浅谈电炉变压器设计

浅谈电炉变压器设计

摘要：随着市场的发展，近几年来，电炉变压器的需求量不断增大。文章结合锦州锦开电器集团电炉变压器生产经验，对电炉变压器设计进行分析。

关键词：电炉变压器；串联变压器；调压；8字形绕组

电炉变压器属于特种变压器，特种变压器是在电力变压器的基础上发展起来的，具有特殊用途的变压器。它的种类有很多，主要包括电弧炉、矿热炉、电石炉变压器等。在电力、冶金、矿山、石油、化工等都有广泛的应用。在市场竞争极其激烈的情况下，我厂生产的电炉变压器如HTSSPZ-22 000/110、HKDSPZ-10 000/35电炉变压器通过机械工业变压器产品质量检测中心检验，具备国内同类产品先进水平，在市场中占有一席之地，受到新老客户的信赖。下面笔者将对我厂生产的电炉变压器做一简单的介绍。

1 电炉变压器技术特点

近几年来，我厂生产的电炉变压器中，矿热炉变压器居多。矿热炉是一种耗电量很大的电炉，属于电阻电弧炉。其电弧很小，以炉料电阻发热为主，且电炉电阻变化不大，工作电流平稳。根据矿热炉的特点，矿热炉变压器的一次侧不需要接电抗器，而且变压器的阻抗电压比较低，要长期承受110%的额定电流连续运行，及调压级数较多，输出的级差很小，前几级为恒容输出，后几级为恒流输出。小容量的变压器均做成三相的，20 000 kV A以上的多为3只单相矿热炉变压器组成三相组。这是由于三相矿热炉变压器的大电流短网在长度上各相有很大差异，使三相阻抗严重不平衡，造成功率转移和各相的电流和功率不均衡现象。但是采用3只单相电炉变压器可以围绕电炉对称分布，可以缩短短网的长度，使三相阻抗趋于平衡，从而减少电能损耗，增加电炉运行的功率因数，改善电炉电气特性。虽然其总造价高于三相20%～30%，但当需要设置备用变压器时，备用一台单相变压器比备用一台三相变压器要经济。因为单相变压器的体积和重量较三相变压器小，有利于运输和安装。

1.1 调压方式

电炉变压器的特点就是二次电压低、电流大、匝数少，所以无法在二次设置调压分接头来进行恒磁通调压（电力变压器就是采用恒磁通调压）。为了调节电炉变压器的二次电压，一般采用变磁通调压、串联变压器调压、和自耦调压器调压。因为它调压联结方式也有线性调、正反调、粗细调，与电力完全相同，就不再赘述。

对于调压级数较多的电炉变压器，当客户对二次电压级差没有要求时，可用高压基本线圈串联调压线圈的结构形式实现二次调压；当客户要求二次电压级差相等时，就采用自耦变压器调压和主变压器加串联变压器的结构形式实现二次调压，并且这两种都是双器身结构。

1.2 串联变压器

以串联变压器为例，就是让主、串变低压绕组串连在一起。它通过分接开关，利用主变的调压线圈单独给串变提供高压电，通过改变主变的调压绕组的分接来改变串变电压，从而改变主、串变低压绕组的合成电压（当开关正接时为两电压值之和，当反接时为两电压值之差）。由于主变调压绕组的匝数相同，所以电压级差相等，使得串变高压级差相等，从而串变低压电压级差相等，实现了等差调压。

这种变压器主要由主变和串变组成。主变通常从里到外为：铁心—调压—高压—低压，串变为：铁心—高压—低压。主、串变的低压绕组通常做成一个整体，采用8字形绕组。采用8字形绕组的好处就是可以免去串变低压绕组和主变低压绕组繁琐的焊接工序，使它们的距离缩小。每个8字形双饼为一个单元，每相就是由这样的若干个双饼单元并联而成。每个单元匝数为2～10匝左右，每饼8字形绕组主、串变的匝数一般情况是相同的，但当调压范围较小时，串变低压最高电压也较小，如果采用相同的匝数，会使串变铁心直径太小，机械强度较差。在这样的情况下，应使串变低压绕组匝数少于主变，增大串变铁心直径，提高其机械强度。另外，为了减小体积，主串变线饼外径间距越小越好，通常为80～130 mm。

串联变压器调压范围广，一次电压不受开关绝缘水平的限制，可由63～220 kV直接降至电炉所需的电压（十几伏至几百伏），省去了中间变电站。对于大容量、调压范围大的产品较为经济。但其结构复杂，制造费时，维修不便。另外，这种变压器的体积大，用料多，成本高。遇到这样的情况应与客户交流，看看客户的具体情况，有时不一定必须用等差调压。用单器身结构变压器也能满足客户需要。这不仅为客户节约资金，也为我厂挪出利润空间。

1.3 低压引线

在电炉变压器中低压引线电流较大，故一般采用裸铜母线（铜排）这样可以降低其本身的涡流损耗。此外还要遵守以下原则：

①考虑油中引线在长期工作中的温升，且常在油的最热层，故引线对油的温升一般取20 ℃。

②铜排与绕组出头一般用磷铜焊条焊接，导线焊接表面的电流密度不应超过

1.5 A/mm2。铜排与接线片的截面不应超过4.8 A/mm2。

③为了减少漏磁和附加损耗，低压引线铜排应是窄面对着箱壁，且对箱壁及铁轭夹件的距离应大于铜排宽度。有时考虑焊接工艺和焊接的机械距离，这个尺寸会大一些。

④二次出线有顶出线和侧出线两种方式。小型电炉变压器常从油箱顶部出线，抽芯检修时油箱不必排油，但绕组至出线头的引线长，将增加损耗。中、大

型电炉变压器常从油箱侧部出线，以缩短引线长度降低了电抗和损耗。但出线头承受油压较大，对密封要求较高，抽芯检修要大量排油，且易刮坏出线头。

1.4 低压出线端子

通常不能只从变压器的结构需要出发，而要从接线组别（d或y）、出线头的片（根）数、排列方式、间距、供外部连接的接触面积等方面，结合电炉短网设计统一考虑确定。一般可分为两种：铜板式端子和水冷铜管式端子。前一种是将出线铜排直接与环氧树脂浇注而成。该树脂与铜具有相同的膨胀系数，避免因温度变化引起的渗漏，这种端子只适合户内使用。对于容量较大的电炉变压器，电流大，只能选择后一种。使用空心水冷管，它的好处在于管内流有循环冷却水，可以提高电流密度。2 主要的设计工艺特点

2.1 铁心

铁心均采用优质冷轧取向硅钢片，并采用全自动的剪切线剪切成型，剪切精度高、毛刺小。铁心叠装采用45°全斜接缝、不冲孔、无纬玻璃粘带绑扎工艺制造。对铁心片进行涂漆处理，因为铁心绝缘膜会存在质量缺陷或在加工的过程中造成绝缘破损，用涂漆的办法来增强硅钢片的绝缘性，使其保持较低的空载损耗、空载电流及噪声。铁心夹紧装置采用拉板压钉结构，机械强度高。

2.2 线圈

线圈采用最新主纵绝缘结构，合理选择绕组的结构和绝缘，保证绕组有足够的机械强度。线圈采用半硬铜纸包扁线绕制，有效的降低了导线损耗，具有承受短路和过载能力强、低损耗、安全可靠等特点。匝绝缘采用优质绝缘纸，绝缘筒采用酚醛纸筒，垫块采用高密度纸板，有效的提高了线圈的抗突发短路能力。所有线圈的油隙垫块、撑条都要进行密压、去毛、倒角处理，提高绝缘强度压钉数量保证了足够的器身轴向压紧力，器身装配采用目前最先进的定位措施，从而确保了该产品的免吊芯性能。

2.3 油箱及低压出线端子

油箱采用平顶式油箱，箱壁采用大尺寸钢板以减少焊缝，焊缝要尽量对称分布，以减小焊缝引起的翘曲变形及产生的残余应力。焊接时要采用优质的电焊条，提高焊接质量，使其油箱结实、密封性好、外观平整，所有密封法兰均采用沟槽结构，确保变压器油箱、联接处密封严实不渗漏油。低压侧采用专业厂家生产的出线导电排及水冷导电排（管），满足了电炉变压器长期过载及负载不稳定的要求。

3 电炉变压器动稳定及过电压要求

①当工作短路电流整定在3倍额定电流，持续时间为6 s时，电弧炉变压器各部位应无损伤。