مناسبی از اختلالات ناشی از کورههای قوس لازم است اندازهگیریهای بلندمدت به مدت یک روز تا یک هفته بررسی گردد . شاخصهای فلیکر کوتاهمدت و بلندمدت برای کورههای قوس الکتریکی جبران نشده با تخمین قابل قبولی از روابط - 2 - و - 3 - به دست میآیند.
برای تخمین شاخصهای کوتاهمدت و بلندمدت فلیکر مطابق روابط - 2 - و - 3 - سه پارامتر مورد نیاز میباشد:
:Sccr ▪ قدرت اتصال کوتاه قوس در شرایطی که الکترودهای کوره قوس کاملاً غوطهور باشند.
▪ :SccN قدرت اتصال کوتاه در نقطه اتصال به شبکه.
▪ ضریب :Kst این ضریب به عوامل متعددی نظیر نقطه کار کوره،
سیستم الکترود رگولیشن، شرایط شارژ کوره از قبیل کیفیت قراضه، سایز قراضه و ... وابسته میباشد. این ضریب مطابق نتایج اندازه گیری بین مقادیر 25 تا 85 متغیر است که در یکی از تقسیمبندیهای جدول 2 قرار میگیرد.
جدول :2 مقادیر Kst در شرایط مختلف بارگیری کوره قوس
▪ ضریب :Klt این ضریب نیز همانند ضریب Kst با توجه به فاکتورهای متعددی تغییر میکند و برای به دست آوردن شاخص بلند مدت فلیکر استفاده میشود.
برای تخمین فلیکر ناشی از یکی از کوره های قوس فولاد مبارکه لازم است ابتدا قدرت اتصال کوتاه قوس محاسبه شود. بدین منظور در جدول 3 مقادیر مقاومت و راکتانس مسیر تغذیه کوره در ولتاژ 1104 ولت - ثانویه ترانسفورمر کوره - نشان داده شده است.
جدول :3 مقاومت و راکتانس مدار تغذیه کوره قوس الکتریکی ×راکتانس ×مقاومت
با توجه به مقادیر جدول 3، قدرت اتصال کوتاه قوس مطابق با رابطه - 4 - محاسبه میگردد.
همچنین با توجه به اندازهگیری کوره قوس 200 تنی مجتمع فولاد مبارکه، ضریب Kst برابر 40 بوده که با در نظر گرفتن آن، شاخص Pst برای آن کوره بهصورت رابطه - 5 - محاسبه میشود.
مطابق استاندارد IEC 61000-4 مقدار Pst%99 ممکن است دارای اغراق باشد بنابراین شاخص Pst95% که شبیهسازی نیز این مقدار را نشان می دهد ملاک قرار داده میشود. رابطه شاخص Pst%99 و Pst95% مطابق رابطه - 6 - است که ضریب k باید بسته به مقدار Kst یکی از مقادیر جدول 4 در نظر گرفته شود. با توجه به اینکه ضریب Kst برای این کوره برابر 40 بدست آمده است لذا مقدار ضریب k برابر 1/18 در نظر گرفته میشود.
جدول :4 مقدار ضریب k وابسته به ضریب
Kst -4 تعیین فلیکر کوره قوس الکتریکی با شبیه سازی
یکی از کورههای قوس 200 تنی مجتمع فولاد مبارکه با استفاده از اندازهگیری دقیق توان اکتیو و راکتیو و پارامترهای کیفیت توان آن، توسط نرمافزار DIgSILENT شبیهسازی شده و مقادیرDIgSILENT150 شاخص فلیکر در باسهای مختلف سیستم بررسی میگردد.
با توجه به نوسانات توان اکتیو و راکتیو در شکل 8، نوسانات ولتاژ باس کوره قوس الکتریکی مطابق شکل 9 میباشد.
