淺談電爐變壓器設計

摘 要：隨著市場的發展，近幾年來，電爐變壓器的需求量不斷增大。文章結合錦州錦開電器集團電爐變壓器生產經驗，對電爐變壓器設計進行分析。

關鍵詞：電爐變壓器；串聯變壓器；調壓；8字形繞組

中圖分類號：TM42 文獻標識碼：A 文章編號：1006-8937（2013）15-0107-02

電爐變壓器屬于特種變壓器，特種變壓器是在電力變壓器的基礎上發展起來的，具有特殊用途的變壓器。它的種類有很多，主要包括電弧爐、礦熱爐、電石爐變壓器等。在電力、冶金、礦山、石油、化工等都有廣泛的應用。在市場競爭極其激烈的情況下，我廠生產的電爐變壓器如HTSSPZ-22 000/110、HKDSPZ-10 000/35電爐變壓器通過機械工業變壓器產品質量檢測中心檢驗，具備國內同類產品先進水平，在市場中占有一席之地，受到新老客戶的信賴。下面筆者將對我廠生產的電爐變壓器做一簡單的介紹。

1 電爐變壓器技術特點

近幾年來，我廠生產的電爐變壓器中，礦熱爐變壓器居多。礦熱爐是一種耗電量很大的電爐，屬于電阻電弧爐。其電弧很小，以爐料電阻發熱為主，且電爐電阻變化不大，工作電流平穩。根據礦熱爐的特點，礦熱爐變壓器的一次側不需要接電抗器，而且變壓器的阻抗電壓比較低，要長期承受110%的額定電流連續運行，及調壓級數較多，輸出的級差很小，前幾級為恒容輸出，后幾級為恒流輸出。小容量的變壓器均做成三相的，20 000 kVA以上的多為3只單相礦熱爐變壓器組成三相組。這是由于三相礦熱爐變壓器的大電流短網在長度上各相有很大差異，使三相阻抗嚴重不平衡，造成功率轉移和各相的電流和功率不均衡現象。但是采用3只單相電爐變壓器可以圍繞電爐對稱分布，可以縮短短網的長度，使三相阻抗趨于平衡，從而減少電能損耗，增加電爐運行的功率因數，改善電爐電氣特性。雖然其總造價高于三相20%～30%，但當需要設置備用變壓器時，備用一臺單相變壓器比備用一臺三相變壓器要經濟。因為單相變壓器的體積和重量較三相變壓器小，有利于運輸和安裝。

1.1 調壓方式

電爐變壓器的特點就是二次電壓低、電流大、匝數少，所以無法在二次設置調壓分接頭來進行恒磁通調壓（電力變壓器就是采用恒磁通調壓）。為了調節電爐變壓器的二次電壓，一般采用變磁通調壓、串聯變壓器調壓、和自耦調壓器調壓。因為它調壓聯結方式也有線性調、正反調、粗細調，與電力完全相同，就不再贅述。

對于調壓級數較多的電爐變壓器，當客戶對二次電壓級差沒有要求時，可用高壓基本線圈串聯調壓線圈的結構形式實現二次調壓；當客戶要求二次電壓級差相等時，就采用自耦變壓器調壓和主變壓器加串聯變壓器的結構形式實現二次調壓，并且這兩種都是雙器身結構。

1.2 串聯變壓器

以串聯變壓器為例，就是讓主、串變低壓繞組串連在一起。它通過分接開關，利用主變的調壓線圈單獨給串變提供高壓電，通過改變主變的調壓繞組的分接來改變串變電壓，從而改變主、串變低壓繞組的合成電壓（當開關正接時為兩電壓值之和，當反接時為兩電壓值之差）。由于主變調壓繞組的匝數相同，所以電壓級差相等，使得串變高壓級差相等，從而串變低壓電壓級差相等，實現了等差調壓。

這種變壓器主要由主變和串變組成。主變通常從里到外為：鐵心—調壓—高壓—低壓，串變為：鐵心—高壓—低壓。主、串變的低壓繞組通常做成一個整體，采用8字形繞組。采用8字形繞組的好處就是可以免去串變低壓繞組和主變低壓繞組繁瑣的焊接工序，使它們的距離縮小。每個8字形雙餅為一個單元，每相就是由這樣的若干個雙餅單元并聯而成。每個單元匝數為2～10匝左右，每餅8字形繞組主、串變的匝數一般情況是相同的，但當調壓范圍較小時，串變低壓最高電壓也較小，如果采用相同的匝數，會使串變鐵心直徑太小，機械強度較差。在這樣的情況下，應使串變低壓繞組匝數少于主變，增大串變鐵心直徑，提高其機械強度。另外，為了減小體積，主串變線餅外徑間距越小越好，通常為80～130 mm。

串聯變壓器調壓范圍廣，一次電壓不受開關絕緣水平的限制，可由63～220 kV直接降至電爐所需的電壓（十幾伏至幾百伏），省去了中間變電站。對于大容量、調壓范圍大的產品較為經濟。但其結構復雜，制造費時，維修不便。另外，這種變壓器的體積大，用料多，成本高。遇到這樣的情況應與客戶交流，看看客戶的具體情況，有時不一定必須用等差調壓。用單器身結構變壓器也能滿足客戶需要。這不僅為客戶節約資金，也為我廠挪出利潤空間。

1.3 低壓引線

在電爐變壓器中低壓引線電流較大，故一般采用裸銅母線（銅排）這樣可以降低其本身的渦流損耗。此外還要遵守以下原則：

①考慮油中引線在長期工作中的溫升，且常在油的最熱層，故引線對油的溫升一般取20 ℃。

②銅排與繞組出頭一般用磷銅焊條焊接，導線焊接表面的電流密度不應超過1.5 A/mm2。銅排與接線片的截面不應超過4.8 A/mm2。

③為了減少漏磁和附加損耗，低壓引線銅排應是窄面對著箱壁，且對箱壁及鐵軛夾件的距離應大于銅排寬度。有時考慮焊接工藝和焊接的機械距離，這個尺寸會大一些。

④二次出線有頂出線和側出線兩種方式。小型電爐變壓器常從油箱頂部出線，抽芯檢修時油箱不必排油，但繞組至出線頭的引線長，將增加損耗。中、大型電爐變壓器常從油箱側部出線，以縮短引線長度降低了電抗和損耗。但出線頭承受油壓較大，對密封要求較高，抽芯檢修要大量排油，且易刮壞出線頭。

1.4 低壓出線端子

通常不能只從變壓器的結構需要出發，而要從接線組別（d或y）、出線頭的片（根）數、排列方式、間距、供外部連接的接觸面積等方面，結合電爐短網設計統一考慮確定。一般可分為兩種：銅板式端子和水冷銅管式端子。前一種是將出線銅排直接與環氧樹脂澆注而成。該樹脂與銅具有相同的膨脹系數，避免因溫度變化引起的滲漏，這種端子只適合戶內使用。對于容量較大的電爐變壓器，電流大，只能選擇后一種。使用空心水冷管，它的好處在于管內流有循環冷卻水，可以提高電流密度。

2 主要的設計工藝特點

2.1 鐵心

鐵心均采用優質冷軋取向硅鋼片，并采用全自動的剪切線剪切成型，剪切精度高、毛刺小。鐵心疊裝采用45°全斜接縫、不沖孔、無緯玻璃粘帶綁扎工藝制造。對鐵心片進行涂漆處理，因為鐵心絕緣膜會存在質量缺陷或在加工的過程中造成絕緣破損，用涂漆的辦法來增強硅鋼片的絕緣性，使其保持較低的空載損耗、空載電流及噪聲。鐵心夾緊裝置采用拉板壓釘結構，機械強度高。

2.2 線圈

線圈采用最新主縱絕緣結構，合理選擇繞組的結構和絕緣，保證繞組有足夠的機械強度。線圈采用半硬銅紙包扁線繞制，有效的降低了導線損耗，具有承受短路和過載能力強、低損耗、安全可靠等特點。匝絕緣采用優質絕緣紙，絕緣筒采用酚醛紙筒，墊塊采用高密度紙板，有效的提高了線圈的抗突發短路能力。所有線圈的油隙墊塊、撐條都要進行密壓、去毛、倒角處理，提高絕緣強度壓釘數量保證了足夠的器身軸向壓緊力，器身裝配采用目前最先進的定位措施，從而確保了該產品的免吊芯性能。

2.3 油箱及低壓出線端子

油箱采用平頂式油箱，箱壁采用大尺寸鋼板以減少焊縫，焊縫要盡量對稱分布，以減小焊縫引起的翹曲變形及產生的殘余應力。焊接時要采用優質的電焊條，提高焊接質量，使其油箱結實、密封性好、外觀平整，所有密封法蘭均采用溝槽結構，確保變壓器油箱、聯接處密封嚴實不滲漏油。低壓側采用專業廠家生產的出線導電排及水冷導電排（管），滿足了電爐變壓器長期過載及負載不穩定的要求。

3 電爐變壓器動穩定及過電壓要求

①當工作短路電流整定在3倍額定電流，持續時間為6 s時，電弧爐變壓器各部位應無損傷。

②電爐變壓器應能承受二次端部的外部短路作用無損傷，但短路電流的持續時間應不超過0.5 s。

③電爐變壓器應能承受冶煉過程中所經常出現的操作過電壓作用而無損傷。在使用中，110 kV級的電爐變壓器操作過電壓應控制在2倍額定電壓以下，其它電壓等級的應控制在3倍以下。

4 其它

所有電爐變壓器應裝有小車，并應便于牽引，滾輪應能轉向90°運轉。電爐變壓器儲油柜的油位計、信號溫度計、銘牌、各種說明牌以及分接開關的操動機構等均不得放在二次側。采用膠囊式儲油柜，有效的減緩了油的老化。電爐變壓器的冷卻系統采用專業廠家生產的片式散熱器、風冷卻器或水冷卻器。電爐變壓器的套管應選用防污型或加強型。10 kV套管宜選用導桿式，而不用穿纜式。套管35 kV及以下采用純瓷油式套管，爬電距離大，可用于重污等級環境；66～110 kV則采用油紙電容套管。二次儀表接線采用不銹鋼走線槽板和端子箱，使其外觀整潔大方、便于操作，另外還防止信號線裸露在外，風吹日曬，減緩老化速度。

5 結 語

電爐變壓器與電力變壓器相比，在調壓方式、線圈、引線、低壓出線端子、油箱及其它配套裝置都有很大區別。以上是對電爐變壓器設計的一些粗淺認識，還很不全面。希望能對電爐變壓器的設計工作起到參考作用。

參考文獻：

[1] 張懋魯，劉玉建.帶串聯電容補償的電爐變壓器設計[J].變壓器，2012，（7）.