Plynule regulovaný kompenzační filtr o výkonu 40 Mvar a napětí 22 kV

Plynule regulovaný kompenzační filtr o výkonu 40 Mvar a napětí 22 kV

Článek popisuje zkušenosti při návrhu, realizaci a uvedení do provozu plynule regulovaného kompenzačního filtru pro širokopásovou válcovnu. Plynule regulovaný kompenzační filtr se skládá z členu TCR (tyristorově regulované kompenzační tlumivky) o výkonu 40 Mvar, z tyristorového spínače s přímým připojením na napětí 22 kV (chlazeným vodou) a ze sady filtrů pro 3., 5., 7. a 11. harmonickou, s celkovým kompenzačním výkonem 40 Mvar.

1. Úvod
Teplá širokopásová válcovna je součástí komplexu tzv. minihutě. Technologicky se tato válcovna skládá z pece na ohřev „bram“ (vstupní materiál pro válcovací trať), vlastní válcovací tratě a pomocných provozů (vodní hospodářství, kompresorovna vzduchu, sklady, dílny údržby apod.). Vlastní válcovací trať tvoří dvě vratné stolice horizontálních válců s dvěma pecními navíječkami (systém Steckel), dvě stolice vertikálních válců, dopravníkové sekce a nůžky.

Po stránce elektrotechnické jsou největšími spotřebiči hlavní pohony vratných stolic horizontálních válců se čtyřmi synchronními motory o jmenovitém příkonu po 5,2 MW. Otáčky a moment těchto motorů jsou řízeny pomocí dvou dvojitých cyklokonvertorů ve dvanáctipulsním zapojení. Trvalý výkon každého cyklokonvertoru je 14,6 MV·A, výstupní frekvence je 0 až 24 Hz, napájecí napětí 3 × 1 000 V na fázi, s maximální učiníkem asi 0,75. Chlazení měničů cyklokonvertorů je deionizovanou vodou. Cyklokonvertory jsou zapojeny do sítě 22 kV přes 2 × 4 anodové transformátory s chladicím systémem olej-vzduch o jmenovitém výkonu po 4,8 MV·A a se sekundárním napětím 1 000 V. Transformátory mají čtyři vinutí se třemi sekundárními napětími pro každou fázi. Ostatní technologické agregáty válcovací tratě jsou napájeny prostřednictvím pomocných pohonů zapojených do sítě 6 kV. Pomocné pohony jsou sestaveny ze stejnosměrných motorů s tyristorovými usměrňovači a anodovými transformátory, popř. z  asynchronních motorů řízených frekvenčními měniči s anodovými transformátory. Pomocné pohony jsou v šestipulsním zapojení. Ostatní odběr válcovny je napájen ze sítě 690 V a 400 V.

2. Popis problému
Popsaný typ válcovací tratě doposud nebyl ve světě realizován, a proto nebyly k dispozici žádné srovnatelné údaje o provozních podmínkách, jako např. zpětný vliv takového zařízení na napájecí síť. Bod napojení elektrické sítě minihutě na energetickou veřejnou síť byl určen topologií této sítě a ekonomickou rozvahou z dosavadní rozvodny 110 kV. Stávající úroveň energetického rušení v tomto společném napájecím bodě, zjištěná měřením, už byla vysoká vlivem jiných již existujících průmyslových odběrů. Proto energetický rozvodný podnik stanovil investorovi a hlavnímu dodavateli technologie této zakázky přísné podmínky pro připojení v oblasti průměrného účiníku odběru a maximálních příspěvků ke stávající úrovni harmonických napětí, nesymetrie napětí a tzv. flickru (blikání) při garantovaném minimálním zkratovém výkonu ve společném napájecím bodě.

Za těchto podmínek byl hlavní dodavatel technologie válcovny nucen vypsat výběrové řízení na firmu, která provede návrh, dodávku, montáž a uvedení do provozu takového zařízení, jež zabezpečí bezporuchový provoz válcovací tratě a splní podmínky pro připojení stanovené energetickým rozvodným podnikem. V  konkurenci několika velkých evropských společností byla vybrána česká firma ELCOM, a. s.

3. Návrh zařízení SVC
Zařízení byla (z důvodů uvedených v předchozích odstavcích) navržena pouze na základě teoretické analýzy problému, která spočívala ve výpočtu výkonových, napěťových, regulačních a filtračních parametrů. Ve výpočtech bylo nutné zohlednit způsob zapojení a způsob provozu všech spotřebičů válcovny a podmínky pro připojení ve společném napájecím bodě. Rozhodující vliv na stanovení parametrů zařízení pro kompenzaci a filtraci měly nejvýkonnější odběry válcovny – hlavní pohony stolic horizontálních válců s cyklokonvertory. Jejich způsob provozu a místo napojení určily i místo zapojení a typ zařízení pro kompenzaci a filtraci, tj. zařízení typu SVC s přímým připojením na síť 22 kV.

Průběh předpokládaného zatížení hlavních pohonů byl vypočítán na základě předaných úběrových plánů válcování pro předepsanou kvalitu válcovaného materiálu, rozměrů výstupního plechu v rozsahu: šířka 700 až 1 500 mm, tloušťka 2 až 12 mm a zadané rychlosti válcování synchronních motorů v rozsahu otáček 95 až 160 min_-1. Vypočítaný průběh odběru válcovny určil výkonové parametry a požadavky na rychlost regulace zařízení SVC. Výpočtem frekvenčních charakteristik a harmonickou analýzou byla určena skladba filtračních obvodů.

Zařízení TCR se skládá z tyristorového antiparalelního měniče (obr. 2) s přímým připojením na síť 22 kV, 42,9 Mvar, 650 A, chlazením deionizovanou vodou a kompenzačních vzduchových reaktorů 22 kV, 650 A, 2 × 24,3 mH (obr. 3). Reaktory TCR jsou na venkovním stanovišti, tyristorový měnič a pomocné rozváděče regulace, ovládání, jištění a monitorování jsou umístěny v elektroobjektu válcovny.

Sériové rezonanční filtry (obr. 4) pro 3., 5., 7. a 11. harmonickou o celkovém kompenzačním výkonu 40,1 Mvar jsou umístěny ve vnitřním prostoru elektroobjektu válcovny. Jednotlivé filtry jsou tvořeny vzduchovými filtračními reaktory, kondenzátorovými bateriemi a tlumicími rezistory.

4. Technické parametry zařízení SVC
Regulovaný kompenzační filtr se skládá z několika skupin zařízení, členěných podle jednotlivých výrobců. Celkový návrh, projektovou dokumentaci, koordinaci subdodávek, montáž a uvedení do provozu realizovala firma ELCOM, a. s.

Rozvodné zařízení
Zařízení SVC je do 22 kV rozvodu minihutě zapojeno prostřednictvím rozváděče 24 kV typu UNITOLE UT3 (ETS Teplice - HOLEC), 1 600 A, 25/63 kA. Jednotlivé skříně pro přívod a vývody na zařízení TCR a jednotlivé rezonanční filtry jsou vybaveny odpojovacími můstky, zkratovači, měřicími a jisticími zařízeními. Zařízení SVC je spínáno vakuovým vypínačem 24 kV typu NVU23 (HOLEC), 2 600 A, umístěným v hlavním rozváděči 22 kV minihutě.

Rezonanční filtry
Sériové rezonanční filtry jsou vybaveny jednotnými kondenzátory 26 µF (VISHAY Electronic), 7,75 kV, 490 kvar, sestavenými do trojfázových baterií (pouze část filtru 3. harmonické je vybavena kondenzátory s parametry 207,5 µF, 2,25 kV, 330 kvar). Každá kondenzátorová baterie je rozdělena do dvou částí zapojených do hvězdy, s transformátorem balanční ochrany, který je zapojen v nulovém bodě. Vzduchové filtrační tlumivky s hliníkovým vinutím a epoxidovou impregnací (Haefely-Trench) jsou jednofázové, umístěné vedle sebe. Jednofázové tlumicí rezistory (Schnewindt) jsou určeny pro rozšíření frekvenčního pásma a utlumení paralelních rezonancí jednotlivých rezonančních filtrů.

Dekompenzační člen
Zařízení TCR je zapojeno do trojúhelníku, takže při symetrickém řízení není generována 3. harmonická proudu do sítě 22 kV. Jednofázové vzduchem chlazené kompenzační tlumivky 22 kV, 650 A, 2 × 24,3 mH (Haefely-Trench) mají hliníkové vinutí s epoxidovou impregnací a jsou v každé fázi rozděleny na dvě poloviny. Tyristorový antiparalelní měnič (typu SEMIVAR W – ALSTOM) je chlazen deionizovanou vodou a je sestaven z 2 × 3 jednofázových jednotek, uspořádaných nad sebou v rámech z hliníkových profilů. Parametry měniče:

• jmenovité napětí 22 kV,
• jmenovitý proud 650 A,
• proud přetížení 1 125 A (1 s),
• jmenovitý výkon 42,9 Mvar (při 22 kV),
• výkon přetížení 74,3 Mvar.

Každou fázi tvoří dvě antiparalelní zdvojené větve. Každá zdvojená větev je sestavena z tyristorového řetězce ze čtrnácti antiparalelně zapojených tyristorových dvojic, které jsou zapojeny do série s feritovými reaktory – celkový počet tyristorů je 84. Tyristory jsou typu DCR 1020SF5252, se závěrným napětím 5 200 V, jmenovitým proudem 515 A při 80 °C a s průměrem 48 mm. V každém proudovém směru a fázi je jeden z tyristorů redundantní. Součástí tyristorových rámů jsou také příslušné ochranné obvody RC a elektronické karty pro zapalování a zpětné hlášení od tyristorů. Signály mezi touto elektronikou a řídicí skříní TCR jsou přenášeny po optovodičích. K chlazení tyristorových ventilů a tlumicích rezistorů se používá deionizovaná voda. Celkové ztráty tyristorového měniče jsou 95 kW, výkon chladicí soustavy je 115 kW. Chladicí voda je chlazena (výměník voda-voda), deionizována a čerpána speciálním zařízením, umístěným v samostatném ocelovém rámu, s vlastním napájením a řízením (Delmas).

Regulace
Zařízení SVC je regulováno na konstantní jalový výkon trojfázové soustavy. Regulace proudu v otevřené smyčce a regulace napětí (výkonu) s uzavřenou zpětnou vazbou TCR zajišťují na výstupu požadovanou hodnotu vodivosti pro tyristorově řízené kompenzační tlumivky. Jalový výkon kompenzované soustavy, jako řídicí proměnná, se měří na přívodu pro celou válcovnu. Pro zvýšení dynamiky regulační soustavy se do regulační smyčky zavádí jako poruchová veličina hodnota jalového výkonu hlavních pohonů. Tímto řešením se dosahuje reakční doby regulace max. 10 ms v každé fázi. Měření hodnot napětí a proudů a zapalování tyristorů zajišťuje analogová technika. Řízení v otevřené regulační smyčce a regulace s uzavřenou zpětnou vazbou se uskutečňuje digitálně pomocí 32bitového průmyslového počítače se zrychleným přenosem a několikanásobným zpracováním (transputer). Počítač také zaznamenává poruchy zařízení TCR. Analogová i digitální elektronika (systém LOGIDYN-D) a počítač jsou umístěny v samostatném rozváděči regulace.

Řízení
Pro vizualizaci, ovládání, signalizaci stavu, signalizaci poruch, blokování, záznam událostí a poruch byl použit programovatelný automat Simatic S5-95U a operátorský panel OP37. Do automatu jsou v podobě binárních vstupů zavedeny informace z  rozvodného zařízení (stavy spínacích prvků, signalizace z ochran apod.), ze systému Logidyn tyristorového měniče, z ochran kondenzátorových baterií apod. Dále jsou do automatu zavedeny analogové signály z převodníků napětí a proudů sítě 22 kV. Na operátorském panelu jsou digitálně zobrazovány napětí a proudy v přívodu rozváděče kompenzace 22 kV, ve vývodech na jednotlivé rezonanční filtry a vývodu na zařízení TCR. Binární výstupy automatu ovládají prostřednictvím převodního relé vypínač vn v nadřazeném rozvodném zařízení. Je možné také dálkové ovládání z řídicího systému rozvodu vn minihutě přes sběrnici Profibus-DP. V obou případech jsou spínací operace blokovány na splnění všech nutných podmínek pro jejich provedení. V paměti operátorského panelu jsou uloženy informace o všech vykonaných operacích, výstrahách a poruchách zařízení SVC. Tyto informace je možné rovněž přenést do řídicího systému rozvodu vn minihutě.

5. Uvedení do provozu a zkušenosti s provozem zařízení SVC
Kompenzační filtr byl do provozu uveden ve dvou etapách, protože v plánovaném termínu nebylo v provozu zařízení válcovny. V první etapě byly připojeny rezonanční filtry na napájecí síť a byla vykonána zkouška provozu zařízení TCR až na maximální zatížení s konstantním proudem. Ve druhé etapě, po zprovoznění válcovny (zejména jejích hlavních pohonů), byla naladěna regulace TCR a uvedeno do trvalého provozu zařízení SVC.

Během této etapy byl přetěžován filtr 3. harmonické, což si vyžádalo změření jeho frekvenční charakteristiky a úpravy ladění přestavením odboček na jeho filtrační tlumivce.

Vlivem přechodného zvýšení napětí při zapínání zařízení SVC s plným výkonem na síť 22 kV pomocí jednoho vypínače byly způsobeny výpadky některých spotřebičů válcovny. Aby nenastávalo rozkmitání regulační soustavy TCR, a tím i proudu a napětí v síti 22 kV, je náběh proudu dekompenzačního členu (TCR) zpožděn o asi 300 až 400 ms, než dojde k vyrovnání jalového výkonu TCR a rezonančních filtrů. Proto byl po dobu této operace upraven způsob zapojení sítě válcovny a nastavení napětí v síti 22 kV pomocí odboček na transformátoru 110/23 kV.

V průběhu zkušebního provozu vznikly vlivem „zahořování“ drobné poruchy na některých komponentách řídicí elektroniky, a proto bylo nutné je vyměnit. Obdobně bylo třeba upravit drobné netěsnosti spojovacích prvků v obvodu sekundárního rozvodu chladicí vody zařízení TCR.

6. Závěr
Popisované zařízení SVC je v trvalém provozu od prosince 1999. I přesto, že v době psaní tohoto příspěvku zařízení válcovny doposud nepracovalo na projektovaných parametrech (nižší rychlost válcování a tím vyšší jalový výkon), zařízení SVC prakticky umožňuje provoz válcovny. Není-li toto zařízení v provozu, klesá vlivem rázového provozu hlavních pohonů napětí v síti 22 kV, což vede k jejich výpadku, a tím i ke ztrátě produkce válcovny. Po uvedení válcovny do provozu s projektovanými parametry uskuteční firma ELCOM, a. s., komplexní měření ve společném napájecím bodě odběru minihutě pro kontrolu splnění připojovacích podmínek energetického rozvodného podniku.

Pozn.red.: Pro termín flicker autoři používají název blikání-podle Mezinárodního elektrotechnického slovníku ČSN IEC 50 (845) je pod heslem 845-02-49 uveden název míhání.