电炉变压器的操作过电压及其抑制

电炉变压器的操作过电压及其抑制详细地分析了操作过电压产生机理与危害，提出了电炉设备采取的操作过电压抑制措施，并结合国内外的工程实例加以说明。

同时也介绍了过电压抑制装置所用的主要电气元件性能。

文中强调指出：电炉变压器不可能经受住毫无抑制的过电压作用，对于没有有效过电压抑制的电炉设备，电炉变压器的运行将是十分不稳定的。

关键字：电炉变压器[1篇] 操作过电压[3篇] 抑制[16篇]1．前言电炉变压器的工作方式与电力变压器显著不同，其中以炼钢电弧炉变压器最为典型。

在电炉炼钢中，变压器要经受电炉冶炼的各种粗暴动作——经常的炉料倒塌、钢水沸腾等。

电弧路径和弧隙电离程度不断变化，从而导致电弧弧长和电流不断突变，在反延时过流继电器控制下，电极不断地被抬起和放下，并可能在电极抬出液面后——变压器处于空载状态，主回路也恰在此时被遮断，过电压就产生了。

在每炉钢的生产过程中，变压器将经历多次突然切断和工作短路的考验。

为此，电炉电源系统设计要对操作过电压进行抑制，因为电炉变压器不可能经受住毫无抑制的过电压作用，否则就将常常引起绕组、引线、开关、套管等发生闪络。

经验证明，对于没有有效过电压抑制的电炉设备，电炉变压器的运行是十分不稳定的。

本文就是对电炉变压器操作过电压的产生和作用、安装过电压抑制装置的必要性和有效性提出粗浅看法，目的是使电炉变压器的安全运行时间达到电力变压器水平。

2．操作过电压的产生(1) 截流过电压截流过电压是由于切断空载变压器所产生的过电压。

断路器是既能关合、承载、开断运行变压器的正常电流，又能关合、承载和开断规定的过载电流（包括短路电流）的开关设备，它同时承担着控制和保护作用。

过去电炉供电系统中所使用的多油断路器和某些空气断路器中，吹灭电弧的能力是和被切电流直接相关的，被切电流越小，断路器中电弧产生的气体越少，吹灭电弧的能力也越小，因此在切空载变压器时一般没有明显的电流瞬间截流现象，所以过电压不大。

目前，在35kV及以下的电炉多采用高寿命的真空断路器，真空断路器是触头在高真空中进行关合、开断的断路器，切断能力特别强。

在开断变压器空载电流时，因真空电弧的截流现象，电流可能在自然零点前被切断。

由于空载变压器就是一个电感线圈，只要电流的变化速率很大，就会产生过电压，它要符合公式的规律，其本质是电感中磁场的快速变化引起很高的感应电压。

因此，真空断路器切断空载变压器一定产生操作过电压，此操作过电压称为截流过电压。

操作过电压的最大值作用在变压器一次端子上，过电压经过连接电缆也作用在真空断路器的断口上。

截流过电压的幅值与截流电流和负载特征阻抗的乘积成正比，即，V（1）式中—衰减系数，它考虑电阻损耗导致的衰减，=0.6；—特征阻抗，；L—变压器激磁电感，H；C—变压器等效电容，F。

例如，曾用ZN3—10型真空断路器切断10kV、5000kV A电炉变压器的空载电流，变压器的励磁绕组电感L为9.32H，等效电容C为5000PF，空载电流为，如果在励磁电流峰值时发生遮断，则kV由于变压器具有损耗及实际切断相位等因素，测得的最大值为36kV。

其值超过了新品出厂的工频耐压值，所以电炉变压器难免在切断时发生闪络。

值得说明的是，当真空断路器切断工作电流（包括工作短路电流）的电炉变压器时并不会产生有害的操作过电压。

这时变压器低压绕组通过负载而成闭合回路，当断路器强迫高压绕组中的电流中断时，铁心中的磁通不可能快速消失。

这是由于当磁场稍有变化时，就会在低压绕组中产生感应电流，从而阻挠磁场的突变，不会引起过电压。

所以，变压器与其所带负载一起从电路切除时，其过电压很低。

(2) 多次重燃过电压当真空断路器触头在电流过零点前很短时间内分离，之后迅即在自然零点时将电流切断。

由于真空断路器触头开距很小，如10kV通常为8-12mm，35kV通常为20-25mm，如果介质强度的增长速度低于恢复电压，则弧隙被击穿，电弧重燃，在下一电流零点熄灭。

由于电弧的不稳定性，在触头击穿过程中，流过触头间隙的电流会有高次谐波，系统中的分布电感和电容可能产生高频振荡，使其产生更高的电压，触头间隙再一次被击穿。

过电压随断路器重燃次数的增加而增高，如此多次反复产生的过电压称为多次重燃过电压。

真空断路器分闸终了时，如果缓冲器出现故障的话，触头回弹也可能导致电弧重燃。

多次重燃过电压的幅值不一定很高，但波形的前沿陡度大，等效频率高，容易导致电炉变压器线圈纵绝缘的损坏。

(3) 电容传递过电压在炼钢炉中，由于熔化期中三相负荷变化剧烈，产生很大的冲击电流，而且多是三相不对称的，负荷电流中将有零序分量。

即使在精炼期，电弧放电路径和弧隙电离程度的不断变化，负荷电流也不断地不对称变化，负荷电流中也将有零序分量。

负荷中的零序分量反映到Y接的高压绕组上时，将使高压绕组产生中性点电位飘移。

在正常运行时，由于三相电位对称，三相绕组和导线对外界感应极小。

如果中性点出现对地电压（零序电压），就不可避免地对外界感应，这一感应将通过电容耦合传递给低压绕组。

此时，低压侧出现电容传递过电压，其数值可由下式计算：（2）式中—传递过电压，kV；—高压侧出现的零序电压，kV；—高、低线圈间电容，；—低压侧相对地电容，。

由于电炉变压器二次电压低，匝数比通常都是非常大，二次绕组上的传递过电压可能数倍于匝数比所决定的电压，这将对低压绕组的绝缘构成危险。

在低压侧每相加装0.1以上的对地电容，加大了式（2）中的值，是一种可靠的限制过电压方法。

3．操作过电压的抑制对于操作过电压，一方面要在电炉变压器设计中予以充分考虑，使电炉变压器的绝缘裕度高于一般电力变压器，更重要的要在变压器室加装有效的过电压抑制装置。

下面分别阐述。

a) 提高变压器的绝缘裕度由于电炉变压器断路器频繁动作，操作过电压不断产生，变压器绝缘裕度必须足够。

由于过电压幅值不大，但前沿陡度有时很大，所以主绝缘结构可与电力变压器相同，但纵绝缘裕度必须加强，如匝绝缘、段间绝缘等要适当加大。

由于电炉变压器的容性变比与感性变比相差过大，为减少电容传递过电压带来的损害。

应提高次级回路的绝缘水平。

建议将次级回路（包括线圈、大电流铜排引线和出线端子）的工频耐压值提高到10kV（50Hz、1min）。

同样，对电炉变压器和电抗器所选用的分接开关、套管、低压出线端子等组件的绝缘水平都要加强，或者是提高等级选用。

这样，必将增加一些有效材料的投入和提高变压器的制造成本，但与电炉变压器安全运行所带来的效益相比，这是微不足道的。

b) 电炉设备采取的过电压抑制措施目前国内外过电压抑制装置多采用氧化锌避雷器和阻容吸收器。

用氧化锌（ZnO）避雷器来限制操作过电压，主要是利用了氧化锌压敏电阻非线性伏安特性。

当工作电压作用时，它具有很大的电阻，只有微安数量级电流流过。

一旦出现过电压，在数毫秒内它的电阻就急剧减小，使得大电流通过其上时不致产生很高的残压，此残压值就决定了操作过电压幅值，从而对炉变承受的过电压幅值进行了有效的限制，但它不能改变过电压频率。

阻容吸收器的工作原理是这样的，由公式（1）可知，串联电容可有效地降低特征阻抗值，从而降低过电压值。

同时，由于电容电压不能跃变，所以电容有减缓过电压前沿陡度的作用。

此时，炉变的振荡频率为，HZ（3）式中：C、分别串联电容和炉变等效电容。

可见，由于的加入使振荡频率降低。

串联电阻的目的是为了在能量转化过程中消耗一部分能量，抑制LC回路可能产生的电压振荡。

由以上分析可见，阻容串联回路（R-C）可降低截流过电压的幅值，降低多次重燃过电压的上升陡度，有时还能防止多次重燃过电压的发生，因而阻容串联回路对炉变的作用很有效。

在国家标准《电热设备电力装置设计规范》GB50056-1993中规定如下：电炉装置的主电路系统中，电弧炉和埋弧炉变压器应采取下列限制操作过电压的措施：a. 在电炉变压器与操作断路器间装设氧化锌避雷器或压敏电阻；b. 在三绕组电炉变压器的三次侧装设氧化锌避雷器或压敏电阻和阻容吸收装置；c. 在电炉变压器的二次侧装设阻容吸收装置。

该标准的条文说明对规定做了进一步解释：采用真空断路器为操作断路器时，在试验和运行中均发现操作过电压严重，而电弧炉经常在电极升起后切断空载变压器，所以应在操作断路器与电炉变压器之间装设避雷器，以限制切断空载变压器时所产生的（1.5-7.5）过电压。

在电炉变压器的二次侧应装设阻容吸收装置，这是因为20世纪60年代从国外引进的50t炼钢电弧炉只装了110kV避雷器（相间）而无电炉变压器二次侧阻容吸收装置，曾发生严重二次母线间闪络事故。

在20世纪80年代国内某钢厂的2台国产50T炼钢电弧炉由于在三次侧末安装限制操作过电压的设施，在投产后不久电炉变压器的调压线圈（三次线圈）发生事故，后来在三次线圈加了氧化锌避雷器和电容器，电炉变压器的运行才趋于稳定。

GB50056-1993的规定是比较完善和严格的，如果电炉主电路的设计者能切实照规定办，操作过电压就不能对变压器造成危害。

近年来，交流高阻抗炼钢炉发展很快，由于它的主回路中串联一台很大的电抗器，能使电弧连续燃烧、电流连续流动而不中断，从而提高炉子平均输入功率。

电抗器通常为外附式的，与电炉变压器相邻安装，这种过压抑制装置如何安装呢？首先我们看到在切断空载变压器时，电抗器线圈中将流过比额定电流小得多的炉变空载电流，电抗器的电抗压降和磁场储能微不足道，此时的操作过电压只发生在炉变中。

如果把过压抑制装置安装在真空断路器和电抗器之间，电抗器就应尽量靠近炉变，也就是尽量靠近过电压源头，过压抑制装置才会起到保护炉变作用。

如果电抗器离炉变较远，由于联线电阻的衰减作用，真空断路器断口和过压抑制装置处的电压可能远远小于炉变端子处的电压，从而起不到保护炉变作用，过压抑制装置失效。

可以认为，过压抑制装置与炉变间距离不应超过5m，这就迫使电抗器必须与炉变十分靠近，二者间距离越小越好。

从抑制操作过电压角度看，炉变与电抗器共用同一油箱最好。

如果电抗器离炉子较远，过电压抑制装置装在炉变与电抗器之间时，如果炉变过电压抑制装置动作的话，ZnO阀片流过极大电流，可能给电抗器运行带来相当于短路的灾难性后果。

显然，在设计上应竭力避免这种情况发生。

至于有些户外装置的空心电抗器，由于电抗器本身过电压水平不高，受炉变过电压的影响又小，所以可不必单独设置过压抑制器。

在切断负载变压器时，虽然电抗器工作电位很高，但其压降却很小。

如一35kV、20％PN的电抗器，相电压降只为4042V。

我们知道一个电器元件的过电压大小总是与其工作电压的大小成正比的。

切断负载变压器时，变压器副方经负载闭合，炉变过电压很小。

而电抗器压降小，过电压水平也不高。

所以切断负载变压器所产生的过电压构不成对变压器绝缘的危害。

综上所述，带电抗器的过压抑制装置安放位置见图1所述4．抑制操作过电压的典型线路a) 法国钢铁技术协会出版的《电弧炉电源系统的设计、维护和运行规则》的1.6.9条中，给出如图2所示的保护电路图。