Источники питания.

Питание электролизных установок постоянным током осуществляется от генераторов постоянного тока или полупроводниковых выпрямительных агрегатов, преобразующих переменный ток промышленной частоты в постоянный. Наибольшее распространение получили кремниевые выпрямительные агрегаты, имеющие КПД 97 – 99%.

Преобразовательная подстанция состоит из распределительного устройства переменного тока, силовых трансформаторов с устройством регулирования напряжения, полупроводниковых агрегатов, распределительного устройства постоянного тока и устройств собственных нужд.

Применяемые для питания электрических установок силовые трехфазные трансформаторы могут иметь встроенное устройство переключения под нагрузкой на стороне высшего напряжения и несколько вторичных обмоток. Каждая из вторичных обмоток, число которых зависит от числа фаз выпрямления, питает блок с полупроводниковыми вентилями.

Техническое развитие силовых трансформаторов для электролизных производств направлено на повышение экономичности и уменьшение вредного воздействия на окружающую среду при их эксплуатации. Экономические факторы обусловлены снижением капитальных затрат и потерь энергии. Уменьшение вредного воздействия на окружающую среду достигается применением новых охлаждающих агентов (силиконовое масло) и снижением шума.

В силовых выпрямительных трансформаторах обмотку низшего напряжения выполняют из алюминиевой ленты, ширина которой соответствует длине магнитного сердечника, обмотку высшего напряжения — из алюминиевой ленты или проволоки.

Регулирование напряжения должно обеспечить необходимую глубину и плавность. Наибольшая глубина регулирования необходима при пуске электролизных установок. Необходимая ширина диапазона регулирования достигается за счет переключения сетевой обмотки трансформатора со звезды на треугольник, параллельно-последовательным включением ее секций и т. д. Применяется регулирование с помощью специального регулировочного трансформатора за счет изменения числа витков в обмотках высшего и низшего напряжения, т. е. его коэффициента трансформации. Наиболее рационально расположение этого трансформатора перед силовым. В качестве регулировочного трансформатора часто используется трехфазный автотрансформатор, рассчитанный на проходную мощность, равную номинальной мощности силового трансформатора. Автотрансформатор имеет несколько ступеней грубого регулирования с помощью ПБВ (переключения без возбуждения), внутри которых плавное регулирование напряжения производится с помощью устройства РПН (регулирование под нагрузкой).

Рис. 4.4. Схема силовой части вентильного преобразователя с неуправляемыми вентилями.

Рис. 4.5. Схема выпрямительного тиристорного агрегата

Выпрямительные агрегаты выполняются с неуправляемыми и

управляемыми вентилями. Принципиальная схема силовой части вентильного преобразователя с неуправляемыми вентилями показана на рис. 4.4.. Сетевая обмотка силового трансформатора соединена в треугольник с последовательным и параллельным соединением ее частей посредством переключателя ПБВ. Две вентильные обмотки соединены треугольником, а две — звездой. Трансформатор питает четыре параллельно включенных вентильных блока БВ, выполненных по шестифазной мостовой схеме (схеме

Ларионова).

Уравнивающие дроссели ДрУ₁ и ДрУ₂ предназначены для равномерного распределения токов между выпрямительными блоками, поскольку напряжение соединенных в треугольник обмоток трансформатора на 1% выше напряжения обмоток, соединенных звездой.

Дроссели насыщения ДрН₁—ДрН₄ обеспечивают плавное регулирование напряжения. Каждый комплект состоит из шести однофазных дросселей. Дроссели подбирают по характеристикам индивидуально для каждого агрегата. Принципиальная схема выпрямительного агрегата с управляемыми вентилями (тиристорами) показана на рис. 4.5. Первичные обмотки трех однофазных трансформаторов Tp₁—Тр₃ соединены в звезду с помощью тиристоров, которые служат для плавного регулирования переменного тока. В агрегате применена двухконтурная система регулирования с внутренним токовым контуром и внешним — контуром напряжения. Регулятор тока РТ подключен к входу системы импульсно­фазового управления тиристорами — СИФУ. Неуправляемый анодный выпрямитель В питается от вторичных обмоток трансформаторов Tp₁—Тр₃, соединенных по схеме двойной трехфазной звезды. В нормальном режиме регулятор напряжения РН находится в насыщенном состоянии, а при увеличении напряжения на нагрузке выше заданного уровня корректирует суммарное значение выпрямленного тока.

Преобразовательные агрегаты мощных электролизных установок подсоединяют к серии непосредственно без коммутационной аппаратуры. Установки сравнительно небольшой мощности подключают с использованием автоматических выключателей, являющихся одновременно и защитной аппаратурой агрегата.

Сильноточная коммутационная аппаратура применяется также при подпитке током серий или отдельных электролизеров, шунтировании ванн при гашении анодных вспышек, выводе их в ремонт и т. п.

Быстродействующие автоматические выключатели серии ВАБ и ВАТ используются для оперативных отключений без нагрузок и редких отключений под нагрузкой. Они состоят из унифицированных узлов­блоков, укомплектованы однотипными реле и блоками управления. Выключатели серии ВАТ отличаются от серии ВАБ наличием индукционно­динамического привода. Быстродействие привода обеспечивается тем, что удерживающий магнитный поток вытесняется в параллельный участок магнитной цепи.

Сильноточные коммутаторы постоянного тока в большинстве своем выполнены с жидкометаллическим контактом. В аппаратах с неподвижными электродами коммутация осуществляется движущимся по электродному каналу жидким металлом. В ряде коммутаторов применяются жидкометаллические пасты или угольные щетки.

К электролизным ваннам ток от источников питания электролизного производства подводится по специальным шинопроводам, состоящим из собранных в пакеты отдельных прямоугольных шин. Обычно шинопроводы выполняют из алюминиевых шин, медь применяется только там, где алюминий непригоден вследствие его малой антикоррозионной стойкости.

Сечение шинопроводов определяют, исходя из экономической плотности тока. Для алюминиевых шин при электролизе она составляет 0,3—0,4, для медных 1,0—1,3, для шин из чугуна и стали 0,15—0,2 А/мм². Рассчитанное сечение шинопровода затем проверяют на допустимое значение потерь напряжения в шинопроводе (она должна быть не более 3 %), допустимый нагрев в установившемся режиме (не выше 343 К) и на механическую прочность.

Поскольку рабочие токи электролизных ванн достигают десятков и сотен килоампер, сечение шинопровода также получается большим — до 15 дм². Шинопроводы больших сечений собирают из прямоугольных шин, между которыми для охлаждения оставляются зазоры, равные толщине шин.

Для компенсации удлинения при нагреве на прямолинейных участках шинопровода через 20—25 м монтируются температурные компенсаторы из гибких шин.

Шинопроводы, подводящие электроэнергию от выпрямительной подстанции к электролизному цеху, монтируются на специальных эстакадах. Между отдельными электролизными ваннами внутри цеха шинопроводы прокладывают в специальных шинных каналах, закрытых железобетонными плитами.

Коэффициент мощности преобразовательных агрегатов. Коэффициент мощности агрегатов с неуправляемыми вентилями достаточно высок и зависит лишь от числа фаз выпрямления. Проблема повышения коэффициента мощности возникает при использовании мощных преобразователей с управляемыми вентилями. Компенсация реактивной мощности, генерируемой преобразовательными агрегатами, может производиться следующими методами: применением статических конденсаторов, использованием синхронных машин, применением продольной емкостной компенсации (ПЕК) peактивного сопротивления питающей сети, введением специальных схем с неуправляемыми вентилями (компенсационные выпрямительные агрегаты), а также эксплуатацией специальных схем управляемых вентильных агрегатов.

Оптимальная степень компенсации определяется по обобщенному критериальному показателю—нагрузочному КПД цепи электроснабжения, характеризующему активные потери энергии. Возникающие непроизводительные потери электроэнергии ΔW_э при компенсации реактивной мощности

, (4.7)

где Q_а — потребляемая с шин подстанции реактивная мощность в некомпенсированном режиме, квар; R_a — активное сопротивление цепи от шин подстанции до шин бесконечной мощности системы, Ом; U_а — yапряжение на шинах подстанции, кВ; v — степень компенсации реактивной мощности.

Для преобразовательной подстанции эта формула имеет вид

ΔW_э = S_а cosφ_а sin²φ (2v—v²) (1—η_ц)/η_ц, (4.8)

где S_а — потребляемая с шин подстанции кажущаяся мощность, кВ­А; φ_а — фазный угол сдвига тока и напряжения на шинах подстанции; η_ц — нагрузочный КПД цепи электроснабжения, рассчитанный с учетом активных потерь в токопроводах, трансформаторах и синхронных генераторах, связанных с выработкой реактивной мощности.

При использовании ПЕК нагрузочный КПД системы электроснабжения

η_пек= η_а η_п η_г , (4.9)

а при использовании компенсационных выпрямительных агрегатов

η_к =η_а η_г , (4.10)

где η_а – нагрузочный КПД участка радиальной цепи от шин системы до шин подстанции без учета постоянных потерь; η_п — нагрузочный КПД преобразовательной подстанции без учета постоянных потерь и потерь в вентилях и ошиновке; η_г — нагрузочный КПД генераторов, связанный с выработкой реактивной энергии.

Значение η_г =0,995 можно принять постоянным. Значение η_п находят по величине потерь и перетоков мощности на участках, по которым проходит поток мощности рассматриваемой преобразовательной подстанции.

Экономический эффект Э (руб/год), определяемый степенью компенсации v,

Э = ЗS_a sin² φ_а [cos φ_а (2v — v²) (1 — η_ц)/ηц — v], (4.11)

где 3 — удельные годовые затраты, руб/(кВт-год).

Оптимальная степень компенсации

, (4.12)

где з = 3S_asinφ_av — приведенные затраты в зависимости от степени компенсации, руб/год.

При v_опт<0 компенсация реактивной мощности для данной преобразовательной подстанции неэффективна. Если v_опт>0, то следует продолжить расчет по определению экономической эффективности компенсации реактивной мощности.