CN104769688B - 单相电炉变压器 - Google Patents

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Abstract

根据本发明的基本原理，提供了一种单相电炉变压器，包括：单个磁芯，所述磁芯具有两个旁芯柱和至少一个主芯柱；主变压器，具有设置于所述至少一个主芯柱上的第一一次侧绕组和第一二次侧绕组，其中所述第一一次侧绕组由彼此串联的第一绕组和第二绕组构成；以及调压自耦变压器，设置于所述磁芯的两个旁芯柱之一上并具有第二一次侧绕组和第二二次侧绕组，其中所述第二二次侧绕组是具有有载分接开关的可调绕组且该可调绕组串联于所述主变压器的第一绕组和第二绕组之间。本发明的单相电炉变压器避免了电网过电压对调压绕组和调压开关的直接作用，降低了主变压器一次绕组两线端之间的电压。此外，本发明还将调压变压器绕组设置在主变压器旁柱上，降低了材料和变压器损耗，减少了变压器安装空间。

Description

单相电炉变压器
技术领域
本发明涉及一种电炉变压器调压技术，尤其涉及一种结构新颖的单相电炉变压器。
背景技术
在冶金、化工及机械工业中，都需要用到电炉。电炉变压器是供电源给这些工业电炉的变压器，并且可以将较高的电网电压降低到电炉所需要的工作电压。由于电炉变压器二次输出电压较低(几十伏至几百伏)，二次输出电流往往很大，可达几万安甚至十几万安。电炉变压器的另一个特点是二次电压调压范围大，有时要求二次电压由最高值一直调节到最高值的25％～50％。这就使得电炉变压器与电力变压器有着本质上的区别。
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，以维持二次电压的恒定。调压时变压器铁心磁通是不变的。这种调压方式被称为恒磁通调压。
电炉变压器的电压调节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，根据具体情况，一般有三种类型调压方式：变磁通直接调压、通过串联变压器调压和自耦变压器调压。变磁通直接调压用于不要求每级电压差调压，且调压范围相对较小的情况下。通过串联变压器调压及自耦变压器调压应用于调压范围较大或限制要求每级电压差的情况下。
例如，根据一个示例，一种大容量(65MVA)单相电石炉变压器的一次侧输入电压110kV，变压器阻抗值要求很小，最大输出电压分接下阻抗要求小于3.5％，低压侧最大输出电流155kA，低压侧输出电压500～1000V。由于阻抗及运输限制等原因，该示例需要采用自耦变压器调压，传统设计方案原理图如图1a所示，其结构布置如图1b所示。如图所示，一台二次带调压绕组的自耦变压器101和一台固定变比的主变压器102组成单相变压器组100。其中，自耦变压器101包含自耦调压变压器绕组105，且主变压器102包含主变压器绕组106。变压器101和变压器102为两个独立的铁芯，作为变压器磁路部分(自耦调压变压器铁芯记为103，主变压器铁芯记为104)。为了降低阻抗及运输高度，主变压器有两个绕线柱，一次侧串联，二次侧并联。一次侧110kV电网冲击电压直接作用在有载开关和调压绕组上，产生较大的振荡电压，主变压器一次侧两线端间及线端对地电压会大幅增加。
发明内容
根据本发明的基本原理，提供了一种单相电炉变压器，包括：单个磁芯，所述磁芯具有两个旁芯柱和至少一个主芯柱；主变压器，具有设置于所述至少一个主芯柱上的第一一次侧绕组和第一二次侧绕组，其中所述第一一次侧绕组由彼此串联的第一绕组和第二绕组构成；以及调压自耦变压器，设置于所述磁芯的两个旁芯柱之一上并具有第二一次侧绕组和第二二次侧绕组，其中所述第二二次侧绕组是具有有载分接开关的可调绕组且该可调绕组串联于所述主变压器的第一绕组和第二绕组之间。
此外，根据本发明的一个实施方式，所述主变压器的第一二次侧绕组由分别同所述第一一次侧绕组的第一绕组和第二绕组相对设置的两个绕组构成。
此外，根据本发明的另一实施方式，所述主变压器的第一二次侧绕组是同时同所述第一一次侧绕组的第一绕组和第二绕组相对设置的单个绕组。
在上述单相电炉变压器的两个实施方式中，所述第二二次侧绕组进一步包括：彼此串联的第三绕组和第四绕组，其中，所述第三绕组和所述第四绕组都是具有有载分接开关的可调绕组。在上述单相电炉变压器中，在所述第三绕组和所述第四绕组之间的节点连接至所述第二一次侧绕组上。
在上述单相电炉变压器的两个实施方式中，所述第二二次侧绕组为单个具有有载分接开关的可调绕组。
在上述单相电炉变压器中，所述主芯柱的数量为两个，且所述第一一次侧绕组和所述第一二次侧绕组设置于这两个主芯柱中的不同一个上。
在上述单相电炉变压器中，所述主芯柱的数量为一个，且所述第一一次侧绕组和所述第一二次侧绕组共同地设置于该一个主芯柱上。
在上述单相电炉变压器中，所述主变压器的一次侧绕组与所述调压自耦变压器的一次绕组彼此并联地接于电网。
本发明的单相电炉变压器避免了电网过电压对调压绕组和调压开关的直接作用，降低了主变压器一次绕组两线端之间的电压。此外，本发明还将调压变压器绕组设置在主变压器旁柱上，节省了制造变压器的材料和降低了变压器损耗，减少了变压器安装空间。因此，本发明的技术方案不仅降低了材料成本，还降低了变压器损耗进而降低变压器运行成本，节省了变压器占用空间，还减少了变压器用油进而降低了对环境污染，既经济又环保。
应当理解，本发明以上的一般性描述和以下的详细描述都是示例性和说明性的，并且旨在为如权利要求所述的本发明提供进一步的解释。
附图说明
包括附图是为提供对本发明进一步的理解，它们被收录并构成本申请的一部分，附图示出了本发明的实施例，并与本说明书一起起到解释本发明原理的作用。附图中：
图1a示出了现有技术的一种单相电炉变压器的设计方案的电路图。
图1b示出了图1a所示的单相电炉变压器的结构布置。
图2a示出了本发明的第一实施例的电路图。
图2b示出了图2a所示的实施例的结构布置。
图2c详细示出了图2a所示的实施例中的磁芯的结构。
图3示出了本发明的第二实施例的电路图。
图4示出了本发明的第三实施例的电路图。
图5示出了本发明的第一至第三实施例中的磁芯中的磁通。
图6～图8分别示出了本发明的第四、第五和第六实施例的电路图。
图9示出了根据本发明的单相电炉变压器的另一种结构布置。
具体实施方式
现在将详细参考附图描述本发明的实施例。
以下首先参考图2a～图9来详细讨论本发明的基本原理。本发明的单相电炉变压器200主要包括：单个磁芯201、主变压器202和调压自耦变压器203。
如图2c所示，该单个磁芯201具有两个旁芯柱204和至少一个主芯柱205(在图2c所示的实施例中有两个主芯柱，但后续将进一步讨论只有一个主芯柱的实施例)。例如，该磁芯201可以是铁芯。所述两个旁芯柱204位于所述主芯柱205的两侧。
回到图2a，主变压器202具有设置于上述至少一个主芯柱205上的第一一次侧绕组206和第一二次侧绕组207，其中该第一一次侧绕组206由彼此串联的第一绕组206-1和第二绕组206-2构成。
调压自耦变压器203设置于所述磁芯201的两个旁芯柱204之一上并具有第二一次侧绕组208和第二二次侧绕组209。通过将调压自耦变压器203放置在主变压器202的一个旁芯柱204上，可以省去现有技术中的调压变压器的铁芯。
此外，该第二二次侧绕组209是具有有载分接开关的可调绕组，且该可调绕组串联于所述主变压器202的第一绕组206-1和第二绕组206-2之间，从而在主变压器202的两个一次侧获得可以调节的输入电压实现调节低压输出电压，从连接图可以看出，主变一次侧两线端的电压在调压过程中始终保持与电网电压一致。有载分接开关，是一种为变压器在负载变化时提供恒定电压的开关装置，其基本原理就是在保证不中断负载电流的情况下，实现变压器绕组中分接头之间的切换，从而改变绕组的匝数，即变压器的电压比，最终实现调压的目的。
该主变压器202的一次侧绕组206与该调压自耦变压器203的一次绕组208彼此并联地接于电网。
本发明的单相电炉变压器通过结构上的变化阻止电网过电压对调压绕组和调压开关的直接作用，从而可以降低主变压器一次绕组两线端之间的电压。此外，通过将调压变压器绕组设置在主变压器的旁柱上，可以减少材料损耗和安装空间。
在图2a～图2c所示的第一优选实施例中，主变压器202有两个铁芯柱，两个柱一次侧串联，二次侧并联。此外，如图2a所示，该主变压器202的第一二次侧绕组207由分别同所述第一一次侧绕组206的第一绕组206-1和第二绕组206-2相对设置的两个绕组构成。
此外，在图2a～图2c所示的优选实施例中，在该实施例中的单相电炉变压器200中，上述的第二二次侧绕组209进一步包括：彼此串联的第三绕组209-1和第四绕组209-2，同时，分别与第一一次侧绕组206的第一绕组206-1和第二绕组206-2相串联，且该第三绕组209-1和该第四绕组209-2都是具有有载分接开关的可调绕组。
还需注意的是，如图2b所示，在该第一优选实施例的单相电炉变压器200中，主芯柱205的数量为两个，且第一一次侧绕组206和第一二次侧绕组207设置于这两个主芯柱205中的不同一个上。
图3示出了本发明的第二优选实施例的电路图。该附图与图2a基本相同，其中相同的编号表示相同的元件，因此对于这些相同元件的内容可以参照以上对图2a做出的描述，此处不再赘述。与图2a相比，图3的第二优选实施例的主要区别在于：第三绕组209-1和第四绕组209-2之间的节点210连接至上述的第二一次侧绕组208上。
图4示出了本发明的第三优选实施例的电路图。该附图与图2a基本相同，其中相同的编号表示相同的元件，因此对于这些相同元件的内容可以参照以上对图2a做出的描述，此处不再赘述。与图2a相比，图4的第三优选实施例的主要区别在于：上述的第二二次侧绕组209为单个具有有载分接开关的可调绕组。如此，可以通过减少一个有载分接开关而进一步降低产品的制造成本。图2a和图3所示为双调压绕组的方式。当电压调节容量水平或电压等级高于调节开关的允许值，技术方案上推荐采用双调压绕组的方式。例如，图2a和图3所示实施例。另外，为了简化设计结构并且降低成本，可以采用如图4所示的单个调节绕组的技术方案。
图5示出了本发明的第一至第三实施例中的磁芯中的磁通的情况。参考图2c，磁通Φr1和磁通Φm2分别为左右两侧旁芯柱204的磁通。磁通Φm1和磁通Φm2分别为左右两个主芯柱205的磁通。此外，还包括了中间铁轭磁通Φmy。
上述各磁通之间的关系可列出下式：；
Φm1＝Φmy+Φr1；
Φm2＝Φmy+Φr2；
Φm1＝Φm2＝Φm；
于是Φr1＝Φr2＝Φr。
其中，Φmy在Φm max-Φr与Φm min-Φr之间变化，当Φm min＝0，Φmy在-Φm max到+Φmmax之间变化，因此，上述实施例可用于0％～100％的调压范围。
图6～图8分别示出了本发明的第四、第五和第六优选实施例的电路图。特别是，图6所示的实施例与图2a所示的实施例相类似，图7所示的实施例与图3所示的实施例相类似，且图8所示的实施例与图4所示的实施例相类似。在这些显示的附图中，不再重复对两者相同的元件进行编号，因此对于这些相同元件的内容及编号均可以参照与之对应的图2a、图3或图4，此处不再赘述。与图2a、图3和图4相比，图6～图8所示的第四、第五和第六优选实施例各自的主要区别在于：该主变压器202的第一二次侧绕组207是同时同所述第一一次侧绕组206的第一绕组206-1和第二绕组206-2相对设置的单个绕组。图2a、图3及图4所示实施例为双铁芯柱形式。相对地，图6、图7以及图8所示实施例采用了单个铁芯柱的形式。当用户要求的阻抗值较小时，图6、图7以及图8实施例所示的单个铁芯柱的结构形式可以满足阻抗要求。推荐使用单个铁芯柱的技术方案，如图6、图7以及图8实施例所示。
图9示出了根据本发明的单相电炉变压器的另一种结构布置。与图2b所示的结构布置不同的是，在图9中，根据阻抗要求的不同，主芯柱的数量可以是一个，且第一一次侧绕组206和第一二次侧绕组207共同地设置于该一个主芯柱上。
根据本发明的一个详细实施例，一种规格为65MVA，110kV/0.5～1kV的单相电石炉变压器，与现有的传统电炉变压器相比，每台变压器在增加668公斤铜的前提下，减少了14800公斤硅钢片，减少9000公斤变压器油，直接材料成本降低约30万元人民币；在增加10千瓦负载损耗前提下，空载损耗降低15.5千瓦；同时，变压器总体尺寸为长度增加300mm，宽度减少1500mm。因此，根据本发明的电炉变压器，大幅度节省了金属、油等材料，降低了变压器损耗，提高了变压器效率，减小了变压器尺寸从而降低了变压器的占地面积和空间，达到了既经济又环保的效果。
本领域技术人员可显见，可对本发明的上述示例性实施例进行各种修改和变型而不偏离本发明的精神和范围。因此，旨在使本发明覆盖落在所附权利要求书及其等效技术方案范围内的对本发明的修改和变型。

Claims (9)

1.一种单相电炉变压器，其特征在于，包括：
单个磁芯(201)，所述磁芯具有两个旁芯柱(204)和至少一个主芯柱(205)；
主变压器(202)，具有设置于所述至少一个主芯柱上的第一一次侧绕组(206)和第一二次侧绕组(207)，其中所述第一一次侧绕组由彼此串联的第一绕组(206-1)和第二绕组(206-2)构成；以及
调压自耦变压器(203)，设置于所述磁芯的两个旁芯柱之一上并具有第二一次侧绕组(208)和第二二次侧绕组(209)，其中所述第二二次侧绕组是具有有载分接开关的可调绕组且该可调绕组串联于所述主变压器的第一绕组和第二绕组之间。
2.如权利要求1所述的单相电炉变压器，其特征在于，所述主变压器的第一二次侧绕组由分别同所述第一一次侧绕组的第一绕组和第二绕组相对设置的两个绕组构成。
3.如权利要求1所述的单相电炉变压器，其特征在于，所述主变压器的第一二次侧绕组是同时同所述第一一次侧绕组的第一绕组和第二绕组相对设置的单个绕组。
4.如权利要求2或3所述的单相电炉变压器，其特征在于，所述第二二次侧绕组进一步包括：彼此串联的第三绕组(209-1)和第四绕组(209-2)，
其中，所述第三绕组和所述第四绕组都是具有有载分接开关的可调绕组。
5.如权利要求4所述的单相电炉变压器，其特征在于，所述第三绕组和所述第四绕组之间的节点(210)连接至所述第二一次侧绕组上。
6.如权利要求2或3所述的单相电炉变压器，其特征在于，所述第二二次侧绕组为单个具有有载分接开关的可调绕组。
7.如权利要求1所述的单相电炉变压器，其特征在于，所述主芯柱的数量为两个，且所述第一一次侧绕组和所述第一二次侧绕组设置于这两个主芯柱中的不同一个上。
8.如权利要求1所述的单相电炉变压器，其特征在于，所述主芯柱的数量为一个，且所述第一一次侧绕组和所述第一二次侧绕组共同地设置于该一个主芯柱上。
9.如权利要求1所述的单相电炉变压器，其特征在于，所述主变压器的第一一次侧绕组与所述调压自耦变压器的第二一次绕组彼此并联地接于电网。
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