凝殼爐用一體化整流變壓器

陶 波

（西部超導材料科技股份有限公司，陜西 西安 710018）

1 整流變壓器的概念

整流變壓器一次側接交流電網稱為網側，二次側接硅整流器稱為閥側。整流變壓器與電力變壓器的不同之處包括兩方面。第一，電流波形不是正弦波。由于整理器各橋臂在同一周期內輪流導通，流經整流臂的電流波形為斷續的近似矩形波，因此整流變壓器各相線圈中的電流波形不是正弦波[1]。第二，根據整流裝置的要求，整流變壓器閥側有多種接法。

本文中的整流變壓器用于凝殼爐，其特點為：（1）工作電壓低，要求為45～60 V；（2）工作電流高，要求為30kA；（3）工作時間短，熔化時間為15 min；（4）輸出電流穩定，無沖擊。

2 常規整流變壓器的缺陷

常規的凝殼爐或電弧爐的整流變壓器都是由10kV/690 V一級變壓到690 V/50 V二級變壓。這種設計的前提是工作現場要有一臺10kV/690 V整流變壓器，將10kV電壓降到690 V，在整流柜中安裝一臺690 V/50 V的變壓器。此設計方案的缺點顯而易見。

第一，占地面積大。變壓器通常選用干式變壓器，與整流柜之間要保證具有足夠的安全距離，但變壓器箱體占用的空間大，整流柜內還要內置一臺690 V/50 V的變壓器，占據了大量空間。第二，制作成本高。由于變壓器需要二次降壓，導致整流柜內變壓器的母排制作成本增大。第三，安裝成本高。變壓器和整流柜中間要具有足夠距離，無論選用電纜連接還是母排連接，成本都非常高。第四，存在安全隱患。變壓器內置于整流柜，運行時產生的熱量對整流原件及其他電器原件具有不良影響。整流柜內的冷卻裝置通常是水冷循環，對變壓器運行而言存在安全隱患[2]。

3 一體化整流變壓器的設計

3.1 確定設計方案

通過2臺10kV/50 V的整流變壓器，將網側10kV直接降為閥側50 V。這兩臺變壓器的一次側分別采用星形和三角形接線方式，二次側采用同相逆并聯的連接方式。兩臺變壓器安裝在一臺箱體內，從外觀上看，只有一臺變壓器占用了空間，同時兩臺臺變壓器共用一套油冷卻系統。此外，整流柜依據變壓器的外形進行設計，最大限度減小連接母線的長度，從而降低能耗，節約成本[3]。

3.2 一體化整流變壓器結構設計

變壓系統由2臺10kV/50 V的整流變壓器并聯而成，兩臺變壓器的一次側分別采用星形和三角形接法，如圖1所示。每臺變壓器輸出14個抽頭，其中2個是正負零點，剩余12個抽頭兩兩一組，采用同相逆并連接法。

同相逆并聯是在交流導排電流增大、導排距離變長的情況下減少感抗的一種技術。整流變壓器二次繞組采用雙反星形結構，輸出端為相位相同、極性相反的兩根導排組成的母線，特點是利用導體中通過的磁力線相互抵消，降低導排互感，減少母排交流感抗，達到提高功率因數的目的[4]。當導排中電流達到一定數值時，導排中磁力線的周圍將產生電動勢，形成渦流，渦流將導致周圍鋼結構發熱，生成附加損耗。而采用同相逆并聯后，可以減少這附加損耗，線路圖如圖2所示。

圖1 同相逆并連接法外形

圖2 同相逆并聯線路

變流變壓器二次繞組的中性點N1和N2通過平衡電抗器Lp互聯。平衡電抗器的作用是平衡非同期換相之間的瞬時電位差。如果沒有平衡電抗器，兩個換相組會在瞬時電壓最高時相導通，導致每個整流臂的導通時間減半，電流有效值增加倍，變壓器的等效容量也相應增加。

3.3 整流變壓器參數計算

額定輸出直流電壓：Udn=45 V；額定輸出直流電流：Idn=2×15kA；整流機組數：N=1；機組脈波數：P=12。本電源額定輸出電壓Udn=45 V，變壓器的理想空載電壓Udio為：

其中，Udn=45 V（額定輸出直流電壓），S=1（換相數），ns=1（串聯元件數），UT=1.35 V（額定運行時元件最高正向峰值電壓），ΣUS=5 V（附加壓降），

b=5（電網電壓負波動值），KX=0.5（折算系數），eX=8（變壓器短路阻抗）（變壓器銅損），△UBL=0（變壓器阻抗壓降）。

直流功率（kW）：

二次相電壓（V）：

其中，U2max考慮了電路中的損耗。

二次相電流（A）：

二次容量（kVA）：

一次相電壓（V）：

一次相電流（A）：

一次容量（kVA）：

型式容量（kVA）：

正常使用時按照變壓器容量的90%計算，故選定變壓器容量為2 000kVA。

3.4 冷卻系統設計

由于一體化整流變的一套箱體內安裝了兩套變壓器和平衡電抗器，因此運行過程中會嚴重發熱，干式變壓器的自然冷卻或風機冷卻都無法解決鐵芯發熱問題，故選用油浸變壓器，冷卻裝置選用油循環冷卻方式[5]。具體原理為在油浸變壓器外部安裝一套列管式油循環冷卻系統，使用油泵將變壓器的油強行通過列管冷卻器進行循環冷卻，確保變壓器運行中產生的熱量通過冷卻裝置降溫，保證運行安全[6]。

4 使用效果

整流變壓器是凝殼爐全數字化12脈波高壓一體化電弧電源中的重要組成部分。整流變壓器的應用性有以下幾方面。第一，線性度好。輸出與給定實現了線性化，控制系統不再作線性化處理，且其線性度在國內電弧電源中屬于佼佼者。第二，整流變壓器輸出電流穩定，無沖擊。現場試驗800 A起弧，電流從0上升到800 A，未出現沖擊電源或燒壞坩堝底墊的現象。第三，動態性能好。通過短路、負載試驗，該電源動態性能良好，具有控制精度高、響應時間快、起弧無沖擊等特點。第四，通過實際運行檢測穩流精度小于1%。

5 結 論

第一，變壓器運行穩定。噪音極低，輸出電流穩定，無沖擊。第二，節約能源，降低損耗。一體化設計大大降低了變壓器銅材的使用量，從而降低銅損，節約能源。第三，節約空間。一體化設計減小了變壓器和整流柜的體積，縮短了速效變壓器與整流柜的間距，最大限度縮小了空間。