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1、第 4 4 卷第 8 期 2 0 0 7 年 8月.绷澎 厂瓜吮侧冤月2亿勿2万V O I 卜 4 4 A u g u s tN 。 旦 2 0 0 7电炉变压器的结构设计探讨霍慧芝 ( 贵州师范大学， 贵州 贵阳 5 5 0 0 1 4 )摘要: 阐 述了 壳式电炉变压器结构的 设计， 并分析了 结构特点。关键词: 电炉变压器; 设计; 结构 中图分类号: T M 4 0 1 + . 1文献标识码: B文章编号: 1 0 0 1 一 8 4 2 5 ( 2 0 0 7 ) 0 8 一 0 0 1 0 一 0 4D is c u s s io no nS t r u c t u r eD e
2、s ig no f F u r n a c eT r a n s f o r m e rH U O H U i 一 h i ( G u iz h o uN o r m a I U n iv e r s it y ， G u iy a n g5 5 0 0 1 4 ， C h in a )A b s t ra c t : T h es t r u c t u r ed e s ig no f s h e ll一 t y P ef u r n a n c et r a n s f o r m e r isd is c u s s e d .lt ss t r u c - t u r ec h a
3、r a c t e r i s t ic sa r ea n a ly z e d . K e yw o r d s : F u r n a n c et r a n s f o r m e r ; D e s ig n ; S t r u c t u r e月 U 吕我国生产心式电炉变压器的厂家较多，有很多 设计、 制造经验，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，因为壳式电炉变压器具有阻抗 低、 损耗小、 结构紧凑和重量轻等优点。某公司对电 炉变压器的设计制造做了大量分析研究，并验证了 电炉变压器采用壳式结构的优越性。一二 口匡
4、二 口 医 二 口 一 卜 一 巾 ， - 一 弓 、 一 电- - 一 - - - 一岁 一电一 一匡 习 ! .巨 习 巨 习 一巾 ，2几巾 ， 2九2壳式电 炉变压器的结构特点及优点2.1 结构特点2 . 1 . 1 铁心壳式电炉变压器的铁心为全斜接缝的框形结 构， 磁路如图 1 所示。 其铁心宽度窄， 散热条件好， 结 构简单。2 . 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。低压绕组用整块铜板制造， 散热条件好， 出 头为焊接结构; 高压绕组为饼式结构。 绕组排列一律 采用交错式。每组内的高压线段与低压线段应具有 相等的磁势， 其辐向尺寸应基本相等。 理论上
5、将低压 线段放在两端， 因其对铁心的绝缘距离小。 但是为了 使变压器短路阻抗小些，需要多个漏磁组才能达到图1 壳式变压器铁心磁通Fi g . I C o r en ux o f s h e l l 一 t y 碘 t r a n s for m e r要求， 而低压线段放在两端会使漏磁组数受到限制， 所以有时将高压线段放在两端。 在调压过程中， 为了 使线段配置得对称并保证磁势平衡，调压线段通常 采用多路并联， 从而保证各漏磁组阻抗相等， 各路低 压线段的电流也相等。 2 . 1 . 3 冷却方式壳式电炉变压器一般采用强迫油导向循环、 强 迫水冷却或强迫油导向循环、 强迫风冷的冷却方式。 由于
6、壳式变压器在油箱和器身之间可以方便地设置 隔板， 使冷却后的变压器油强迫从线饼间流过， 油流万方数据第 8 期霍慧芝: 电炉变压器的结构设计探讨均匀、 各部分温差小、 散热效果好， 可使最热点温度 降低5 左右， 增加变压器的额外过载能力。2 . 1 .4 油箱由于壳式变压器的绕组完全被铁心所屏蔽， 受 外力作用而损伤的可能性较小，所以可根据器身形 状， 采用适合形状的油箱， 从而使变压器的尺寸和重 量大大减少。22 采用壳式变压器的优点 2. 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。轴向电磁力虽然比较大， 但当漏磁组较多时， 也能使其明显降低。壳式变压器
7、的绕组完全被绝缘 件所包围， 铁心又包围它们， 铁心与油箱用木撑条卡 紧， 整个器身紧固牢靠。短路力通过绝缘件、 铁心直 接传至油箱， 不像心式结构的绕组支撑面少， 所以， 壳式变压器的机械强度高。 2. 2. 2 绕组耐冲击性能强由于壳式变压器绕组的线饼少，而且辐向尺寸 大， 因此线饼间电容较大， 而对地电容却很小， 所以 当冲击电压作用到壳式变压器上时， 起始电压基本 为线性分布， 电压梯度大为减少。 同时由于壳式变压 器的固有电容较大， 使得绕组电压振荡的时间加长， 暂态电压在绕组达到幅值之前就已经衰减， 因此， 壳 式变压器绕组具有很好的耐受过电压冲击的性能。 2. 2.3 胆抗低壳式
8、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， 电 炉功率因数自 然增加。 2. 2. 4 分相调压对磁路没有影响由于分相调压的三相磁通不对称， 所以心式变 压器必须采用五柱铁心。 但在壳式变压器铁心中， 每 一相已经有一个独立磁路，磁路的不对称不影响铁 心的设计。 2. 2. 5 引线短且易于队杭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， 减少了电炉作业时的功率转 移。 2. 2. 6 便于油箱内部完成二次侧D( 或
9、Y) 联结心式变压器假如在油箱内部完成二次侧D( 或 Y ) 联结， 套管布置及电流分布须特别注意。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。壳式电炉变压器相互并联又相互独立的低压绕 组为解决这一问题提供了便利条件，将每个低压绕 组联结成 D ( 或Y ) ， 并联后得到的独立接线组与每 组低压绕组数相同， 这些接线组的阻抗近似相等。2.2. 7 损耗低工程上， 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
10、心式变压器小， 主 要因为以下几点。( 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主要特点之一。 当变压器的单台容量增大时， 漏磁组数也同时增多， 但是每个漏磁组的容量并不增大， 则漏磁通密度、 变 压器轴向短路力和附加损耗比值不增大，不会出现 局部过热的现象。( 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 ) 由于绕组被铁心包围， 有一定的屏蔽作用， 油箱的杂散损耗减小了。 这样， 壳式变压器的总损耗 就降低了。3工程实例通过某公司根据用户要求研制的3 5 k V， 6 3 00k V A电炉变压器
11、加以分析。 用户提供的技术数 据如下。变压器型号: H C S S Pz2 0 一 6 3 00/ 35额定容量: 6 3 0 O 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: 一次电压等级为350 0 O V ， 二次电压分别为9 6V、 I O OV、 1 0 4V、 1 0 8 v 、 1 1 2V、1 1 6 V、 1 2 0 V联结组: Y dll额定频率: 5 0 H z相数: 3 相冷却方式: O F W F调压方式: 有载调压短路阻抗: 7 % ( 电压组合为350 00/ 1 0 8 V )安装方式: 户内， 海拔looo mH C SsPz20一
12、 6300/35电炉变压器每级容量 、 电 压和电流如表 1 所示。心式电炉变压器采用同心式绕组结构时， 其性 能指标和经济指标均优于交错式绕组结构。对用户 订购的心式电炉变压器和壳式电炉变压器做了性万方数据1 2第 4 4卷表 I H C S S P Z 2 0 一 6 3 0 0 / 3 5电炉变压器每级容量、电压 、 电流表 4Ts b l e 4Te技术性能指标测试结果s t e dd a ta o ft e c h ni cP a r a m e te r s T a b l el P o wer， v o l tage a n dc u r ren t i ne a c I 1 s
13、 恤 罗 of HCS S P Z 2 0 一 6 3 0 0 / 3 5fur n a c et r a nsfor me r调压级数额定容量/ k V A 一一 次 电 压 等 级 /V 一! 一 次 电 流二 次 电 压 额 定 二 次_ 里二_ _曳 互 兰9 6 一 3 3 6 7 5 5l 一 56 00 一一一一 一 f一 3 5 0 00一一! 一一一92 4 2 一5 8 3 3厂 亏 6- 2 : 一 丁 丽3 36 7 8 . 8360 6 71分 - 一 一一 1 00. 11 043 36 7 8 名汀 一 一 一 甲 - - 一 一1 0 3 月1 1 0 83 3
14、6 7 884一刁6 30 0一 ， 一 ，0 3 9 一一 门 1 1 2.一一、 13 2 4 7 6 . 05 63 0 0r 一一- - 一 一1 0 3 . 91 1 6l3 13 5 6 . 1663 X ) ，0 3 9一 2 03 03 1 0 乡一 - 一- 一 1 7一6 3 0 0_ 二 次电仄/ V9 6一 空 载 损 耗/ W一 负 载 损 耗总 损 耗 一/ 尹 认一/ W一 短 路 阻 抗/ %4 6 7 7 1匕8 3 8 3 08 8 50 7 :9 . 31 0 8些 三 竺丰_ 78 3 吐 _ 缪 5 76 _一64 3 8 5 7 2 ” 7 ，7 .
15、 11 2 0 5 . 9 3 一 心式与壳式电炉变压器的工艺性能比较见表5 。表5 心式与壳式电炉变压器工艺对比表T a b l e5 T e c h n o l o g i c a l l i s t o f c o r e 一 ty pe a n ds h e l l 一ty pe fur n a c et r a n s fo r m e r s能参数及主要材料消耗的对比。 如表2 和表3 所示。从表2 可见，采用壳式电炉变压器较心式电炉表2 心式与壳式电炉变压器材料消耗对比表T a b le2 Ma te rial consu m P ti o nl i s t Of c o r e
16、 一 t y P ea n ds h e l l 一 ty P efur nac etr a nsfo r m e r s_ 沂一硅 钢 片3 O Q 1 3 0/ k g铜重/ k g变压器油重/ k g油箱及附件重/ k g心式电炉变压器56 3 917 1 115 1 9 043 6 0壳式电炉变压器52 5 619 6 243 8 531 6 5表3 心式与壳式电炉变压器技术性能对比表T a b le3 T e c h n i cP a ram e te rl is t o f c o r e 一 ty P ea nd由e U 一 ty P efur n a c etr a l 招 f
17、o r m e r s 毓 倒 瞥空载损耗/ W负载损耗/ W 一J急损耗一朋一: 短路阻抗 一 / % J 心 式电炉变压器7 0 64， 8 3 6 5 6 一9 07 2 072壳式电炉变压器61 647 75 7 15 3 7 3 5 7.0变压器可节约硅钢片3 8 3 k g 、 变压器油S O 5 k g 、 钢材 1 19 5 k g ， 虽然多用铜2 5 1 k g ， 但是总成本仍可节约 13092 元。 总的来说， 壳式电炉变压器比心式电炉变 压器具有耗材少， 重量轻和体积小的优点。从表3 可见，电炉变压器采用壳式结构其空载 损耗、负载损耗及总损耗较心式分别下降1 2. 7
18、 %、 7 .3 % 和7. 7 %， 壳式电炉变压器的技术性能指标明显 优于心式电炉变压器， 节能效果显著。某公司对设计方案反复比较后，采用了壳式结 构。在生产制造中， 严格执行150 9 0 01 标准， 产品试 验结果符合合同及标准要求。主要性能指标测试结 果见表4 。产品在经济性和可靠性方面都满足了用 户的要求， 运行情况良 好。4电炉变压器采用壳式结构和心式结构的工艺性能对比伙构 ， 毛 曰心式电炉变压器壳式电炉变压器铁心片片形复杂，阶梯铁心三相每级 3 种片形， L S O O k V A就 有2 7 种片形。难加工、 费工时、带料不好管理而且费料 多 。一片形简单 . 片宽一定
19、， 单相只有2种片形;三相只 一有3 种 片 形 易 加 工、 省 工 1 时， 好管理而且节约材料。 一高压绕组连续式绕组， 模具复杂， 匝数多. 绕制较难， 检修更换局部绕组较麻烦，抽头出线不便引出。矩形饼式绕组，模具简单， 匝数少， 容易绕制和更换， 但增加了组装工作量，易于抽出线头，适于有载调压变压器。一一低压绕组螺旋式或饼式绕组绕制较难， 必须用绝缘纸筒。 引出线长。铜板组焊， 结构简单 ， 引出线短， 整体性能好， 但焊接工作量大.要求技术水平高。铁心叠积铁心先叠装然后翻身立起， 套装绕组时要拔上铁扼片， 套装后又需插 L 铁扼片，费工时。铁心在绕组上一次叠装完成。但在绕组中穿叠铁
20、心较麻烦。维修修绕组只须拔上铁扼和绕组如绕组有缺陷，必须拔掉全部铁心， 然后重装 ， 要求制造时保证质量，尽量减少返修。5结束语综上所述， 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 性能方面也有一定的优越性。尤其在能源匿乏的现 在和将来， 从节能方面分析， 电炉变压器更应向壳式 铁心结构发展。目 前，虽然国内有一些变压器制造厂生产壳式 电炉变压器， 但其结构、 制造工艺和技术经济指标等 与国外同类产品相比， 有一定的差距。所以， 研制高 水平的壳式电炉变压器是值得考虑的。( 下转第24 页)万方数据经济上， 由于整流变压器负载小， 空载损耗占较大比 重，
21、单台整流机组运行将比两台整流机组并联运行 经济， 根据初步估算， 单台整流机组运行时的损耗只 是两台整流机组并联运行损耗的60%。按此推算， 初期如采用单台整流机组运行，将比采用两台整流 机组并联运行节省运营费用。由于近期和远期负载相差不大，不宜采用单台 整流机组运行的方式，以免整流机组在正常情况下 过负载运行，且电能损耗与两台整流机组并联运行 时基本相当，因此按两台整流机组并联运行考虑为 佳。5 结束语通过对城市轨道交通供电系统变压器运行方式 的分析，中压环网供电系统主变电所应安装自 动有载调压变压器，而且建议采用中性点消弧线圈接地 方式;而对轨道交通牵引供电系统的变压器建议安 装有载调压变
22、压器但不必安装平衡绕组。这种配置 能很好地满足负载的要求。参考文献:【 11 王立天. 地铁整流机组采用双三相桥并联时取消平衡电抗器的原因 t AZ ooZ 年城市轨道交通首届中 青年专家论坛文集f C .北京: 兵器工业出版社， 200 2. 21谢毓城. 电力变压器手册t M . 北京: 机械工业出版社，2 00 3.3 郑瞳芷. 城市轨道交通牵引供电系统 M J . 北京: 中国铁道出版社， 2 (X)3.4王念同， 魏雪亮. 轴向双分裂式 12脉波牵引整流变压器均衡电流的分析计算 IJ . 变压器， 1 9 9 9 ， 3 6( 7 ) : 1 5 一 2 0 、1 9 9 9 ， 3
23、 6 ( 8 ) : 1 5 一 1 8 .收稿日期: 2 (X)7 一 06一 12作者简介: 李建民( 1 %6 一 ) ， 男， 河南浚县人， 郑州铁路职业技术学院副教授。 主要从事轨道交通供电和电气工程方面的教学和研究工作;张伟( 19 64一 ) ， 男， 辽宁抚顺人， 沈阳铁路局工程管理所高级工程师， 主要从事工程管理和技术研究工作。. 刊 卜 翻 州 卜. 卜” 卜 州 卜一 卜” 一 卜. 叫 卜一 月卜 . 卜一 州 卜. 州 卜一 神一 ， 刊 . 叫 卜” 卜” 叫 卜. 州 卜” 卜” 刊卜 . 州 卜，. 州 卜. 州 卜一 卜一 州 卜一 卜一 州 卜一 月 加 冲
24、. . 刊 卜 . 州 卜. 州 卜一 卜一 州 卜的 州 卜一卜. 神一 一 卜. 州 卜一 州 卜一夺 “ 一 卜. 州 卜.净 一 . 刊 卜二 叫 卜.( 上接第9 页)6结束语本文中介绍了变压器电磁优化程序的基本设计 思路、 方法及程序的主要功能。 使用该程序可以大幅 降低矿用隔爆型干式变压器的材料成本，进行定材 料和模具的工程优化设计， 缩短设计周期。 利用优化 程序， 还可以对影响产品成本的因素进行专项和综 合的分析，有利于提高设计人员对电磁计算影响因 素的理解。使用该程序设计的矿用隔爆型系列干式变压器已顺利通过防爆性能试验， 并获得国家煤矿 防爆安全产品质量监督检验中心颁发的防
25、爆合格证 书。 综上所述， 矿用隔爆型干式变压器电磁优化程序 的开发和应用对提高企业的竞争力具有重要意义。参考文献:王学群.变压器优化计算程序的设计 J 】 .变压器，2 (X)5 ， 4 2 ( 1 ) : 4 一 6 .张钧良. Vis u aIB as i C 程序设计教程仁 M . 南京: 东南大学出版社， 2 0 0 4 .，.J，.J 11， 厂.LL.L收稿日期作者简介2 (X)7 一 0 5 一 1 0裕绍玉( 197 8 一 ) ， 男， 江苏建湖人， 南京大全变压器有限公司技术部， 主要从事干式变压器开发和设计工作。，llJF.es ，白飞 r.Lr.月L( 上接第 1 2页)参考文献:【 1路长柏， 朱英浩. 电力变压器计算 M . 哈尔滨: 黑龙江科学技术出版社， 1 9 9 0.崔立君. 特种变压器理论与设计【 M .北京: 科学技术文献出版社， 199 6.刘苹， 康鹏锁. H C S S Pz一 63 X ) / 3 5 矿热炉变压器两种设计方案的比较 J . 变压器， 2 0()3 ， 4 0 ( 4 ) : 1 9 一 2 0 .收稿日期: 2 007 一 04一 2 0 作者简介: 霍慧芝( 1968一 ) ， 女， 山东省德州市人， 贵州师范大学智能信息处理研究所硕士研究生， 从事电气工程教学和科研工作。万方数据