（电气工程专业论文）htssp20630035壳式电炉变压器的分析与计算.pdf

h t s s p 2 0 - 6 3 0 0 3 5 壳式电炉变压器的分析与计算 第一章绪论 1 1 课题的来源及任务 课题为贵阳万达工贸有限公司( 运行地点：贵州乌江) 于2 0 0 4 年1 月所订 购的一台埋弧炉变压器，其用于铁合金炉。用户提供的技术数据如下： 变压器型号：h t s s p 2 0 _ - 6 3 0 0 ，3 5 额定容量：6 3 0 0 k v a ( 要求超载额定容量的3 0 能长期可靠运行) 电压组合：3 5 0 0 0 9 6 、1 0 l 、1 0 6 、1 1 1 、1 1 4 、1 1 7 、1 2 0 、1 2 3 、1 2 6 、1 2 9 、 1 3 2 v 联结组：y d l l 额定频率：5 0 h z 相数：3 相 冷却方式：o f w f ( 强迫油循环水冷却) 调压方式：无励磁调压 短路阴抗：7 ( 3 5 0 0 0 1 1 1 v ) 安装方式：户内 其电压、电流见表1 1 1 贵州大学电气工程学院 第4 页共5 3 页 h t s s p 2 0 - 6 3 0 0 3 5 壳式电炉变压器的分析与计算 表1 1 。1h t s s p 2 0 - - - 6 3 0 0 3 5 每级容量、电压、电流 级数容量( k v a )一次侧线电 一次侧线电二次侧线电二次侧线电 压( v )流( a )压( v )流( a ) 15 4 4 98 9 9 9 6 3 2 7 6 8 5 25 7 3 2 9 4 61 0 13 2 7 6 8 5 36 0 1 69 9 2 1 0 6 3 2 7 6 8 5 46 3 0 0 1 0 3 91 1 13 2 7 6 8 5 56 3 0 0 1 0 3 91 1 43 1 9 0 6 2 66 3 0 0 3 5 0 0 01 0 3 9 1 1 7 3 1 0 8 8 1 76 3 0 0 1 0 3 9 1 2 0 3 0 3 1 0 9 86 3 0 0 1 0 3 91 2 32 9 5 7 1 6 9 6 3 0 0 1 0 3 91 2 62 8 8 6 7 5 1 06 3 0 0 1 0 3 91 2 92 8 1 9 6 2 1 16 3 0 0 1 0 3 91 3 22 7 5 5 5 4 我作为贵阳新星变压器有限公司的产品设计项目负责人，承担了这台变压 器的设计方案。经过方案反复对比和改进，此变压器采用壳式铁心结构，并在经 济性和可靠性两方面都满足了用户电炉的要求，运行情况良好。我所做的工作已 完成，但带来了很多的思考，作了以下的研究，以此和大家共同探讨。 1 2 课题研究的目的与意义 按照国标g b t 2 9 0 0 2 3 1 9 9 5 电工术语工业电热设备的定义，具有炉 贵州大学电气工程学院 第5 页共5 3 页 h t s s p 2 0 - 6 3 g o 3 5 壳式电炉变压器的分析与计算 膛的电热设备称为电炉。由于电炉具有能耗低、性能高、环境污染轻和投资见效 快等优势，电炉在近年获得了突飞猛进的发展，目前，电炉已成为现代工业的一 种重要工艺装备。电炉是大量消耗电能的工业用电设备，其用电量在用电设备中 仅居电动机之后，列第二位。它的用途十分广泛，在冶金工业中，电炉用来冶炼 合金钢、铁合金等；在化学工业中，电炉用来生产黄磷、电石和合成树脂等；在 机械工业中，电炉用来铸钢、铸铁和合金熔炼等。作为电炉电源的电炉变压器， 是各种电炉的心脏，它在电、磁、热和机械强度等方面比电力变压器有更苛刻的 要求。同时，设计高效、节能、污染少且可靠性高等特点的电炉变压器迎来了前 所未有的发展机遇，它对国民经济的发展具有重要意义。 1 3 国内外电炉变压器的现状及发展 变压器的结构类型历来分为心式和壳式二大类。我国电炉变压器一向以心 式为主，并且积累了很多设计、制造经验，也基本上满足了电炉冶炼工业的要求。 但在国际变压器制造业中，壳式电炉变压器具有相当的规模和水平，如美国西屋 电气公司、挪威国民工业公司、比利时a c e c 公司等，一直在生产着壳式电炉 变压器。这种变压器能够最大限度地满足用户需要，并具有阻抗低、损耗小、重 量轻等优点。据美国西屋电气公司宣称，壳式电炉变压器与心式电炉变压器相比， 重量可减少4 0 ，油重可减少5 0 ，机械强度可提高3 0 - - 4 0 ，占地面积可减 少3 0 一4 0 ，安装费用可减少1 5 一2 0 。国内虽然有几家变压器厂制造一些 壳式电炉变压器，但其结构、制造工艺、技术经济指标等与国外同类产品相比， 差距还是很大的。所以，研制高水平的壳式电炉变压器是今后产品结构调整的方 向。 贵州大学电气工程学院 第6 页共5 3 页 h t s s p 2 0 - 6 3 0 0 3 5 壳式电炉变压器的分析与计算 第二章电炉与电炉变压器 2 1 电炉的种类与原理 电炉种类很多，按加热方式大致分为电阻炉、电弧炉、感应炉、电子束炉、 等离子炉。电阻炉的加热原理是在直接与电源连接的导电材料内，由通过电流产 生焦耳热，其代表的有电阻加热炉、埋弧炉、电渣炉和石墨炉等；电弧炉的加热 原理是利用气体电弧放电产生热，其代表的有交流电弧炼钢炉、直流电弧炼钢炉、 钢包精炼炉等。属于电阻炉中的埋弧炉以炉料电阻的焦耳热为主，电弧热为辅， 故也称为电阻电弧炉。因其结构与电弧炉相似，习惯上将其归入电弧炉范畴：感 应炉的加热原理是在置于交变磁场中的导电材料内产生感应电流，从而产生焦耳 热。主要有不同频率的感应熔炼炉，其中以工频感应熔炼炉居多：电子束炉的加 热原理是利用真空中高速运动的电子撞击被加热材料而产生热，主要有电子束熔 炼炉；等离子炉的加热原理是利用等离子体的能量产生热，主要有等离子电弧炉、 真空等离子熔炼炉等。 从电炉诞生之日起，人们就不断地研究其降低材料消耗、提高劳动生产率 的方法，通过长期探索，现有较为前沿的高阻抗电弧炉、康斯迪( c o n s t e e l ) 工 艺等，高阻抗电弧炉只完成废钢熔化的任务，采用长电弧、小电流操作，使电炉 节能增效；康斯迪炼钢工艺是以废钢连续预热、连续加料为核心。废钢连续落入 熔池，由钢水熔化，而不是由电弧直接熔化，减少了电干扰和降低了能源需求。 总之，各种电炉的操作工艺、负荷曲线各不相同。 2 2 电炉变压器的特点 不论是哪种电炉，其对变压器都有一些共同要求。如电炉变压器的二次电 贵州大学电气工程学院 第7 页共5 3 页 h t s s p 2 0 - 6 3 0 0 3 5 壳式电炉变压器的分析与计算 压低、电流大，而且二次电压的调节范围大，有时要求二次电压由最高值一直调 节到最高值的2 5 - - 5 0 。这就使得电炉变压器的电压调节与电力变压器有着实 质的区别。电力变压器的电压调节主要是调节一次绕组的匝数来适应电网电压的 波动，以维持二次电压恒定。调节时变压器铁心磁通是不变的，称为恒磁通调压 电炉变压器的电压调节通常是在一次电压不变的情况下，改变二次电压。由于二 次电压低、绕组匝数少，所以无法在二次侧设置调压分接头来进行恒磁通调压。 为了调节电炉变压器的二次电压，人们研究出的调压方式不外乎三种：变磁通调 压、串联变压器调压和自耦调压器调压。 h t s s p 2 0 一6 3 0 0 3 5 变压器采用的调压方式为变磁通调压。因为变磁通调压 的电炉变压器结构简单，而且对一次电压3 5 k v 及以下，调压范围在3 0 以下的 中小型电炉变压器是比较经济的。 2 3h t s s p 2 0 - - 6 3 0 0 3 5 电炉变压器的工作环境及要求 2 3 1h t s s p 2 0 6 3 0 0 3 5 电炉变压器的工作环境 要设计制造一台使用可靠的电炉变压器，必须首先清楚地了解该变压器配置 的电炉加热原理、工作过程和负载特点等。贵阳万达工贸有限公司的这套电炉是 用于熔炼铁合金的三相埋弧炉( 原理图见2 3 1 ) ，埋弧炉属于电阻电弧炉，以炉 料电阻发热为主，电弧很小，也伴有产热的化学反应，炉料电阻变化不大，工作 电流平稳，自然功率因数较高。 贵州大学电气工程学院 第8 页共5 3 页 h t s s p 2 0 - 6 3 0 0 3 5 壳式电炉变压器的分析与计算 三相埋弧炉原理图 图2 3 1 埋弧炉变压器负载连续、平稳，没有电极短路发生，要求阻抗电压尽量低 些，一般要求电炉变压器能长期承受1 1 0 额定电流连续运行。 2 3 2h t s s p 2 0 6 3 0 0 3 5 电炉变压器的技术要求 由于炉料电阻、原料品位及电源电压经常变化，要求变压器有较多的调压 级数，9 6 、1 0 1 、1 0 6 、1 1 1 、1 1 4 、1 1 7 、1 2 0 、1 2 3 、1 2 6 、1 2 9 、1 3 2 ( v ) 共1 1 级调压，每级输出电压级差较小，且从9 6 v 到1 1 4 v 调压为等容量输出。 大型电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平衡现象。负载不平衡和功率转移 是由于短网结构本身所造成的，且是不能清除的，所以炉子电极将出现“活相” 或“死相”的情况。大型电炉变压器通常考虑分相电压调压，使每一相都以最佳 电压工作。由于h t s s p 2 0 一6 3 0 0 3 5 电炉变压器容量较小，没有考虑分相调压。 随着电炉功率加大，大电流回路使炉子具有较大的电抗值，致使电炉功率 贵州大学电气工程学院 第9 页共5 3 页 h t s s p 2 0 - 6 3 0 0 3 5 壳式电炉变压器的分析与计算 因数下降。在炉子回路接入电容器是补偿无功功率最有效的办法，在大型埋弧炉 变压器中，常在三次侧考虑装置移相电容器，由于h t s s p 2 0 _ _ 6 3 0 0 3 5 电炉变压 器容量较小，没有考虑无功补偿。 电炉变压器种类很多，大部份目前尚无标准。对埋弧炉变压器有行业标准 j b t 5 3 4 4 1 2 0 0 4 埋弧炉变压器总则，对电石炉变压器有行业标准 j b t 6 3 0 3 2 0 0 4 电石炉变压器技术参数和要求，对黄磷炉变压器有行业标准 j b t 8 0 5 6 1 9 9 6 黄磷炉变压器技术参数和要求，但对铁合金炉没有技术参数标 准，技术参数与性能值靠用户与制造厂协商确定。贵阳万达工贸有限公司订购的 h t s s p 2 0 _ _ 6 3 0 0 3 5 电炉变压器的技术参数与性能值是用户与我公司商定的。 2 4 壳式电炉变压器与心式电炉变压器的比较 2 4 1 在同行业中对电炉变压器采用壳式和心式的对比 据变压器2 0 0 3 年第4 期，宝鸡永兴变压器有限公司2 0 0 2 年生产的 h c s s p z 一6 3 0 0 ，3 5 埋弧炉变压器作了两种设计方案比较，一种为同心式绕阻的 心式铁心电炉变压器，另一种为交错式绕组的心式铁心电炉变压器。其经过技术 性能参数的比较和主要材料消耗的对比，得出同心式绕组的心式电炉变压器的性 能参数优良，主要材料消耗低。 下面我以宝鸡永兴变压器有限公司设计生产的这台h c s s p z - - 6 3 0 0 3 5 同心 式绕组心式铁心电炉变压器与我公司生产的h t s s p 2 0 - - 6 3 0 0 3 5 壳式铁心电炉变 压器进行性能参数对比及主要材料消耗对比。 贵州大学电气工程学院 第1 0 页共5 3 页 h t s s p 2 0 - 6 3 0 0 3 5 壳式电炉变压器的分析与计算 表2 4 1用户提供的技术数据对比 葛趣 贵阳新星变压器有限公 宝鸡永兴变压器有限公司 司 变压器型号 h c s s p z 6 3 0 0 3 5h t s s p 2 0 6 3 0 0 3 5 6 3 0 0 k v a ( 要求超载额定 6 3 0 0 k v a ( 要求超载额定容量的 额定容量容量的3 0 能长期可靠 2 0 能长期可靠运行) 运行) 联结组别 y d l ly d l l 额定频率 5 0 h z5 0 h z 相数3 相3 相 冷却方式强迫油循环水冷却 强迫油循环水冷却 调压方式有载调压( 变磁通7 级)无载调压( 变磁通1 1 级) 9 6 、1 0 1 、1 0 6 、1 1 1 、1 1 4 、 二次侧线电压 9 6 、1 0 0 、1 0 4 、1 0 8 、1 1 2 、1 1 6 、 1 1 7 、1 2 0 、1 2 3 、1 2 6 、1 2 9 、 1 2 0 v1 3 2 v 短路阻抗 7 ( 3 5 0 0 0 1 0 8 v )7 ( 3 5 0 0 0 1 1 1 v ) 从表2 4 1 可看出，贵阳新星变压器有限公司与宝鸡永兴变压器有限公司设 计生产的变压器，额定容量、一次侧电压等级等主要参数相同，二次侧最低电压 也相同，主要不同在于h t s s p 2 0 6 3 0 0 3 5 变压器的调压范围从9 6 v 至1 3 2 v 超过 了h c s s p z 一6 3 0 0 3 5 的调压范围从9 6 v 至1 2 0 v 。我将贵阳新星变压器有限公司 贵州大学电气工程学院 第1 1 页共5 3 页 h t s s p 2 0 - 6 3 0 0 3 5 壳式电炉变压器的分析与计算 的h t s s p 2 0 6 3 0 0 3 5 壳式铁心电炉变压器设计简单的调整其二次电压从9 6 v 到 1 2 0 v 得到同容量、同电压等级且二次调压范围相同的心式铁心与壳式铁心电炉 变压器的主要材料消耗对比表2 4 2 及技术性能对比表2 4 3 。 表2 4 2 心式铁心电炉变压器与壳式铁心电炉变压器主要材料消耗对比表 ；焉n 茎量量 硅钢片( 蝇)铜重( k g )变压器油重( k g ) 、 心式铁心电炉变压器 5 6 3 81 7 0 55 2 1 0 壳式铁心电炉变压器 5 3 1 72 0 4 94 3 8 5 从表2 4 2 可见，总的来说，壳式铁心电炉变压器比心式铁心电炉变压器耗 材少，重量轻、体积小。 表2 4 3 心式铁心电炉变压器与壳式铁心电炉变压器技术性能对比表( 二次侧线 电压为1 0 8 v ) 磊n 塑能空载损耗( w )负载损耗( w )总损耗( w ) 、 心式铁心电炉变压器 7 4 8 18 7 5 3 09 5 0 1 1 壳式铁心电炉变压器 4 8 6 57 5 4 6 18 0 3 2 6 从表2 4 。3 可见，壳式铁心电炉变压器技术性能指标明显优于- i i , 式电炉变压 器，节能效果显著。 2 4 2 在工艺性能上对电炉变压器采用壳式和心式的对比 心式铁，i i , 与壳式铁心电炉变压器的工艺性能比较见表2 4 4 。 贵州大学电气工程学院 第1 2 页共5 3 页 h t s s p 2 0 - 6 3 0 0 3 5 壳式电炉变压器的分析与计算 表2 4 4 心式铁心电炉变压器与壳式铁心电炉变压器工艺性能对比表 专 心式铁心电炉变压器壳式铁心电炉变压器 片形复杂，阶梯铁心三相每级片形简单，片宽一定，单相只有 三种片形，1 8 0 0 k v a 就有2 7两种；三相只有三种片形。易加 铁心片 个规格片形。难加工，费工时，工，工时省，好管理，节约材料。 带料不好管理，费料多。 连续式绕组，模具复杂，匝数矩形饼式绕组，模具简单，匝数 多，绕制较难，检修更换局部 少，容易绕制，容易互换，但增 高压绕组 绕组较麻烦，抽头出线不便引加组装工作量，易于抽出线头， 出。最适于有载调压变压器。 短螺旋或饼式绕组绕制较难， 铜板组焊，结构简单，引出线短， 低压绕组必须用绝缘纸筒。引出线长。整体性能好，但焊接工作量大， 要求技术水平高。 铁心先叠装然后翻身立起，套铁心在绕组上一次叠装成功。在 铁心叠积装绕组时要拔上铁轭片，装后绕组中穿叠铁心较麻烦。 又需叠片，费工时。 检修较简单，修绕组只要拔上 检修较麻烦，如绕组下部有缺 铁轭，拔绕组。陷，必须拔掉全部铁心，然后全 维修 部重装，要求制造时保证质量， 尽量减少返修。 综上所述，电炉变压器采用壳式铁心结构，其经济指标和技术指标均明显 优于心式铁心结构，工艺性能上有一定的优越性。尤其在能源匮乏的现在和将来 电炉变压器更应向壳式铁心结构发展，因此我对壳式铁心电炉变压器作进一步的 探讨。 贵州大学电气工程学院 第1 3 页共5 3 页 h t s s p 2 0 - 6 3 0 0 3 5 壳式电妒变压器的分析与计算 第三章壳式铁心电炉变压器的结构与特点 贵阳万达工贸有限公司所订购的h t s s p 2 0 6 3 0 0 3 5 电炉变压器采用壳式铁 心结构，现介绍其设计的结构和特点。 3 1 概述 3 1 1 铁心 壳式变压器的绕组被铁心所包围，壳式因此而得名，三相壳式变压器的铁 心与线圈装配位置如图3 1 i 。 铁心与线圈的装配 图3 1 1 贵州大学电气工程学院 第1 4 页共5 3 页 h t s s p 2 0 - 6 3 0 0 3 5 壳式电舻变压器的分析与计算 其铁心为全斜接的框形结构，磁路如图3 1 。2 所示。 壳式变压器铁心磁通 图3 1 2 由图中相量图可知，如果中柱上绕组的绕向与二边柱上绕组的绕向相反 铁轭中的磁通则为心柱中磁通的一半，因此，铁轭截面积为心柱截面积的二分之 。如果三相绕组的绕向相同，铁轭截面积将为心柱截面积的3 2 。所以在壳 式电炉变压器中，其中柱绕组与二边柱绕组的绕向相反。 由于铁心宽度较窄，散热条件较好，所以不论多大容量的壳式变压器铁心 都不另外设置冷却油道，结构简单。 3 1 2 绕组 壳式电炉变压器的绕组为与心柱截面形状相同的矩形。低压绕组是用铜板 制成的，出头为焊接结构。高压绕组为大面积饼式结构，部分高压线饼带有分接 贵州大学电气工程学院 第1 5 页共5 3 页 h t s s p 2 0 - 6 3 0 0 3 5 壳式电炉变压器的分析与计算 头，以备电压变换之用。 壳式电炉变压器一律采用交错式绕组，每相可选用若干个漏磁组，变压器 额定容量及二次电流越大，其组数也越多，以维持每组的磁势不超过某一预定值。 贵阳万达工贸有限公司的h t s s p 2 0 6 3 0 0 3 5 电炉变压器，容量不大，每相选用2 个漏磁组。 3 1 3 冷却方式 壳式电炉变压器一律采用强迫油导向循环、强迫水冷却或强迫油导向循环、 强迫风冷。图3 1 3 表示绕组水平放置时的油流方向。由图中可看出，由于加入 了隔板b ，将使冷却后的变压器油强迫从绕饼间流过，油流均匀，各部温差小， 散热效果好，可使最热点温度降低5 c 左右。我所作的h t s s p 2 0 6 3 0 0 3 5 壳式电 炉变压器采用的是强迫油循环水冷却结构。 图3 1 3 贵州大学电气工程学院 第1 6 页共5 3 页 h t s s p 2 0 - 6 3 0 0 3 5 壳式电炉变压器的分析与计算 3 1 4 油箱 由于壳式变压器的绕组完全被铁心所屏蔽，没有受外力作用而损伤的可能， 所以可根据器身形状，采用适合形状油箱，从而使变压器的尺寸、重量、油重大 大减少。 3 2 采用壳式变压器的特点 3 2 1 机械力小、强度好 理论计算表明，壳式变压器的辐向电磁力是很小的。轴向电磁力大，但当 漏磁组较多时，也能使其明显降低，图3 2 1 是漏磁组为6 的情况，如它与漏磁 组为2 时的主要参数相同时，由于其每个漏磁组的匝数降为1 3 ，每组的机械力 也将降为1 9 。而且壳式变压器的线圈完全被绝缘件所包围，铁心又包围它们， 铁心与油箱用木撑条卡紧，整个器身紧固十分牢靠，短路力能通过绝缘件、铁心 图3 2 1 直接传至油箱，不像心式结构的线圈支撑面少。所以相比之下，壳式变压器的机 械强度高。 3 2 2 绕组耐冲击性能强 由于壳式变压器绕组的线饼数少，线饼的辐向尺寸大，因此线饼间电容较 大，而线饼对地电容却很小，线圈第n 段对地电位为：e 。= e s h n n 入s h 贵州大学电气工程学院 第1 7 页共5 3 页 h t s s p 2 0 - 6 3 0 0 3 5 壳式电炉变压器的分析与计算 式中：e _ 一外施冲击电压 n 一总段数n 一第n 段 九= 一c p 一c s ( c e = c k n ，c s = c c n ) c 一每段对地电容 c c 一段间电容 线饼对地电容与线饼间电容的比值的平方根 决定了起始电压的分布。壳式变压 器的 值一般在0 5 1 5 之间，而心式变压器的 值通常在5 3 0 之间。所以当 冲击电压侵入壳式变压器时，起始电压基本上为线性分布，电压梯度大为减少。 同时由于壳式结构的固有电容较大，使得绕组电压振荡的时间加长，这可使暂态 电压在绕组达到辐值之前已经衰减，因此壳式绕组具有很好的耐过电压的冲击性 能。 3 2 - 3 阻抗低 壳式变压器的每一相可分成若干个漏磁组，且线饼辐向尺寸大，阻抗可设 计为2 一3 ，其机械力和负载损耗亦小。由于变压器无功功率大为减少，炉子 自然功率因数增加。 3 2 4 绕组最热点温度低 由于线饼间油隙是油流的唯一通道，因此流入和流出绕组的油温差很小， 最热点温度将下降5 。如果设计上没有考虑这一问题，它将增加5 左右的额 外过载能力。 3 2 5 分相调压对磁路没有影响 分相调压的三相磁通不再对称，对心式变压器必须采用五柱铁心。但在壳 式铁心中，每一相己经有一个独立磁路，磁路的不对称将不影响铁心的设计。 贵州大学电气工程学院 第1 8 页共5 3 页 h t s s p 2 0 6 3 0 0 3 5 壳式电炉变压器的分析与计算 3 2 6 引线短且易于平衡 线端出线及分接线都在绕组上部尽可能短地引出，低压绕组出头可以采用 相同的长度，从而消除低压引线的阻抗不平衡，减少了炉子作业时的功率转移。 3 2 7 便于油箱内部完成二次侧d ( 或y ) 联结 假如在心式变压器油箱内部完成二次侧d ( 或y ) 联结，套管布置及电流 分布需特别注意。为了得到对称的阻抗分布，套管应以三角形布置为宜，每相套 管之间在变压器外约l m 处并联联结。若这些套管在变压器内部并联联结，对电 流分布将会产生严重问题。 壳式电炉变压器的相互并联又相互独立的低压绕组为克服这一问题提供了 便利条件，将每个低压绕组联结成d ( 或y ) ，得到并联的与每组低压绕组数相 同的独立接线组，这些接线组的阻抗近似相等。 3 2 8 损耗低 我们知道在工程上，负载损耗中附加损耗所占的比例，在一定程度上反映 了变压器的技术性能和经济性能。壳式变压器的附加损耗较同规格的心式变压器 小，这主要是因为以下几点： 1 、壳式变压器的绕组采用多漏磁组数的结构。漏磁组数灵活多变是壳式变 压器的重要特点之一。当变压器的单台容量增大时，漏磁组数同时增大，而每个 漏磁组的容量数并不增大，则漏磁通密度不增大，变压器轴向短路力不增大，附 加损耗比值不增大，局部过热的现象也就不会出现。 2 、壳式变压器矩形绕组的长边处于铁心包围之中，外露绕组漏磁扩散空间 小，因此附加损耗减小。 3 、由于线圈被铁心包围，起到定的屏蔽作用，因而油箱的杂散损耗也减 贵州大学电气工程学院 第1 9 页共5 3 页 h t s s p 2 0 6 3 0 0 3 5 壳式电炉变压器的分析与计算 小了。这样，壳式变压器的总损耗就降低了。 当然，壳式变压器也有其发生故障后难于检修的缺点，需要将铁心全部拆 除后，才能处理线圈，这就要求壳式变压器具有较高的可靠性。 贵州大学电气工程学院 第2 0 页共5 3 页 h t s s p 2 0 - 6 3 0 0 3 5 壳式电炉变压器的分析与计算 算 第四章h t s s p 2 0 6 3 0 0 3 5 壳式电炉变压器的设计计 如前所述，电炉变压器采用壳式结构具有一系列的优越性。但在目前已有 的资料中，还没有关于壳式电炉变压器的系统的理论计算，现对我作的 h t s s p 2 0 6 3 0 0 3 5 壳式电炉变压器的设计计算进行全面的分析。 4 1 技术参数 额定容量：6 3 0 0 k v a 一次电压：3 5 k v 二次电压：9 6 、1 0 1 、1 0 6 、1 1 1 、1 1 4 、1 1 7 、1 2 0 、1 2 3 、1 2 6 、1 2 9 、1 3 2 v 9 6 1 1 1 v 为恒电流输出1 1 1 1 3 2 v 为恒功率输出 联结相：y d t l 额定频率：5 0 h z 相数：3 相 冷却方式：o f w f ( 强迫油循环水冷却) 调压方式：无励磁调压 短路阻抗：7 ( 3 5 0 0 0 1 1 1 v ) 安装方式：户内 贵州大学电气工程学院 第2 l 页共5 3 页 h t s s p 2 0 - 6 3 0 0 3 5 壳式电炉变压器的分析与计算 4 2 主要设计数据 电压电流计算数据如表4 2 1 电压电流数据表 4 2 1 电压电流数据表 分接容量 高压 低压 级数 ( k v a ) 线电压( v )线电流( a ) 线电压( v )线电流( a ) 15 4 4 98 9 99 6 2 5 7 3 3 9 4 61 0 1 3 2 7 6 9 36 0 1 69 9 21 0 6 41 1 l 51 1 43 1 9 0 6 63 5 0 0 01 1 73 1 0 8 8 71 2 03 0 3 1 1 6 3 0 0 1 0 3 9 8 1 2 32 9 5 7 2 9 1 2 62 8 8 6 8 1 01 2 92 8 1 9 6 1 11 3 22 7 5 5 5 主要材料： 铁心钢片采用3 0 q 1 3 0 冷轧硅钢片 高压线圈导线采用纸包扁铜线 3 3 5 1 0 z b 0 9 5 4 3 1 0 9 5 贵州大学电气工程学院 第2 2 页共5 3 页 h t s s p 2 0 - 6 3 0 0 3 5 壳式电炉变压器的分析与计算 绝缘材料采用a 级绝缘材料，最高平均温度不超过1 0 5 。c 铁心片宽取1 6 0 m r n ，据我公司工艺对厚o 3 的钢片，其叠片系数为o 9 6 ， 对铁心叠厚取5 5 5 m m 。铁心有效截面积a c 为1 7 0 4 9 6 c m 2 。 据电磁感应定律： u - - - 4 4 4 f w 中。1 0 。5 = 2 2 2 w b a c l 0 + 5 = l 4 5 0 w ba c 式中：u 一感应电势，v f 一频率，5 0 h z w 一线圈匝数 击。一磁通，巾。= b a c b 一磁通密度，干高斯 a c 一铁一i i , 有效截面积，厘米2 每匝电势e t = u f f , = b a c 4 5 0 伏匝 即b = 4 5 0 e t a c h t s s p 2 0 6 3 0 0 3 5 低压线圈设计为2 匝，采用变磁通调压，对每一级电压所 计算出的铁心磁通密度及高压线圈匝数见表4 2 2 。 贵州大学电气工程学院 第2 3 页共5 3 页 h t s s p 2 0 - 6 3 0 0 3 5 壳式电炉变压器的分析与计算 表4 2 2铁心磁通密度及高压线圈匝数表 级低压电压 低压线圈匝 匝电势高压线圈匝 磁通密度 数( v ) 数 ( v 匝)数 ( 千高斯) 1 9 6 4 84 2 1 1 2 6 7 21 0 15 0 54 0 01 3 3 3 31 0 65 33 8 11 3 9 9 4 1 1 15 5 53 6 41 4 6 5 5 1 1 4 5 73 5 51 5 0 4 61 1 725 8 53 4 51 5 4 4 71 2 06 03 3 71 5 8 4 81 2 36 1 5 3 2 91 6 2 3 91 2 66 33 2 11 6 6 3 1 01 2 96 4 53 1 31 7 0 2 1 l 1 3 2 6 63 0 61 7 4 2 高压线圈采用中部调压方式，其调压分接如图4 2 1 图4 2 1 贵州大学电气工程学院 第2 4 页共5 3 页 h t s s p 2 0 - 6 3 0 0 3 5 壳式电炉变压器的分析与计算 高低压绕组排列及高压线段匝数绝缘如图4 2 2 所示。 图4 2 2 据高低压绕组排列计算出铁心窗口长为2 6 0 m m ，据高压线圈辐间3 2 0 m m 计算出铁心窗口宽为4 1 0 m m ，铁心设计尺寸如图图4 2 - 3 。 图4 2 3 贵州大学电气工程学院 第2 5 页共5 3 页 h t s s p 2 0 - 6 3 0 0 3 5 壳式电炉变压器的分析与计算 高压线圈为饼式绕组，其每一饼的平面设计尺寸如图4 2 4 低压线圈由厚度 为$ m m 的钢板组焊而成，每一匝的平面设计尺寸如图4 2 5 。 图4 2 4 贵州大学电气工程学院 第2 6 页共5 3 页 h t s s p 2 0 - - 6 3 0 0 3 5 壳式电炉变压器的分析与计算 图4 2 5 阻抗电压的计算： 阻抗电压是指变压器二次绕组短路并流过额定电流时，变压器原边绕组所 应施加的额定频率的电压，通常用额定电压的百分值表示。它包括两个分量，即 电阻电压和电抗电压，分别对应着短路电阻和短路电抗。电阻电压须换算到绕组 平均运行温度7 5 c 时的值，由于它很小，对于大型变压器通常忽略不计。阻抗 电压以额定电压百分值表示时，则电阻电压为： u k o = i nyk 7 5 ，l n 1 0 0 = p k 7 5 1 0 p n 式中：i n 一额定电流； u n 一额定电压： yk 7 5 一换算到7 5 c 时的绕组短路电阻( q ) ； 贵州大学电气工程学院 第2 7 页共5 3 页 h t s s p 2 0 - 6 3 0 0 3 5 壳式电炉变压器的分析与计算 p k 7 5 7 5 时的负载损耗( w ) p n 一额定容量( k v a ) 电抗电压： u k x = i n x k ，u n 1 0 0 式中：x k 一短路电抗 阻抗电压：u k x = ( ( u k o ) 2 + ( u k 。) 2 ) 壳式变压器的电抗计算式与心式基本相同，只是每一个漏磁组可看成是一 对同心式线圈卧放的情况，如图4 2 6 黛堪黛蠼 麓心 y 益式变压嚣( 同心或)袖) 费斌变压器( 交错式) 图4 2 6 因此壳式变压器电抗电压的可用公式 u k x = 4 9 6 f l l w l d pn ( e t h 1 0 6 ) 式中：卜频率： i i 一一个平衡组内高压额定相电流( a ) w - 一一个平衡组内高压额定总匝数 贵州大学电气工程学院 第2 8 页共5 3 页 萝 麟 h t s s p 2 0 - 6 3 0 0 3 5 壳式电炉变压器的分析与计算 e 广每匝电势( 伏匝) h 一高低压线饼裸线平均辐向尺寸( c m ) 凡一一个平衡组内裸线轴向高度( c m ) ； pn _ 一横向电抗洛氏系数。 pn = 1 一l “u ) ( 1 _ e u ) ( 1 巾5e 2 1v ( 1 e 了【u ) 1 2 1 + 1 l l ( 1 + e “。v ) ) u = h 九v = s xv = s ，九 s 一铁心至内线圈裸线间距离( c m ) s 一铁心至外线圈裸线间的距离( c m ) 卜高低压线圈的平均匝长( c m ) 。 对h t s s p 2 0 6 3 0 0 3 5 壳式电炉变压器： h = ( 3 2 + 3 4 ) 2 = 3 3 ( c m ) = 1 0 7 5 c m s = s = f 3 5 + 4 5 ) 2 = 4 1 = ( 3 1 2 7 + 3 2 4 2 ) 2 = 3 1 8 4 5 1 1 = 2 x5 5 5 = 1 1 1l l = l l t = 3 1 8 4 5 1 1 1 = 2 0 7 4 5 u = 3 3 1 0 7 5 = 3 0 7 v = v = 4 1 0 7 5 = 0 3 7 p 。= o 9 0 3 当二次电压为l l l v 时，在一个平衡组内匝数为1 8 2 匝 其漏磁面积d = 1 3 ( 2 x 0 8 + 3 x 1 ) + 3 0 5 + ( 1 2 ) 2 0 7 + ( 5 2 1 8 2 ) 2 x 1 , 2 + ( 1 2 3 1 8 2 ) 2 x1 2 】5 0 7 = 2 7 4 ( c m 2 ) 其电抗电压u k x ( ) = 4 9 6 5 0 x1 0 3 9 x1 8 2 2 7 4 0 9 0 3 5 5 5 3 3 1 0 6 = 6 3 4 贵州大学电气工程学院 第2 9 页共5 3 页 h t s s p 2 0 - 6 3 0 0 3 5 壳式电炉变压器的分析与计算 电阻电压u k 。( ) = p k t j i op h = 7 2 6 4 5 1 0 6 3 0 0 = 1 1 5 式中：p k 7 5 7 5 时的负载损耗( w ) ； p n 一额定容量( k 、，a ) ； 阻抗电压u k = 6 4 4 损耗计算： 壳式铁心变压器的电阻损耗、涡流损耗，空载损耗和空载电流的计算与心 式铁心变压器均相同，恕不赘述。这里想提的是壳式电炉变压器的杂散损耗跟低 压出线端子的布置型式关系很大。因为壳式电炉变压器的高压电流较小，所以损 耗较小，一般不单独计算，其杂散损耗主要是由于低压电流引起的。在相同电压 容量时，当低压出线端子数越多时，其杂散损耗越低。 机械力计算及校核 在设计壳式电炉变压器时，一股高低压线圈幅向尺寸相差不大，安匝分布趋 于平衡，因此幅向力很小，可以不计算，但是横向漏磁在每个平衡组中产生幅向力 使组内导线受到弯曲，组内垫块受到压缩 由图4 2 7 可见，靠近主漏磁空道那饼的磁势最大，由于电磁力正比于磁势， 所以从受力角度看，“危险截面”是靠近主空道的线饼。对h t s s p 2 0 6 3 0 0 3 5 壳 式电炉变压器而言。当二次电压为9 6 v 时，电压分接连接为1 2 时，其轴向电磁 力最大。 贵州大学电气工程学院 第3 0 页共5 3 页 h t s s p 2 0 - 6 3 0 0 3 5 壳式电炉变压器的分析与计算 图4 2 7 现将每一饼绕组当作刚体看待，并不考虑它内部绝缘的弹性，而让这些弹性 变成额外的安全系数。将两垫块间的线饼看作受均匀载荷q 作用的固定支架。受 力如图4 2 8 所示。 贵州大学电气工程学院 第3 i 页共5 3 页 h t s s p 2 0 - 6 3 0 0 3 5 壳式电炉变压器的分析与计算 线饼受力分析 图4 2 - 8 根据材料力学可计算出p 蛆= r b = q v 2 ，固定端力矩为m a = m b = q 1 2 1 2 ，在 图4 2 9 中对0 点求力矩得： m + m a + ，。q x d x r a x = o m = r a x m a - ，x q x d x = q l 2 x 口1 2 1 2 qx 2 2 d m d x = o 时，x = l 2 则m = q l2 2 4 另外，当x = o m = q l2 1 2 x = l m = 一q l2 1 2 据此，知最大弯矩发生在垫块的边缘并由当d 2 m ( d 2x ) 0 ，可画出弯矩如图 4 2 8 c 所示 贵州大学电气工程学院 第3 2 页共5 3 页 h t s s p 2 0 - 6 3 0 0 3 5 壳式电炉变压器的分析与计算 又令q v 2 * x q 1 2 1 2 q x 2 2 = 0 得x l = o 0 6 7 i x 2 = o 9 3 3 1 由此可知，线饼的最大剪力发生在距绝缘垫块边缘的o 0 6 7 1 处 综上分析，最靠近主空道的线饼且在距绝缘垫块边缘处最危险，此处所受的 最大弯曲应力o m a x 为： om a x = m m a x w = 0 6 4 ( k l * k f * i n * w n ) 1 2pn ( w n + n + a + b 2 * h x * 102 ) + ( 2 m 1 ) m 2 ( m p a ) k l = 1 0 0 ( u k + u s ) k f = l + e 。u 。删h 式中k l 一短路电流稳定值倍数； k f - 一冲击系数： i n w n 一一个漏磁组里的高压或低压线段的安匝数： 1 - - - 两绝缘垫块间沿线匝绕制方向的净距离( c m ) ； p 。横向电抗洛式系数； m 一个平衡组内高压线饼段数； w n 一靠近主空道线饼内的匝数； n 一每匝并绕导线根数； a - - - 裸导线辐向尺寸( c m ) ； b - - - 裸导线轴向尺寸( c m ) ： h 高低压线饼裸导线辐向平均尺寸( c m ) ； u k 变压器阻抗百分值； u s 线路阻抗百分值 u s = 1 0 0p n p s 贵州大学电气工程学院 第3 3 页共5 3 页 h t s s p 2 0 - 6 3 0 0 3 5 壳式电炉变压器的分析与计算 p n 变压器额定容量( k v a ) p s 系统短路容量仪v a ) ； 3 5 k v 级为1 5 1 0 6k 、，a u k o 电阻压降百分值： u k x 电抗压降百分值。 对这台h t s s p 2 0 6 3 0 0 ，3 5 壳式电炉变压器 p n = 6 3 0 0 p s = 1 5 + 1 0 6 u s = 1 0 0 * 6 3 0 0 ( 1 5 + 1 0 6 1 = o 4 2 k l = 1 0 0 ( u k + u s ) = 1 4 5 8 u k o = 1 1 5 u k x = 6 3 4 k f = 1 5 7 1 = 7 5 pn = 0 9 0 3 m = 3 w n = 7 1 n = l a = 0 3 3 5 b = l h = 3 3 靠主空道的线饼所受的最大弯曲应力为 om a x = 1 0 4 m p a 贵州大学电气工程学院 第3 4 页共5 3 页 h t s s p 2 0 - 6 3 0 0 3 5 壳式电炉变压器的分析与计算 h t s s p 2 0 - 6 3 0 0 3 5 壳式电炉变压器的高压线饼采用纸包电磁线，许用弯曲应力 o 】为 1 2 0 m p a ，低压导线采用铜板，许用弯曲应力【0 】为2 0 仲a ，所以此变压器在电动力的作用下 线饼机械强度足够。 贵州大学电气工程学院 第3 5 页共5 3 页 h t s s p 2 0 - 6 3 0 0 3 5 壳式电炉变压器的分析与计算 第五章电炉变压器的保护和检测 5 1 电炉变压器的保护 电炉变压器是电炉的心脏，它的安全运行直接关系到电炉供电和稳定运行， 一旦故障而损坏造成的损失很大。因此必须针对变压器的故障和异常工作情况， 根据其容量和重要程序，装设动作可靠、性能良好的保护继电器。电气类的差动 保护、过电流保护、短路接地保护等，而非电量的保护有气体继电器、压力释放 阀、温度控制器、油位计保护等，现将各种保护的动作原因及用途列成表5 1 1 。 表5 1 1电炉变压器保护的动作起因及用途 保护名称检出方法动作起因用途 差动保护电气因绕组段间短路，端子部分产跳闸用 生短路而引起的短路电流 过电流保护电气除上述情况外，由于变压器外 跳闸用 部短路而引起的短路电流及过 负荷电流 接地过电流保护电气变压器外部的接地短路电流因跳闸用 绕组和铁芯之间的绝缘击穿引 起的接地短路电流 瓦斯继电器机械由于异常过热和油中电弧使气轻瓦斯报警用、重瓦斯 压、油流量增大或油面降低跳闸用 压力释放阀机械 由于异常过热，油中电弧使油跳闸用 压、气压剧烈上升 贵州大学电气工程学院 第3 6 页共5 3 页 h t s s p 2 0 - 6 3 0 0 3 5 壳式电炉变压器的分析与计算 电接点式油位计机械漏油使油位降低跳闸用 信号温度计热油温异常升高报警用 对于h t s s p 2 0 6 3 0 0 3 5 电炉变压器，考虑其容量较小，一次侧电压等级低 等因素，按j b t 5 3 4 4 1 2 0 0 4 埋弧炉变压器总则规定，在油箱和储油柜之间 的连接导管上装有气体继电器( 型号：q j 5 0 ) ，即瓦斯保护。当变压器严重漏油 或轻微故障时，如接触不良，铁心叠片之间绝缘不良等，在所产生的气体压力作 用下，引起轻瓦斯保护动作，延时作用于信号；当变压器内部发生严重故障，如 绝缘击穿、断线等而引起油中闪络放电电弧，使固态绝缘材料和变压器油发生热 分解而产生气体，变压器内部压力剧增，油急速经联管冲击储油柜，冲动重瓦斯 保护动作，瞬时作用于跳闸。为了保证变压器故障时产生的气体压力不致引起油 箱变形甚至爆炸，在其油箱上部加装了压力释放阀( 型号：y s f 5 3 5 5 0 j ) 。在变 压器箱盖上装有两个温度测量装置，一个为水银温度计，用于测量油顶面温升 另一个为信号温度计( 型号：w t y k 0 3 a ) ，当油顶面温升大于6 5 k 时，作出报 警。在h t s s p 2 0 6 3 0 0 3 5 电炉变压器冷却系统控制线路设计中，考虑当工作冷 却器故障时( 冷却器型号：y s l 1 6 0 2 ) ，备用冷却器能自动投入运行，为变压 器正常运行提供条件。 5 2 用油中含气成份对电炉变压器的内部进行检测分析 当电炉变压器的瓦斯动作、声音异常或从外面观察认为内部有异常时，首 先应查清喷油程度，响声大小与部位，保护继电器动作状态，负荷情况和电