Электрооборудование электротермических цехов

Общие сведения.

Промышленные электротермические установки применяют для плавки металлов, для нагрева их под термообработку и обработку давлением, для подогрева жидкого металла. Электрические плавильные печи обеспечивают более высокие качества металла: чистоту, жаропрочность, антикоррозийность. Здесь можно использовать защитные атмосферы для защиты металла от окисления, проще управлять режимом плавки или нагрева, быстрее достигается нужный нагрев, отсутствует или незначительное количество дымовых газов, хорошие экологические показатели.

В то же время электротермические установки имеют более высокие капитальные и эксплуатационные затраты. Электропечи незаменимы в тех случаях, когда надо получить специальные качественные (особенно жаропрочные) стали с заданными свойствами в относительно небольших объемах.

По способу преобразования электрической энергии тепловую различают следующие виды электропечей и установок: дуговые печи, печи сопротивления (частный случай – печи электрошлакового переплава), индукционные печи, установки электронного нагрева.

Электротермическая установка состоит из собственно электропечи, в которой электроэнергия преобразуется в тепловую, и электрооборудования. Основное электрооборудование: силовые трансформаторы, преобразователи напряжения, токоподвод, коммутационная аппаратура.

В основе работы электротермических установок лежит тепловое действие электрического тока. Количество тепла, выделяемое током в проводнике определяется выражением:

где I, U, R, t - соответственно сила тока, напряжение, сопротивление проводника и время протекания тока. Термические установки работают при больших мощностях (до сотен тысяч киловатт) при сравнительно низких напряжениях (десятки, сотни вольт). Поэтому токи на вторичной стороне силового печного трансформатора достигают сотен тысяч ампер, а вокруг проводников образуются очень сильные магнитные поля. В некоторых установках используется ток высокой частоты.

Эти особенности определяют существенность некоторых явлений. К их числу относятся вытеснение тока к поверхности проводника и увеличение его омиче­ского сопротивления; неравномерное использование проводника по сечению; перенос мощности между проводниками и фазами и неравномерная загрузка фаз; нагрев металлических конструк­ций; большие механические нагрузки на шины.

Вследствие поверхностного эффекта плотность тока снижа­ется по направлению к центру проводника. Глубиной проникновения тока называется расстояние от поверхности, на котором величина плотности тока в е=2,717 раза меньше, чем на поверхности; она может быть определена численно по формуле:

где р — удельное электрическое сопротивление нагреваемого металла, Ом×см; m - магнитная проницаемость, f – частота тока.

Около 90 % тепла, выделяемого в нагреваемом металле, на­капливается в слое, толщина которого равна глубине проникно­вения.

Вследствие поверхностного эффекта возрастает не только индуктивное, но и активное сопротивление проводника.

Значительное влияние на характер протекания тока оказы­вает также эффект близости, вследствие которого плотность тока неравномерно распределяется по сечению проводника. С увеличением расстояния D между проводниками влияние эф­фекта близости на сопротивление проводника быстро падает и при отношении (D/d)³10, где d — диаметр проводника, им можно пренебречь.

Наличие эффекта близости и поверхностного эффекта учи­тывают при конструировании электротермических установок и токоподводов к ним. Так, например, толщину токонесущих эле­ментов следует принимать с учетом глубины проникновения тока.

Снизить индуктивность токопровода и достичь лучшего токораспределения можно, выбрав наилучшую транспозицию про­водников, например, поместив рядом проводники, несущие токи противоположного направления, т. е. осуществив так называе­мую шихтовку проводников.

При нагреве металла существенно меняются его физические параметры. Например, возрастает удельное сопротивление, а при достижении температуры Кюри (730 – 770 °С) резко падает магнитная проницаемость. Это сказывается на поглощаемой мощности и должно учитываться при регулировании электротермических процессов.