电炉或整流设备的功率因数补偿及补偿变压器设计

1、、,电炉或整流设备的功率因数补偿及补偿变压器设计誉立君（沈阳变压器厂介紹了电炉或整流设备功率因数补偿方式及补偿电容计算方法，同时还探讨了专用补偿变压器设计 有关的问题，其中最关诫的是在各分接下的二次空栽电压及通过容运。文中附有计算实例。X *««< 7 4W JX< gx*w*< < »<«* W y * x无功功*#s 补if 电炉变压 sasaa00*0003台阶暫子对饥孔针对上述原因采取锥孔补偿办法 获得良好效媒，基本上杜绝了上述弊 端.但锥孔加工较复杂.4.台介管子对台阶孔将锥孔改为台阶孔使加工简化， 同时也确保了质

2、量。并且定触头开冇 缺口（母线交引线连接方式，产品 可导向压入。而锥孔结构难以实现， 它只能压入后再铳，这样浸过漆的杆子便有绝缘损伤.r电炉或整涼设备的功率凶数补偿电炉或整流设备都属于低电压大电流的用 电设备。它们的功率因数都校低，有的甚至低 于06,这是由于从一次电网到用电设备之间 的变电设备存在校大电抗的缘故。这些电抗包 括电炉变压器或整流变压器（有时还包括凋压 变压器）的电抗，从电炉变压器或整流变压器 二次侧到电炉或整流柜之间低压短网的电抗， 电炉或整流柜及其负戟（例如电解槽）的电 抗。在这些电抗中.短网的电抗占较大的比 例。为了提高一次电网供电的功率因数，需要 采用电容器进行补偿。逋常

3、要求补偿后一次电 网供电的功率因数不低于09,否则供电部门 罚款。1.补偿方式安照补偿电容器接在电路中的部位，补偿 方式可以分为以下四种：<1 >补偿电容髀接在电炉变压器或整流 变压器（有时是其调压变压器）的一次电网 上$（2）补偿电容器接在电炉变压器或整流图1确定补偿电容鱼的相ii图变压器（有时是其调压变压器）的第三绕组 上$（3）补偿电容器接在电炉变压器或整流 变压器的二次出线瑞子上，即短网的首端（4）补偿电容器接在电炉或整流柜的进 线端，即短网的末端。从补偿效果来看，这四种补偿方式的顺序 是（4）、（3）.（2）.（1）。这是由于从一次电网到补偿部位之间的变电设备将流 过补偿

4、后的电流，它低于补偿前的电流，从而 使得这些变电设备传输能力提高，损耗降低。 所以补偿电容器所接的位置越是接近负载，其 效果越好。但是从实现补偿的难度来看，这四 种补偿方式的顺序也是（4 ）、（ 3、（ 2、Cl > o但目前最常见的补偿方式是（1和（2 ）二种，第C 3 ）种很少见，而第（4 ） 种目前还没见到。2补催电容量计算在计算所需补偿电容鱼时，通常F列参数 是已知的，电炉变压器或整流变压器的额定容图1所示各JK®PD,负载的功率因数COS02,补偿后一次包 网所要求达到的功率因数cos矶，通常短网也 包抵在负载之中。为了简化计算，首先假定电炉变压器或整 流变压器（有时

5、还包括调压变压器）是无损耗 无漏电抗的理想变压器。据此可绘出图1所示 的电压比为1的变压器电压、电流相鼠图。随着补偿方式不同，图1所示各竄所代表 的物理量也有所不同（见表1O显然打代表变压器的额定容聚，】C代表所 需补偿电容1.代表电网所提供的容量。由 相量图可知：11 -licos 4> t/cos A（1）I2sjn 4）2 lisin<|> （2）在最维确定所需补偿电容量时，还应考慮 变压器电抗所吸收的无功容暈。设变压器折算至额定容童Pn的一、二次间 的电抗电压为B%, 一、三次间的电抗电压为 a%。对于第（1 >种补偿方式，在额定负载 下，变压器一.二次恻均流过

6、额定电流I,。所 需补偿电容灵为Pc=（¥"%）Pn（3此时，变压器的通过容量仍为Pn，而电网所 提供的容量为Pno对于第（2 >种补偿方式，在额定负载 下，变压器二次侧流过额定电流1“而一次侧流过电流】“三次侧流过电流Ic。所需补偿电 容量为'所代褰的M a SU后变压器一二次电压补偿航后变压器一.二次电压外偿前后变IE器一.二次电压h补偿电容电流补偿电容赵溉2补偿前功率因散角补偿前功率因錢危补楼前功率因數聊$ 1补醴后功率因敷处外偿后功率因錢角补葆后功率囚徽角11补偿前后AttrfeM 补偿前变压二次聘流 补偿后交压器二决电流后员较电沆补公前交压丹一二次电

7、流 补偿JS变压乔二次电潭补偿笊后负戰妞流 补fSltt变压器一二次血流11补偿后电网所提供的电流补偿后血网脂择快的电流 补偿后交压爲一次电流补債后电网所提供的亀流 补偻启爽压需一、二次电流补悽方氏Pc=（；=+”）Pn/ （l-a%） 4-Pl*< 4 ）此时，变压器的二次容呈仍为Pn, 次容 量及电网所提供的容量均为<h/h）Pno对于第<3 ）种补偿方式，在额定负载 下，变压器一、二次侧均流过电流珀。所需补 偿电容量为，Pc = （萨十尸¥）Pn<5）此时，变压器的通过容摊及电网所提供的 容量均为<11/11） Pno对于第< 4 ）种补偿方

8、式，在变压器逋过 额定容量下，所需补偿电容量为 卩厂侥+ 0%爪<6 ）在这种悄况下，负载舟増大至（h/I x Pno下面举例说明补偿电容量的卄算方法。今有一台铁合金电炉变压器，额定容鼠为 165O0kVA,包括短网在内的负载功率因数为 08,补偿后的功率因数要求达到0.9以上。采 用双绕组电炉变压器时，折算至额定容童下的 电抗电压为8%,采用三绕组电炉变压器时， 折算至额定容念下的一、二次间的电抗电压为 8%, 、三次间的电抗电压为5%,求所需 补偿的电容址。计算程序如下：L = 1©2 =cosi 0.8 - 36.87°4 二 coL 0.9 = 25.84&#

9、176;11-0.8/0.9=0.8889Ic= sin36.87°- 08889sin25.84°= 0.2126对于第（I ）种补偿方式，在额定负载下，所需补偿容応为*P= <0.2126 + 8%） X 1650D =4827kVA 在这种情况下，电网所提供的容量为 0.8889X 16500 = 14667kVA,变压器的通过容 虽仍为 165O0kVA<>对于第<2）种补偿方式；Pc = 4827/ < 1 - 5 %） = 5081kVA在这种情况下，变压器的输入容戢及电网 所提供的容楚均为14667kVAo变压黠二次侧 的容量仍为

10、16500kVAo对于第< 3 ）种补偿方式，Pc= <0.2126 +0.8889 X 8 %） X 1650Q 二 4681 kVA在这种悄况下，变压器的通过容量及电网 所提供的容摄均为14667kVA。对于第< 4 ）种补偿方式：P"（牆1乜）；16500=5266k VA在这种情况下，负収将增大至（I/O.8889 X 16500= 18526kVA。从上例中可以明显看出，采用第（3）种 补偿方式是最有利的。二、补偿变压器设计众所周知，电炉变压器或整流变压器的二 次电压仅是几十伏至几百伏的低电压，而II是 随时变化的。而补偿电容器正常运行所需的电 压都是10

11、llkV恒定电压。因此，采用第（3） 种补偿方式需要在电炉变压器或整流变压器的 二次侧与补偿容器之间接入一台升压变压器 即补偿变压器。补偿变压器一次侧即为电炉或 整流变压器的二次侧，它的电压是随时变化的， 所以补偿变压掘调压分接头只能设置在补偿变 压器的二次侧。这种调压方式显然是变磁通凋 压。在第（2）种补偿方式下，变压器第三绕组的容址是按补偿电容器的容駅设讨的，它仅为变压器额定容 量的2040%。而且它埼一次绕组间的电抗较小。为了减小电容器短路时的短賂电流，通常在电容器回路中 串联接入限流电抗器。当变压器第三绕组能够承受电容器短路时的矩賂电流时，可以取消限流电抗器。在其它 补偿方式下，无需采

12、用电抗器，因为电抗器的采用使补偿效果降低.一 14 匕0也 I2UjcK)(10由于补偿变压器的负载垦电容性负载，所 以负载电流在补偿变压器的电抗上将引起电压 升高。在设计补偿变压器时，它的二次空载电 压一定要低于电容器正常运行所需的电压。设计补偿变压器时，下列参数应是已知 的*<1）补偿电容器的容虽及工作电压$（2）补偿变压器的一次側各级电压及接 法I（3）补偿变压器在一次电压艰高时的电 抗电压百分数。为了设计补偿变压器，应首先确定下列参（I ）补偿变压器在各分接下的电我电 压,<2）补偿变压器在各分接下的二次空载 电压'（3）补偿变压器在各分接下的容量。 其余的参数可由

13、上面的参数确定。确定了主要参数之后，便可按照通常的方 法进行设计了。补偿变压器的二次空载电压，等于二次负 载电压滅去变压器漏电抗上的电压升。为了求 出各分接下补偿变压器的二次空载电压，必须 首先确定各分接下的漏抗电压。求出了二次空 载电压，就可以确定二次线圈匝数。1.各分接下的电抗电压变压器的漏电抗欧姆值是仅取决于线圈几 何尺寸及匝数的物理量。由于补偿变压器一次 侧电压较低，匝数较少，通常调压分接头均设 置在电压较高的二次测，所以折算至一次侧的 漏电抗欧姆值的变化规律仅取决于线圈几何 尺寸的变化，即漏磁面积的变化。在分接变换 时，由于二次侧调压线寵的接入或切除，使漏 磁面积改变。在尚未进行具体

14、设计以前，漏磁 面积是未知数。但是，最大分接下与最小分接 下漏磁面积的比值，可根据变压器的具休结构 事先估计出来，并近似地假定漏磁面积与分接 级数成正比。如果在具体设计时发现所估计的 漏磁面积比值与实际比值偏湼较大，可重新进 行调整。设补偿变压器的分接级数为N,并设第N 分接下（一次电压最高时）与第1分接下（一 次电压最低时折算到一次侧的漏磁面积之比 为B，即Q=Su>/S<n）（ 丁 2式中S<N>-第N分接下的漏磁面积；*S一第1分接下的漏磁面积。根拥已知条件可事先确定笫N分接下折算 至一次侧的电抗欧姆值。其计算程序如下，为 了简化起见，各物理量均假定为每相值。补偿

15、变压器的二次电流，可按补偿电容器 的参数求出，即I2= （Pc X 1000） /Uz<8 ）式中I?二次电流，A>Pc 电容掘容量，kVA,IA电容器的电压，亦即补偿变压器 的二次负载电压，V。补偿变压器在第N分接下的二次空载电 压，可按二次负载电压和最高一次电压下电抗 电压百分数求出，即*U”严-e耘落（9式中 U,on第N分接下的二次空裁电压, V,UxM第N分接下（一次电压最高时的电抗电压百分数。在第N分接下的一次电流，可按下式计 算*式中 Az第N分接下的一次电流r A,、U.E第N分接下的一次电压，即最高 次电压，VO在笫N分接下折算至一次侧的电抗欧姆值 可按下式计算&

16、#163;(11)15 一(7)= 0.001557Xcn在第i分接下折算至一次侧的电抗欧姆值 可按下式汁算：xd>= x<K) +(Q-1)(12)2#分接下的二次空載电压变压器输入容蜃需于电客器所吸收的容量 与变压器漏电抗所吸收的容量之差，即Pjcn = Pc Pxci>(13)式中第i分接下变压器的输入容量， kVA>Py,第i分接下变压器漏电抗所吸收 的容就，kVA。上式可以化成X(hl2i(i> +Pc 1000 0(14)事先确定最大分接下与最小分接下折算至 一次侧的漏磁面积之比为1】0。Pc = 5100/3= !700kVAU2= i0500/T

17、= 6062VIz= 1700000/6062 = 280.4AUtou a> = 6062/ (1 + 6 %) = 5719VJlU8»= (5719 X280.4)/204 =7861 Ati s> X 6 % = 0001557«Q"0016348Q=0.00155打1 + 栄-(II 131= 0t0017127n!<7>16 其余分接下的参数，可按相同的方法计算 出来。解上列方程式，可求出各分接下的一次电 流：%f - - UK1>+ 4Xd>Pc X 1000IltS，2X7,(15>求出了各分接下的一次电流

18、，即可以求出 各分接下的输入容量及二次空载电压。各分接下的输入容量*Pj (O Ilti)Uitn/1000«16各分接下的二次空载电压，Uio(i> = P)<n x 1000/12(17)求出了上面各参数，即可按常规方法进行 补偿变压器设计了。下面举例说明补偿变压器主要参数的计箕 方法。今需设计一台三相补偿变压器，用户捉出 的条件如下< 补偿变压器的一次电压为】68±6 x6kV,联结组为Y, dll,最高一次电压下 的电抗电压为6%,补偿电容器的容量为5100 kVA, 10.5kVo一 168 + v/168" 4 X 0.0016384 X 口 2 XOTOOI6384=9279A -