Análise de Acidentes e Medidas de Melhoria para Queima do Interruptor de Derivação de Alta Tensão do Transformador EAF

Atualmente, a empresa opera dois transformadores de forno elétrico a arco (EAF). A tensão secundária varia de 121 V a 260 V, com uma corrente nominal de 504 A / 12.213 A. O lado de alta tensão possui um total de oito posições de derivação, utilizando regulação de tensão fora de circuito acionada por motor. O equipamento é equipado com um reator de capacidade correspondente, conectado em série a determinadas derivações no lado de alta tensão. Esses transformadores estão em operação há mais de 20 anos. Durante esse período, para atender às demandas evolutivas do processo siderúrgico, várias atualizações técnicas foram implementadas no sistema de controle dos eletrodos e no sistema de proteção do transformador, visando garantir a operação segura e estável do equipamento. No entanto, alcançar esse objetivo depende criticamente da completude e confiabilidade do circuito de intertravamento entre o circuito de proteção secundário do transformador EAF e o sistema de controle dos eletrodos do forno a arco. Nos últimos anos, ocorreram vários incidentes de queima do seletor de derivação de alta tensão, levantando preocupações sobre a confiabilidade dos circuitos de intertravamento associados.

1 Fenômeno do Acidente

As inspeções nucleares dos transformadores revelaram que todas as falhas envolveram a queima do seletor de derivação do lado de alta tensão. Em cada incidente, a proteção secundária do lado de alta tensão funcionou de forma confiável. A configuração de proteção contra sobrecorrente instantânea para o disjuntor de alta tensão foi de 6.000 A no primário, o que significa que a proteção só seria ativada se a corrente de curto-circuito através do seletor de derivação excedesse 6.000 A instantaneamente. No entanto, a corrente nominal do seletor de derivação é apenas de 630 A.

2 Análise da Causa Raiz

O processo siderúrgico consiste em três etapas: fusão, oxidação e redução. Durante a etapa de fusão, a carga trifásica flutua dramaticamente, gerando grandes correntes de inrush frequentemente desequilibradas. Mesmo durante a etapa de refino, as mudanças contínuas no caminho de descarga do arco e na ionização da lacuna do arco resultam em correntes de carga constantemente desequilibradas, gerando componentes de sequência zero. Quando esses componentes de sequência zero são refletidos na bobina de alta tensão estrelada, causam o deslocamento da tensão do ponto neutro.

Com base nos fenômenos de falha observados, várias condições contribuintes foram analisadas. Estudos detalhados foram realizados nos circuitos elétricos do sistema de controle dos eletrodos do forno a arco, na relação de intertravamento do circuito de proteção secundário de alta tensão e nas posições do seletor de derivação durante a troca de marchas. Testes de campo foram repetidamente realizados para simular se as condições que levam à falha poderiam ocorrer durante a produção de aço. No final, as seguintes deficiências no circuito de proteção de intertravamento do lado de alta tensão do transformador EAF foram identificadas. Durante a produção de aço, a ocorrência de qualquer uma das seguintes condições poderia levar à queima do seletor de derivação:

• Realizar a mudança de derivação após o desligamento de energia de alta tensão. Durante o processo de mudança de derivação usando o controlador de seletor, o display digital pode indicar conclusão, mas o seletor de derivação não chegou completamente à sua posição (ou seja, a área de contato entre os contatos móveis e fixos não atingiu a capacidade necessária). Se a energia de alta tensão for restaurada nessas condições, pode levar a curtos-circuitos entre fases e subsequente queima do seletor de derivação durante a produção de aço.

• Mudança de derivação sob tensão, ou seja, alterar diretamente a posição de derivação do seletor de derivação enquanto o forno a arco está em operação.

• Energização sob carga, ou seja, restaurar a energia de alta tensão enquanto os três eletrodos trifásicos do forno a arco ainda estão em contato com o aço fundido.

3 Medidas de Melhoria

Comparado aos transformadores de potência convencionais, os transformadores EAF têm as seguintes características: maior capacidade de sobrecarga, maior resistência mecânica, maior impedância de curto-circuito, múltiplos níveis de tensão secundária, maiores relações de transformação, baixa tensão secundária (dezenas a centenas de volts) e alta corrente secundária (milhares a dezenas de milhares de amperes). O controle de corrente no forno a arco é realizado alterando as conexões de derivação no lado de alta tensão do transformador e ajustando as posições dos eletrodos.

Durante a produção de aço, de acordo com os requisitos do processo e a natureza operacional do transformador EAF, as duas unidades de disjuntores de alta tensão instaladas na frente do forno operam dezenas ou até centenas de vezes por dia. Isso coloca exigências rigorosas no desempenho dos interruptores a vácuo e na confiabilidade das operações de proteção. Portanto, o design incorpora uma configuração "um em uso, um em reserva", controlada a partir da estação de operação na frente do forno. A energia é fornecida por cabos de energia de alta tensão a partir da subestação central de 66 kV da empresa.

Dadas as deficiências no circuito de controle de proteção de intertravamento, é essencial prevenir as condições que levam à queima do seletor de derivação durante as operações de produção de aço. Através da análise do circuito de intertravamento, testes de simulação, estudo estrutural do seletor de derivação e compreensão do processo de produção de aço, as seguintes medidas corretivas foram desenvolvidas:

• Proibir a energização de alta tensão até que a mudança de derivação esteja totalmente concluída;

• Proibir a mudança de derivação enquanto o lado de alta tensão estiver energizado;

• Proibir a energização do transformador sob carga.

4 Conclusão

Ao implementar as soluções acima para abordar as deficiências no circuito de controle de proteção de intertravamento do transformador EAF, a confiabilidade do sistema de intertravamento foi significativamente melhorada. Isso efetivamente previne erros operacionais por parte do pessoal que possam causar danos ao equipamento, garantindo a operação segura, estável e confiável dos transformadores EAF. Também garante a conclusão bem-sucedida das tarefas de produção de aço da empresa e reduz substancialmente os custos de manutenção do equipamento.