三次侧开断变压器在大容量电炉供电系统中的应用

耿宝光， 贾峰生

（1.山西工程职业学院,山西 太原 030031；2.国网山西省电力公司电力科学研究院，山西 太原 030001）

0 引言

根据国家产业政策的要求，小容量电炉将被淘汰，而随着电炉容量的不断增大，负载具有了很大的冲击性和不对称性，同时为考虑减少设备投资和节能降耗，大容量电炉通常要求110 kV 级以上高电压电网直接供电。目前，常用的大容量电炉供电系统的解决方法有两种。

方法1：电炉采用110 kV 直降单铁芯变压器供电，同时增设动态补偿变压器用于集中补偿和提供动力电源（如图1 所示）。这种方法的特点是单台电炉变压器的购置费用低，但需增设动力补偿变压器，先期投入较大；补偿变压器是对110 kV 网侧功率因数的集中补偿，就电炉变压器本身来讲，功率因数并未得到改善，变压器工作效率较低。

方法2：电炉采用110 kV 直降单铁芯变压器供电，并通过动力补偿绕组实现补偿和提供动力电源（如图2 所示）。

与方法1 相比，方法2 在电炉变压器中增设了动力补偿绕组，从而改善了变压器的功率因数，提高了冶炼效率。但由于变压器变磁通调压的特性，使得固定匝数的绕组无法输出恒定的电压，影响了补偿的效果，并最终影响冶炼效率。

上述2 种方法的共同特点是变压器本身结构较简单，但却存在断路器维护复杂、阻抗电压变化范围大及难以实现等级差调压等诸多弊端。为此，我们提出了大容量、大调压范围电炉供电系统的第三种解决方法：电炉采用110 kV 直降三次侧开断串变调压的变压器供电，同时实现补偿和提供动力电源（如图3 所示）。

在国外，20 世纪70 年代已大量采用了从高压电网直接供电方式，炉控断路器设在三次回路的电炉变压器。我国第一台110 kV 直降电炉变压器于1970 年在峨眉铁合金厂投运成功，直到10 年后的1980 年底，我国的第二台和第三台110 kV 直降三次侧开断电炉变压器才几乎同时投入运行，这其中的一台就是为邢台轧辊厂生产的HSSPZ-12500/110电炉变压器，该产品至今仍在运行。之后，某公司又为甘肃景泰电石厂生产了HSSPZ-10000/110 电炉变压器，成为甘肃景泰电石厂现有5 台变压器中运行最稳定、吨耗最低的变压器。该产品的耗电为8 110 kW·h/t，而该厂在用的另一台相近容量的单铁芯变压器的耗电为8 500 kW·h/t。

图1 大容量电炉供电系统方法1

图2 大容量电炉供电系统方法2

图3 大容量电炉供电系统方法3

1 三次侧开断电炉变压器结构与运行机理

1.1 结构

如图4 所示，这台110 kV 直降三次侧开断电炉变压器由2 个铁芯、7 个绕组共置于一个油箱内组成。图4 中，W1 为主变高压绕组；W2 为主变低压绕组；W3 为调压段绕组；W4 为调压基本段绕组；W5 为串变高压绕组；W6 为串变低压绕组，与主变低压绕组W2 同时绕制，即通常所说的“8”字线圈；W7 为动力补偿绕组；K1 为35 kV 断路器；K2 为短路开关；K3 为接地开关。

1.2 供电及调压原理

当主变高压绕组W1 接入110 kV 电网后，主变铁芯内产生恒定的交变磁通，主变侧绕组W2、W3、W4、W7 上均感应出固定不变的电压。其中，调压基本段绕组W4、调压段绕组W3 二者串联后，经35 kV 断路器K1 给串变高压绕组W5 供电，并在串变铁芯中励磁，从而在串变低压绕组W6 上感应出相应的电压，W6 上感应出的电压与W2 绕组产生的电压合成后为电炉供电，即二次输出的电压是电炉的供电电压。

根据冶炼工艺调整电炉供电电压时，采用有载分接开关调节W3 绕组的有效匝数来调节W5 绕组上的电压，使W6 低压绕组输出的电压改变，从而使主变W2 低压绕组与串变W6 绕组的合成电压改变。

由于主变高压绕组W1 匝数恒定，主变铁芯内磁通恒定，所以动力补偿绕组W7 的输出电压不受电炉工作电压变化的影响，可保证电容补偿及动力负荷得到恒定的供电电压。

1.3 炉控操作原理

图4 110 kV 直降三次侧开断电炉变压器原理图

电炉正常运行时，变压器绕组中的K1（负荷断路器） 是闭合的。当电炉冶炼工艺需要使炉子断电时，先将该断路器断开，此时，串变高压绕组W5 断电，然后依次闭合短路开关K2、接地开关K3，使二次回路短接并接地，即可使电炉处于无电压无电流的安全状态。同理，经过设定，因电极短路而引起的过电流跳闸，也可由三次侧断路器实现。

1.4 三次侧开断电炉变压器的基本参数

1.4.1 简明技术要求

变压器容量为10 000 kVA，且要求能够长期超载20%，一次电压110 kV，且一次侧采取Y 点接地的方法；二次电压分为24 个档，140～260 V 可调且恒功率能够达到一半，变压器的冷却方式采取强油水冷，保证变压器的散热效果要满足设备的工作要求。

1.4.2 三次侧开断电炉变压器主要计算数据

取主变W2 为3 匝，W3 为198 匝，W5 为4匝，主变W1 为953 匝，W4 为879 匝（连续式/112饼），主变每匝电压etz为64.61 V，辅变每匝电压etfmax为15.011 V；主变铁芯直径Dz为500 mm，叠片系数取0.97，质量GDz为1 413.5 kg，Bmz取1.703 T（特斯拉）；辅变铁芯直径Df为235 mm，叠片系数取0.99，GDmm为149.86 kg，Bmfm取1.715 T；调压绕组W3 为11 个18 匝的线圈组成，铜线的规格为ZB-1.35；主变铁芯窗高Hwz为1 990 cm，辅变铁芯窗高Hwf为1 880 cm；功率P1为12 kW，P12取14 kW；第1 档阻抗电压Ux-1取10.062%，第12档阻抗电压Ux-12取16.905%；涡流损耗Kf第1 档：Kw2为0.394%，Kw1为3.261%，Kw3为0.46%，Kw5为2.815，Kw4为8.444%；涡流损耗Kf第12 档：Kw1为6.971%，Kw2为.355%，Kw4为8.49%，Kw5为12.826%；线圈温升W1（12 档） 为34.07 ℃，线圈温升W5（12 档）为27.372 ℃，线圈温升W2（12 档）为31.81 ℃，线圈温升W4（12 档） 为26.89 ℃；损耗第1 档：Bm3=0.118 8 T，Bm1=0.036 5 T；损耗第12 档：Bm2=0.154 1 T，Bm4=0.203 5 T。以上为此类变压器的部分主要参数。

1.4.3 三次侧开断电炉变压器损耗计算

三次侧开断变压器损耗计算及验算数据统计见表1，经过数据校验符合电力设计标准，该变压器可以正常生产使用。

2 三次侧开断电炉变压器的特点

2.1 系统能耗低

2.1.1 电容补偿实现与电炉的匹配

单铁芯变压器为变磁通调压，对固定匝数的绕组要得到一个输出恒定的电压是比较难以实现的。在方法2 中，为给补偿电容和动力负荷提供较恒定的电压，常用的方法是在该绕组上增加1 台有载分接开关与一次侧的有载分接开关同步调节。这样就使得1 台变压器装了2 台有载开关，增加了变压器的投资成本和后续维护成本。当然，现在还有一种方法，有的厂家将动力补偿绕组开关选用价格低廉的无载开关。这样，当一次侧（即110 kV 侧） 为改变二次输出电压而每调整一次开关档位时，就需将110 kV 断路器开断一次，以便调节动力补偿绕组开关，或者是为减少110 kV 断路器动作的次数，使补偿电容量长期处于低于额定值的档位，但这样一来不是影响冶炼效率和开关寿命就是降低了补偿效果。

表1 三次侧开断变压器损耗计算统计

三次侧开断电炉变压器调压时，主变侧铁芯内的磁通是恒定的，可以方便地设置一个适合电容及动力运行电压的绕组，也可通过适当设计使调压基本段绕组兼为补偿和动力供电，完全不存在上述的问题。

2.1.2 短路电压随调压范围的变化范围小

短路电压（阻抗电压） 是变压器的重要参数，其值的大小不仅影响变压器的安全运行而且还影响其运行的经济性，同时还影响变压器的成本和效率等因素。

方法1、方法2 中的单铁芯变压器是通过调节一次绕组的匝数来改变二次输出电压的。匝电压的平方与短路电压值成反比，即匝电压增大时，二次输出电压变大，短路电压值变小，而匝电压减小时，二次输出电压减小，短路电压值变大。故该变压器短路电压的变化范围与调压范围关系很大。根据我们设计这类产品的经验，当二次输出电压减小时，短路电压（阻抗电压） 值会增加到14%左右，甚至更高。而三次侧开断串变调压的电炉变压器，随着二次输出电压的降低，安匝平衡组数增加了。与方法1、方法2 中变压器相比，在同样的调压范围内，采用三次侧开断串变的电炉变压器的短路电压的变化范围要小得多。通常，其阻抗电压可在7%～9%之间变化，电压输出特性要优于方法1、方法2 中的单铁芯变压器。

通过上述两个方面的比较可以看出，采用三次侧开断电炉变压器供电时，由于电容补偿与电炉的匹配佳、短路电压变化范围小，从而使电炉的冶炼效率高、吨耗低。

2.2 等级差调压与工艺的匹配性好

由于变压器绕组结构的影响，开断在一次侧的电炉变压器其等级差调压的实现比较难，即二次输出电压较低时级差较小，较高时级差大。这与冶炼的工艺方法要求刚好相反，使电炉使用不正常。

而采用三次侧开断电炉变压器，其是主、串变输出电压合成后的输出为二次输出电压，电压调节是通过改变主变调压绕组的分接来改变施加在串变高压绕组上的电压，使串变低压绕组的电压随之改变，从而改变主、串变低压绕组的合成电压，很容易实现等级差调压，为冶炼带来了方便，同时也与冶炼的工艺需求匹配。

2.3 长期运行的安全可靠性高

2.3.1 断路器维护成本低且使用寿命长

由于电炉冶炼工艺的要求，常常需要对断路器进行频繁操作，电炉在冶炼过程中发生电极短路而产生的过电流保护也会使断路器跳闸。资料显示，因断路器故障而导致变压器损坏的事例并不鲜见。因此，断路方式及断路器的选择成为保障电炉正常运行的重要因素。

方法1 和方法2 中的单铁芯变压器，均需要110 kV 六氟化硫断路器从一次侧进行开断与跳闸；而三次侧开断电炉变压器只要在三次侧通过35 kV真空断路器进行开断与跳闸，就可以对电炉实现控制与保护。

2.3.2 有载分接开关的运行可靠性高

在一次侧开断的电炉变压器，其调压一般是在110 kV 侧，由于大多数电炉变压器的调压范围较大，因此其有载分接开关及调压段至分接开关的引线常常会承受高于110 kV 星点40 kV 的电压等级，这样就为有载分接开关的选型和变压器的运行可靠性增加了先天的缺陷。特别是当调压范围继续增大时，调压段的悬浮电位也会更高，对变压器绕组和开关的绝缘造成不利。

三次侧开断电炉变压器的调压段在三次侧，是独立的，其绝缘水平不受一次110 kV 侧的制约，可以在设计时灵活掌握，保证了有载分接开关有较大的绝缘裕度，提高了变压器运行的可靠性。

2.3.3 易于实现测量和过流保护

单铁芯变压器只有一次110 kV 绕组和二次几百伏、几万安培的绕组，由于一次电流常常还包含着补偿和动力（仅指方法2 中），二次出线各组电流分配不均。因此，不论将电流互感器置于110 kV侧或是置于部分低压出线处，不仅结构上复杂，成本高，而且还降低了保护的灵敏度和可靠性。

三次侧开断电炉变压器的三次回路中的电流与二次回路中的电流之比是一常数，即串变高、低压绕组的匝数比，因而在串变高压绕组的引出端接入测量和保护用的电流互感器，就可以很精确地实现对电炉负载电流的测量和过流保护。

2.4 能提供持续稳定的动力电源

显然，方法2 中的单铁芯变压器，其动力补偿绕组的输出电压受一次侧110 kV 断路器开断及有载分接开关调压的影响。而三次侧开断电炉变压器，电炉冶炼过程中的炉控操作及过电流保护均可通过三次侧35 kV 真空断路器实现；在调压时，也可通过三次侧调压绕组分接的变化使串联变压器调压；一次侧高压绕组的匝数始终不变，匝电压也不变。因此，其动力补偿绕组可以不受冶炼过程中各种变化的影响，输出持续、稳定的动力电源电压。

3 结束语

电炉采用何种供电系统取决于电炉的容量、调压范围的大小及冶炼过程的工艺需求等多种因素，本文提出的“采用110 kV 直降三次侧开断串变调压的电炉变压器供电”方法，具有投资成本适中、维护成本低、运行安全可靠、电炉的冶炼效率高、吨耗低等优势，是大电炉供电的一种有益选择，既有实用意义又有推广应用价值。