Unfallanalyse und Verbesserungsmaßnahmen für das Ausbrennen des Hochspannungsschalters von EAF-Transformator

Derzeit betreibt das Unternehmen zwei Schmelzofen-Transformator (EAF). Die Sekundärspannung variiert von 121 V bis 260 V, mit einer Nennstromstärke von 504 A / 12.213 A. Die Hochspannungsseite verfügt insgesamt über acht Anzapfpositionen, die eine motorgetriebene Spannungsregelung außerhalb des Stromkreises nutzen. Das Gerät ist mit einem Reaktor entsprechender Kapazität ausgestattet, der in Serie zu bestimmten Anzapfungen auf der Hochspannungsseite angeschlossen ist. Diese Transformator haben seit über 20 Jahren im Betrieb gestanden. Während dieser Zeit wurden mehrere technische Modernisierungen am Elektrodensteuerungssystem und am Transformatorschutzsystem vorgenommen, um den sich ändernden Anforderungen des Stahlherstellungsprozesses gerecht zu werden und eine sichere und stabile Gerätefunktion zu gewährleisten. Dieses Ziel hängt jedoch entscheidend von der Vollständigkeit und Zuverlässigkeit des Verkoppelungskreises zwischen dem sekundären Schutzkreis des EAF-Transformators und dem Elektrodensteuerungssystem des Lichtbogenschmelzofens ab. In den letzten Jahren kamen es mehrmals zu Fällen, bei denen der Hochspannungsanzapfer ausgebrannt ist, was Bedenken bezüglich der Zuverlässigkeit der zugehörigen Verkoppelungskreise aufgeworfen hat.

1 Unfallphänomen

Inspektionen der Transformatorkerne ergaben, dass alle Ausfälle durch Ausbrennen des Hochspannungsanzapfers verursacht wurden. In jedem Fall funktionierte der sekundäre Schutz auf der Hochspannungsseite zuverlässig. Die Einstellung für den zeitlichen Überstromschutz des Hochspannungsschalters lag bei 6.000 A auf der Primarseite, was bedeutet, dass der Schutz erst aktiviert wird, wenn der Kurzschlussstrom durch den Anzapfer den Wert von 6.000 A überschreitet. Allerdings beträgt die Nennstromstärke des Anzapfers selbst nur 630 A.

2 Ursachenanalyse

Der Stahlherstellungsprozess besteht aus drei Phasen: Schmelzen, Oxidation und Reduktion. Während der Schmelzphase schwankt die Dreiphasenbelastung stark, wodurch große Einschaltströme entstehen, die oft ungleichmäßig sind. Auch während der Raffinationsphase führen kontinuierliche Änderungen des Bogenentladungspfads und der Bogenlückeionisation zu ständig ungleichmäßigen Belastungsströmen, was Nullfolgekomponenten zur Folge hat. Wenn diese Nullfolgekomponenten auf die sternförmig geschaltete Hochspannungswicklung reflektiert werden, kommt es zu einer Verschiebung der Neutralpunktspannung.

Basierend auf den beobachteten Ausfallphänomenen wurden verschiedene Einflussfaktoren analysiert. Detaillierte Studien wurden an den elektrischen Schaltkreisen des Lichtbogenschmelzofen-Elektrodensteuerungssystems, der Verkoppelungsbeziehung zwischen dem sekundären Schutzkreis auf der Hochspannungsseite und den Positionen des Anzapfers während der Gangwechsel durchgeführt. Feldversuche wurden wiederholt durchgeführt, um zu simulieren, ob die Bedingungen, die zu Fehlern führen, während des Stahlherstellungsprozesses auftreten können. Letztendlich wurden die folgenden Mängel im Verkoppelungsschutzkreis auf der Hochspannungsseite des EAF-Transformators identifiziert. Während des Stahlherstellungsprozesses kann jeder der folgenden Bedingungen zum Ausbrennen des Anzapfers führen:

• Gangwechsel nach Abschaltung der Hochspannung. Während des Gangwechsels mit dem Anzapfercontroller kann die digitale Anzeige die Fertigstellung anzeigen, aber der Anzapfer hat seine Position noch nicht vollständig erreicht (d.h., die Kontaktfläche zwischen beweglichen und festen Kontakten hat die erforderliche Kapazität noch nicht erreicht). Wenn unter diesen Bedingungen die Hochspannung wieder eingeschaltet wird, kann es zu Phasen-Kurzschlüssen und anschließendem Ausbrennen des Anzapfers während des Stahlherstellungsprozesses kommen.

• Gangwechsel unter Spannung, d.h. direkter Wechsel der Anzapfposition des Anzapfers während des Betriebs des Lichtbogenschmelzofens.

• Einschalten unter Last, d.h. Wiederherstellung der Hochspannung, während die dreiphasigen Elektroden des Lichtbogenschmelzofens noch mit flüssigem Stahl in Kontakt stehen.

3 Verbesserungsmaßnahmen

Im Vergleich zu herkömmlichen Netzbetriebs-Transformator haben EAF-Transformator die folgenden Merkmale: höhere Überlastfähigkeit, größere mechanische Festigkeit, größere Kurzschlussimpedanz, mehrere Sekundärspannungsniveaus, höhere Transformationsverhältnisse, niedrige Sekundärspannung (zehn bis hundert Volt) und hohe Sekundärströme (tausende bis zehntausende Ampere). Die Stromsteuerung im Lichtbogenschmelzofen wird durch die Veränderung der Anzapfverbindungen auf der Hochspannungsseite des Transformators und die Justierung der Elektrodenpositionen erreicht.

Während des Stahlherstellungsprozesses operieren die beiden Hochspannungsschaltanlagen, die vor dem Ofen installiert sind, je nach Prozessanforderungen und dem Betriebsverhalten des EAF-Transformators, täglich dutzende oder sogar hunderte Male. Dies stellt strenge Anforderungen an die Leistungsfähigkeit der Vakuumschalter und die Zuverlässigkeit der Schutzbetriebe. Daher wurde eine "ein im Einsatz, ein in Reserve"-Konfiguration eingeführt, die vom Bedienerstandplatz vor dem Ofen gesteuert wird. Die Energieversorgung erfolgt über Hochspannungskabel vom 66 kV-Zentralsubstation des Unternehmens.

Angesichts der Mängel im Verkoppelungsschutzsteuerungskreis ist es entscheidend, die Bedingungen zu verhindern, die während des Stahlherstellungsprozesses zum Ausbrennen des Anzapfers führen. Durch die Analyse des Verkoppelungskreises, Simulationstests, Strukturstudien des Anzapfers und Kenntnisse des Stahlherstellungsprozesses wurden die folgenden Korrekturmaßnahmen entwickelt:

• Verbot der Hochspannungseinschaltung, bis der Gangwechsel vollständig abgeschlossen ist;

• Verbot des Gangwechsels, während die Hochspannungsseite unter Spannung steht;

• Verbot der Einschaltung des Transformators unter Last.

4 Schlussfolgerung

Durch die Umsetzung der oben genannten Lösungen zur Behebung der Mängel im Verkoppelungsschutzsteuerungskreis des EAF-Transformators wurde die Zuverlässigkeit des Verkoppelungssystems erheblich verbessert. Dies verhindert effektiv, dass Betriebsfehler durch Personal zu Geräteschäden führen, und gewährleistet einen sicheren, stabilen und zuverlässigen Betrieb der EAF-Transformator. Es sichert auch die erfolgreiche Fertigstellung der Stahlherstellungsproduktion des Unternehmens und reduziert die Wartungskosten des Geräts erheblich.