三次側(cè)開斷變壓器在大容量電爐供電系統(tǒng)中的應(yīng)用

耿寶光， 賈峰生

（1.山西工程職業(yè)學(xué)院,山西 太原 030031；2.國網(wǎng)山西省電力公司電力科學(xué)研究院，山西 太原 030001）

0 引言

根據(jù)國家產(chǎn)業(yè)政策的要求，小容量電爐將被淘汰，而隨著電爐容量的不斷增大，負(fù)載具有了很大的沖擊性和不對(duì)稱性，同時(shí)為考慮減少設(shè)備投資和節(jié)能降耗，大容量電爐通常要求110 kV 級(jí)以上高電壓電網(wǎng)直接供電。目前，常用的大容量電爐供電系統(tǒng)的解決方法有兩種。

方法1：電爐采用110 kV 直降單鐵芯變壓器供電，同時(shí)增設(shè)動(dòng)態(tài)補(bǔ)償變壓器用于集中補(bǔ)償和提供動(dòng)力電源（如圖1 所示）。這種方法的特點(diǎn)是單臺(tái)電爐變壓器的購置費(fèi)用低，但需增設(shè)動(dòng)力補(bǔ)償變壓器，先期投入較大；補(bǔ)償變壓器是對(duì)110 kV 網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)的集中補(bǔ)償，就電爐變壓器本身來講，功率因數(shù)并未得到改善，變壓器工作效率較低。

方法2：電爐采用110 kV 直降單鐵芯變壓器供電，并通過動(dòng)力補(bǔ)償繞組實(shí)現(xiàn)補(bǔ)償和提供動(dòng)力電源（如圖2 所示）。

與方法1 相比，方法2 在電爐變壓器中增設(shè)了動(dòng)力補(bǔ)償繞組，從而改善了變壓器的功率因數(shù)，提高了冶煉效率。但由于變壓器變磁通調(diào)壓的特性，使得固定匝數(shù)的繞組無法輸出恒定的電壓，影響了補(bǔ)償?shù)男Ч?，并最終影響冶煉效率。

上述2 種方法的共同特點(diǎn)是變壓器本身結(jié)構(gòu)較簡單，但卻存在斷路器維護(hù)復(fù)雜、阻抗電壓變化范圍大及難以實(shí)現(xiàn)等級(jí)差調(diào)壓等諸多弊端。為此，我們提出了大容量、大調(diào)壓范圍電爐供電系統(tǒng)的第三種解決方法：電爐采用110 kV 直降三次側(cè)開斷串變調(diào)壓的變壓器供電，同時(shí)實(shí)現(xiàn)補(bǔ)償和提供動(dòng)力電源（如圖3 所示）。

在國外，20 世紀(jì)70 年代已大量采用了從高壓電網(wǎng)直接供電方式，爐控?cái)嗦菲髟O(shè)在三次回路的電爐變壓器。我國第一臺(tái)110 kV 直降電爐變壓器于1970 年在峨眉鐵合金廠投運(yùn)成功，直到10 年后的1980 年底，我國的第二臺(tái)和第三臺(tái)110 kV 直降三次側(cè)開斷電爐變壓器才幾乎同時(shí)投入運(yùn)行，這其中的一臺(tái)就是為邢臺(tái)軋輥廠生產(chǎn)的HSSPZ-12500/110電爐變壓器，該產(chǎn)品至今仍在運(yùn)行。之后，某公司又為甘肅景泰電石廠生產(chǎn)了HSSPZ-10000/110 電爐變壓器，成為甘肅景泰電石廠現(xiàn)有5 臺(tái)變壓器中運(yùn)行最穩(wěn)定、噸耗最低的變壓器。該產(chǎn)品的耗電為8 110 kW·h/t，而該廠在用的另一臺(tái)相近容量的單鐵芯變壓器的耗電為8 500 kW·h/t。

圖1 大容量電爐供電系統(tǒng)方法1

圖2 大容量電爐供電系統(tǒng)方法2

圖3 大容量電爐供電系統(tǒng)方法3

1 三次側(cè)開斷電爐變壓器結(jié)構(gòu)與運(yùn)行機(jī)理

1.1 結(jié)構(gòu)

如圖4 所示，這臺(tái)110 kV 直降三次側(cè)開斷電爐變壓器由2 個(gè)鐵芯、7 個(gè)繞組共置于一個(gè)油箱內(nèi)組成。圖4 中，W1 為主變高壓繞組；W2 為主變低壓繞組；W3 為調(diào)壓段繞組；W4 為調(diào)壓基本段繞組；W5 為串變高壓繞組；W6 為串變低壓繞組，與主變低壓繞組W2 同時(shí)繞制，即通常所說的“8”字線圈；W7 為動(dòng)力補(bǔ)償繞組；K1 為35 kV 斷路器；K2 為短路開關(guān)；K3 為接地開關(guān)。

1.2 供電及調(diào)壓原理

當(dāng)主變高壓繞組W1 接入110 kV 電網(wǎng)后，主變鐵芯內(nèi)產(chǎn)生恒定的交變磁通，主變側(cè)繞組W2、W3、W4、W7 上均感應(yīng)出固定不變的電壓。其中，調(diào)壓基本段繞組W4、調(diào)壓段繞組W3 二者串聯(lián)后，經(jīng)35 kV 斷路器K1 給串變高壓繞組W5 供電，并在串變鐵芯中勵(lì)磁，從而在串變低壓繞組W6 上感應(yīng)出相應(yīng)的電壓，W6 上感應(yīng)出的電壓與W2 繞組產(chǎn)生的電壓合成后為電爐供電，即二次輸出的電壓是電爐的供電電壓。

根據(jù)冶煉工藝調(diào)整電爐供電電壓時(shí)，采用有載分接開關(guān)調(diào)節(jié)W3 繞組的有效匝數(shù)來調(diào)節(jié)W5 繞組上的電壓，使W6 低壓繞組輸出的電壓改變，從而使主變W2 低壓繞組與串變W6 繞組的合成電壓改變。

由于主變高壓繞組W1 匝數(shù)恒定，主變鐵芯內(nèi)磁通恒定，所以動(dòng)力補(bǔ)償繞組W7 的輸出電壓不受電爐工作電壓變化的影響，可保證電容補(bǔ)償及動(dòng)力負(fù)荷得到恒定的供電電壓。

1.3 爐控操作原理

圖4 110 kV 直降三次側(cè)開斷電爐變壓器原理圖

電爐正常運(yùn)行時(shí)，變壓器繞組中的K1（負(fù)荷斷路器） 是閉合的。當(dāng)電爐冶煉工藝需要使?fàn)t子斷電時(shí)，先將該斷路器斷開，此時(shí)，串變高壓繞組W5 斷電，然后依次閉合短路開關(guān)K2、接地開關(guān)K3，使二次回路短接并接地，即可使電爐處于無電壓無電流的安全狀態(tài)。同理，經(jīng)過設(shè)定，因電極短路而引起的過電流跳閘，也可由三次側(cè)斷路器實(shí)現(xiàn)。

1.4 三次側(cè)開斷電爐變壓器的基本參數(shù)

1.4.1 簡明技術(shù)要求

變壓器容量為10 000 kVA，且要求能夠長期超載20%，一次電壓110 kV，且一次側(cè)采取Y 點(diǎn)接地的方法；二次電壓分為24 個(gè)檔，140～260 V 可調(diào)且恒功率能夠達(dá)到一半，變壓器的冷卻方式采取強(qiáng)油水冷，保證變壓器的散熱效果要滿足設(shè)備的工作要求。

1.4.2 三次側(cè)開斷電爐變壓器主要計(jì)算數(shù)據(jù)

取主變W2 為3 匝，W3 為198 匝，W5 為4匝，主變W1 為953 匝，W4 為879 匝（連續(xù)式/112餅），主變每匝電壓etz為64.61 V，輔變每匝電壓etfmax為15.011 V；主變鐵芯直徑Dz為500 mm，疊片系數(shù)取0.97，質(zhì)量GDz為1 413.5 kg，Bmz取1.703 T（特斯拉）；輔變鐵芯直徑Df為235 mm，疊片系數(shù)取0.99，GDmm為149.86 kg，Bmfm取1.715 T；調(diào)壓繞組W3 為11 個(gè)18 匝的線圈組成，銅線的規(guī)格為ZB-1.35；主變鐵芯窗高Hwz為1 990 cm，輔變鐵芯窗高Hwf為1 880 cm；功率P1為12 kW，P12取14 kW；第1 檔阻抗電壓Ux-1取10.062%，第12檔阻抗電壓Ux-12取16.905%；渦流損耗Kf第1 檔：Kw2為0.394%，Kw1為3.261%，Kw3為0.46%，Kw5為2.815，Kw4為8.444%；渦流損耗Kf第12 檔：Kw1為6.971%，Kw2為.355%，Kw4為8.49%，Kw5為12.826%；線圈溫升W1（12 檔） 為34.07 ℃，線圈溫升W5（12 檔）為27.372 ℃，線圈溫升W2（12 檔）為31.81 ℃，線圈溫升W4（12 檔） 為26.89 ℃；損耗第1 檔：Bm3=0.118 8 T，Bm1=0.036 5 T；損耗第12 檔：Bm2=0.154 1 T，Bm4=0.203 5 T。以上為此類變壓器的部分主要參數(shù)。

1.4.3 三次側(cè)開斷電爐變壓器損耗計(jì)算

三次側(cè)開斷變壓器損耗計(jì)算及驗(yàn)算數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)見表1，經(jīng)過數(shù)據(jù)校驗(yàn)符合電力設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，該變壓器可以正常生產(chǎn)使用。

2 三次側(cè)開斷電爐變壓器的特點(diǎn)

2.1 系統(tǒng)能耗低

2.1.1 電容補(bǔ)償實(shí)現(xiàn)與電爐的匹配

單鐵芯變壓器為變磁通調(diào)壓，對(duì)固定匝數(shù)的繞組要得到一個(gè)輸出恒定的電壓是比較難以實(shí)現(xiàn)的。在方法2 中，為給補(bǔ)償電容和動(dòng)力負(fù)荷提供較恒定的電壓，常用的方法是在該繞組上增加1 臺(tái)有載分接開關(guān)與一次側(cè)的有載分接開關(guān)同步調(diào)節(jié)。這樣就使得1 臺(tái)變壓器裝了2 臺(tái)有載開關(guān)，增加了變壓器的投資成本和后續(xù)維護(hù)成本。當(dāng)然，現(xiàn)在還有一種方法，有的廠家將動(dòng)力補(bǔ)償繞組開關(guān)選用價(jià)格低廉的無載開關(guān)。這樣，當(dāng)一次側(cè)（即110 kV 側(cè)） 為改變二次輸出電壓而每調(diào)整一次開關(guān)檔位時(shí)，就需將110 kV 斷路器開斷一次，以便調(diào)節(jié)動(dòng)力補(bǔ)償繞組開關(guān)，或者是為減少110 kV 斷路器動(dòng)作的次數(shù)，使補(bǔ)償電容量長期處于低于額定值的檔位，但這樣一來不是影響冶煉效率和開關(guān)壽命就是降低了補(bǔ)償效果。

表1 三次側(cè)開斷變壓器損耗計(jì)算統(tǒng)計(jì)

三次側(cè)開斷電爐變壓器調(diào)壓時(shí)，主變側(cè)鐵芯內(nèi)的磁通是恒定的，可以方便地設(shè)置一個(gè)適合電容及動(dòng)力運(yùn)行電壓的繞組，也可通過適當(dāng)設(shè)計(jì)使調(diào)壓基本段繞組兼為補(bǔ)償和動(dòng)力供電，完全不存在上述的問題。

2.1.2 短路電壓隨調(diào)壓范圍的變化范圍小

短路電壓（阻抗電壓） 是變壓器的重要參數(shù)，其值的大小不僅影響變壓器的安全運(yùn)行而且還影響其運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性，同時(shí)還影響變壓器的成本和效率等因素。

方法1、方法2 中的單鐵芯變壓器是通過調(diào)節(jié)一次繞組的匝數(shù)來改變二次輸出電壓的。匝電壓的平方與短路電壓值成反比，即匝電壓增大時(shí)，二次輸出電壓變大，短路電壓值變小，而匝電壓減小時(shí)，二次輸出電壓減小，短路電壓值變大。故該變壓器短路電壓的變化范圍與調(diào)壓范圍關(guān)系很大。根據(jù)我們?cè)O(shè)計(jì)這類產(chǎn)品的經(jīng)驗(yàn)，當(dāng)二次輸出電壓減小時(shí)，短路電壓（阻抗電壓） 值會(huì)增加到14%左右，甚至更高。而三次側(cè)開斷串變調(diào)壓的電爐變壓器，隨著二次輸出電壓的降低，安匝平衡組數(shù)增加了。與方法1、方法2 中變壓器相比，在同樣的調(diào)壓范圍內(nèi)，采用三次側(cè)開斷串變的電爐變壓器的短路電壓的變化范圍要小得多。通常，其阻抗電壓可在7%～9%之間變化，電壓輸出特性要優(yōu)于方法1、方法2 中的單鐵芯變壓器。

通過上述兩個(gè)方面的比較可以看出，采用三次側(cè)開斷電爐變壓器供電時(shí)，由于電容補(bǔ)償與電爐的匹配佳、短路電壓變化范圍小，從而使電爐的冶煉效率高、噸耗低。

2.2 等級(jí)差調(diào)壓與工藝的匹配性好

由于變壓器繞組結(jié)構(gòu)的影響，開斷在一次側(cè)的電爐變壓器其等級(jí)差調(diào)壓的實(shí)現(xiàn)比較難，即二次輸出電壓較低時(shí)級(jí)差較小，較高時(shí)級(jí)差大。這與冶煉的工藝方法要求剛好相反，使電爐使用不正常。

而采用三次側(cè)開斷電爐變壓器，其是主、串變輸出電壓合成后的輸出為二次輸出電壓，電壓調(diào)節(jié)是通過改變主變調(diào)壓繞組的分接來改變施加在串變高壓繞組上的電壓，使串變低壓繞組的電壓隨之改變，從而改變主、串變低壓繞組的合成電壓，很容易實(shí)現(xiàn)等級(jí)差調(diào)壓，為冶煉帶來了方便，同時(shí)也與冶煉的工藝需求匹配。

2.3 長期運(yùn)行的安全可靠性高

2.3.1 斷路器維護(hù)成本低且使用壽命長

由于電爐冶煉工藝的要求，常常需要對(duì)斷路器進(jìn)行頻繁操作，電爐在冶煉過程中發(fā)生電極短路而產(chǎn)生的過電流保護(hù)也會(huì)使斷路器跳閘。資料顯示，因斷路器故障而導(dǎo)致變壓器損壞的事例并不鮮見。因此，斷路方式及斷路器的選擇成為保障電爐正常運(yùn)行的重要因素。

方法1 和方法2 中的單鐵芯變壓器，均需要110 kV 六氟化硫斷路器從一次側(cè)進(jìn)行開斷與跳閘；而三次側(cè)開斷電爐變壓器只要在三次側(cè)通過35 kV真空斷路器進(jìn)行開斷與跳閘，就可以對(duì)電爐實(shí)現(xiàn)控制與保護(hù)。

2.3.2 有載分接開關(guān)的運(yùn)行可靠性高

在一次側(cè)開斷的電爐變壓器，其調(diào)壓一般是在110 kV 側(cè)，由于大多數(shù)電爐變壓器的調(diào)壓范圍較大，因此其有載分接開關(guān)及調(diào)壓段至分接開關(guān)的引線常常會(huì)承受高于110 kV 星點(diǎn)40 kV 的電壓等級(jí)，這樣就為有載分接開關(guān)的選型和變壓器的運(yùn)行可靠性增加了先天的缺陷。特別是當(dāng)調(diào)壓范圍繼續(xù)增大時(shí)，調(diào)壓段的懸浮電位也會(huì)更高，對(duì)變壓器繞組和開關(guān)的絕緣造成不利。

三次側(cè)開斷電爐變壓器的調(diào)壓段在三次側(cè)，是獨(dú)立的，其絕緣水平不受一次110 kV 側(cè)的制約，可以在設(shè)計(jì)時(shí)靈活掌握，保證了有載分接開關(guān)有較大的絕緣裕度，提高了變壓器運(yùn)行的可靠性。

2.3.3 易于實(shí)現(xiàn)測(cè)量和過流保護(hù)

單鐵芯變壓器只有一次110 kV 繞組和二次幾百伏、幾萬安培的繞組，由于一次電流常常還包含著補(bǔ)償和動(dòng)力（僅指方法2 中），二次出線各組電流分配不均。因此，不論將電流互感器置于110 kV側(cè)或是置于部分低壓出線處，不僅結(jié)構(gòu)上復(fù)雜，成本高，而且還降低了保護(hù)的靈敏度和可靠性。

三次側(cè)開斷電爐變壓器的三次回路中的電流與二次回路中的電流之比是一常數(shù)，即串變高、低壓繞組的匝數(shù)比，因而在串變高壓繞組的引出端接入測(cè)量和保護(hù)用的電流互感器，就可以很精確地實(shí)現(xiàn)對(duì)電爐負(fù)載電流的測(cè)量和過流保護(hù)。

2.4 能提供持續(xù)穩(wěn)定的動(dòng)力電源

顯然，方法2 中的單鐵芯變壓器，其動(dòng)力補(bǔ)償繞組的輸出電壓受一次側(cè)110 kV 斷路器開斷及有載分接開關(guān)調(diào)壓的影響。而三次側(cè)開斷電爐變壓器，電爐冶煉過程中的爐控操作及過電流保護(hù)均可通過三次側(cè)35 kV 真空斷路器實(shí)現(xiàn)；在調(diào)壓時(shí)，也可通過三次側(cè)調(diào)壓繞組分接的變化使串聯(lián)變壓器調(diào)壓；一次側(cè)高壓繞組的匝數(shù)始終不變，匝電壓也不變。因此，其動(dòng)力補(bǔ)償繞組可以不受冶煉過程中各種變化的影響，輸出持續(xù)、穩(wěn)定的動(dòng)力電源電壓。

3 結(jié)束語

電爐采用何種供電系統(tǒng)取決于電爐的容量、調(diào)壓范圍的大小及冶煉過程的工藝需求等多種因素，本文提出的“采用110 kV 直降三次側(cè)開斷串變調(diào)壓的電爐變壓器供電”方法，具有投資成本適中、維護(hù)成本低、運(yùn)行安全可靠、電爐的冶煉效率高、噸耗低等優(yōu)勢(shì)，是大電爐供電的一種有益選擇，既有實(shí)用意義又有推廣應(yīng)用價(jià)值。