Elektrik ark fırınlarının elektrik şebekesine etkilerinin deneysel incelenmesi ve bilgisayar destekli modellenmesi

Abstract

Türkiye son yıllarda artan çelik üretimi ile demir çelik üretiminde en büyük on ülke arasına girmeyi başarmıştır. Günümüzde Türkiye'de üretilen çeliğin yaklaşık %71,3'ü Elektrik Ark Fırın (EAF) tesisleri yardımıyla üretilmektedir. EAF'ler yüksek eritme ve düşük üretim maliyetleri gibi önemli avantajlara sahiptir. Fakat lineer olmayan karakteristik yapısından dolayı elektrik şebekelerinde önemli güç kalitesi problemlerine neden olmaktadırlar. Bu çalışmada Sivas Demir Çelik İşletmeleri A.Ş. (SİDEMİR) tesisinde bulunan 60 MVA güce sahip Elektrik Ark Fırının elektrik şebekesinde neden olduğu güç kalitesi problemleri deneysel olarak incelenmiştir. EAF'ını besleyen elektrik sistemin bir faz eşdeğeri kullanılarak Elektromanyetik Transient Program (EMTP) yardımı ile harmonik etkiler değerlendirilmiştir. Deneysel ölçüm sonuçları ve EMTP analizleri karşılaştırılarak 60 MVA EAF ının neden olduğu güç kalitesi problemlerinin iyileştirilmesi için çözüm önerileri sunulmuştur. Deneysel verilerlerden elde edilen ark karakteristiği ve Matlab Curve Fitting Toolbox kullanılarak eğri uydurma yöntemleri ile literatürde sunulan zaman domeni ark modellerinin elektriksel arkı tanımlamadaki uygunluğu incelenmiştir ve EAF'larında elektrik arkını tanımlamak için yeni bir zaman domeni modeli geliştirilmiştir. Geliştirilen yeni zaman domeni modelinin EAF fırınlarının çalışma karakteristiklerini literatürde sunulan modellere göre daha iyi tanımladığı belirlenmiştir. Bu ark modeli kullanılarak gerçekleştirilen üç faz benzetim modelinin EAF'ının neden olduğu güç kalitesi problemlerinin tanımlamada yüksek doğrulukta kullanılabileceği gösterilmiştir. Sonuç olarak deneysel incelemeler ve benzetim çalışmaları neticesinde, SVC sistemlerinin çift harmoniklerin artmasına neden olduğu ve seri reaktör uygulamasının mevcut sistem için elverişli bir uygulama olmadığı belirlenmiştir. Diferansiyel fark rölesi ile trafolar mutlaka korunmalıdır ve senkron kompanzasyon ile SVC kompanzasyonun birlikte kullanılması durumunda eritme başlangıcında oluşan gerilim harmoniklerinin azaltılabileceği belirlenmiştir. Olasılık teorisine göre gerçekleştirilen incelemelerde mevcut tesiste akım ve gerlim sapmalarının % 5'den küçük alındığı belirlenmiştir.

During the recent years, with its increasing steel production, Turkey has succeeded becoming one of the ten biggest steel producer countries in the world. In Turkey, approximately 71.3% of the steel produced in Turkey is producing with the help of Electric Arc Furnace (EAF) facilities. EAF's have significant advantages such as high melting and low production costs. However, due to their nonlinear characteristics, they cause significant power quality problems in electrical networks.In this study, the power quality problems caused by 60 MVA EAF load, which is located in SİDEMİR facility, have been experimentally investigated. Harmonic effects have been evaluated with the help of the Electromagnetic Transient Program (EMTP) using a phase equivalent of the electrical system feeding the EAF load. Suggetions to improve of the power quality problems caused by EAF 60 have been presented by comparing experimental measurement results and EMTP analyzes. Suitability of the time-domain arc models which has been presented in literature for the definition of electrical arc have been examined with the arc characterization obtained from the experimental data and the curve fitting methods using Matlab Curve Fitting Toolbox and a new time domain arc model have been developed to identify the electrical arc for EAF's. It is seen that the developed new time domain model describes the operating characteristics of EAF furnaces better than the models presented in the literature. It has been shown that the three-phase simulation model using this arc model can be used with high accuracy to identify power quality problems caused by the EAF. As a result of the experimental studies carried out and the simulation done it has been identified that SVC systems cause even harmonics, and serial reactor application is not suitable for the current system. The transformers must be protected with differential differential relay and It has been determined that when synchronous compensation and SVC compensation are used together, voltage harmonics occurring at the beginning of melting can be reduced. According to the probability theory, current and voltage deviations smaller than 5% in the present network.