測量電爐變壓器二次側電流的研究摘要：本文以鄂爾多斯雙欣化工密閉電石爐電極電流為研究對象。由于該工廠根據一次側電流和變壓器變比估算二次側電流，測量數據難以精確。根據電極電流測量精度的要求，本文通過變壓器運行機理分析和電流交換器的性質設計推導出一種方法。該方法自運行以來穩定、可靠、操作簡單，有效提高了工作效率。關鍵詞：電爐變壓器；電極電流；電流變換器；MATLAB仿真TheresearchmeasuringsecondarycurrentofthefurnacetransformerJIAHua1,GUOXiangchao1，LEIYuzhi2SchoolofInformationEngineeringInnerMongoliaUniversityofScienceandTechnology,Baotou014010,China;SchoolofEngineeringShanxiUniversity，taiyuan030013，China.Abstract:thispapertakedclosedelectrodecurrentofcalciumcarbidefurnaceonShuangxinchemicalindustrylimitedcompanyastheobjectofstudyErdos.SincethefactoryaccordingtoPrimarycurrentandtheratiooftransformerestimatesecondarycurrent,itisdifficulttoaccuratelymeasuredata.Accordingtotherequirementsoftheaccuracyofmeasurementabouttheelectrodecurrent,thispaperthroughtheanalysisaboutthetransformeroperationmechanismandthenatureofthecurrentswitchderivedamethod.Sincetheoperationofthemethod，itisstable,reliable,easytooperate,andimprovestheworkingefficiency.Keywords:thefurnacetransformer;electrodecurrent;hecurrentswitch;MATLABsimulation1前言隨著國家節能環保政策的實施，高耗功率企業必須高效率的生產創造更高的利潤，才能適應發展的需要。電石生產作為高耗能產業，電石生產的關鍵在于控制好反應溫度，所以控制好電極電流，達到電石生產的最適溫度，成了首要因素，而電極電流達到數萬安培，精確測量電弧電流有一定的難度，經過考察，目前有幾種測量電極電流的方法。（1）變壓器改為串聯變壓器或自耦調壓變壓器，根據其三次電壓和低壓側呈線性變化的特點，在串聯變壓器或自耦調壓變壓器的三次側接電流互感器，此種方法測量誤差小，但制造成本較高。（2）根據短網電流和電極電流的關系，選取短網中并聯導體中的一根進行測量，解決了電流大不易測量的問題，但是測量誤差較大，而大于8000/5的電流互感器造價較高，所以此種方法具有較強的局限性。（3）采用Rogowski線圈(簡稱羅氏線圈)直接測量二次側電流，羅氏線圈作為電子式電流互感器的一種，具有測量范圍寬、測量精度高、無磁飽和、頻帶范圍寬、體積小、易于數字量輸出等一系列優點，但是測量裝置的成本高。（4）利用電流變換器通過一次側間接測量電極電流值，二次側電流和電流互感器的電流成等比關系可使直調變壓器的電極電流的測量簡單化，從而推廣使用直調變壓器。本文是針對上述電極電流測量方法存在的不足，在分析了變壓器和電流變換器運行機理的基礎上，提出了更加精確的計算方法，通過理論推導和計算機仿真，再加上工程實踐，驗證了此方法的可行性2電爐變壓器的特點和工作原理2.1部分符號及含義為變壓器一、二次側端電壓；為變壓器一、二次側電流；為變壓器空載電流；為變壓器一次總電流的負載分量；為變壓器一、二次側電阻；為變壓器一、二次側電抗；QUOTEZ1,Z2為變壓器一、二次側阻抗；為變壓器一、二次側功率因數角；為變壓器一次側相電流；為變壓器二次側線電流；以為變壓器三相空載電流；QUOTEФAФB,ФC2.2特點電爐變壓器是專門用于電爐冶煉的特種變壓器。它具有過載能力大、機械強度高等特點。電爐變壓器一般具有20%～30%的過載容量。其二次端輸出為低電壓、大電流。低壓側配有電壓調節裝置，以供在不同熔煉階段調節電弧爐的輸入功率之用，電爐變壓器將電網中的高壓小流量電轉化為適合電爐生產的低壓大電流電，通過短網、三相電極將變壓器二次側低壓大電流電輸送到電石爐，電流流過爐料產生電弧熱和電阻熱，爐料憑借此熱量在1800~2200℃的高溫下發生反應2.3工作原理變壓器空載運行時空載電流QUOTEI0產生的勵磁磁勢建立主磁通,勵磁電流QUOTEI0QUOTEI0包括兩個分量:單獨產生磁通的磁化電流QUOTEI0wQUOTEI0和對應于鐵芯損耗的有功電流QUOTEI0yQUOTEI0，將主磁通感應的電勢沿QUOTEI0QUOTEI0方向分解為分量QUOTEI0Rm和I0XmQUOTEI0QUOTEI0的相量之和，以便得出空載時的等效電路，相量圖如圖1所示.變壓器負載運行時，二次側電流流通其值取決于二次側電壓和負載阻抗的值，由二次負載電流引起的磁勢在鐵心中產生一定的負載磁通，其相位與二次電流相同．但是，由于一、二次負載安匝是相等的，所以二次負載電流直接被一次負載電流所平衡．二次負載磁通同樣被一次負載磁通所抵消．一次負載磁通與一次負載平衡電流同相位，所以它與二次負載磁通相位相反，數值相同．相量圖如圖2所示，一次電路的總電流等于一次負載電流與空載電流的向量和，根據磁勢平衡原理，得出3．測量二次側電流的改進3.1電流變換器的原理與結構直調式爐變各級電流比不為常數，所以要在爐變一次側的電流互感器與測量儀表中間加一個可調電流比的變換器——電流變換器，使各級二次電壓的電極電流和電流變換器輸出電流之間的比值為一固定數值電流交換器包括連續式觸點盤和可調式電流互感器CT2，為防止出現問題，在可調式電流互感器次級加入一個1:1的隔離互感器CT3（如圖3），，，式中K為電流互感器CT1變比；為變壓器第n分接頭對應變比；為電流互感器CT2第n分接頭對應變比；為變壓器第n分接頭對應一、二次側電流；為電流互感器CT2第n分接頭對應一、二次側電流；從電爐變壓器的一次側每一相通過電流互感器引出線連接到有載分接開關操動機構的連續式觸點盤中，連續式觸點盤是保證有載分接開關的選擇切換同時電流互感器不開路的一個關鍵設備。將連續式觸點盤與可調式電流互感器相連接。保證變壓器的可調式電流互感器檔位調節同步，變壓器檔位與電流互感器的檔位相同。3.2二次側電流的測量原理3.2.1電弧電流建模本文討論電爐變壓器的Y/△QUOTE?接法，繞組連接方式為Y／△-11．在電石爐中的電極電流即電爐變壓器的二次側電流。變壓器繞組接線圖如圖4由圖可知，二次側線電流可用一次側相電流表示QUOTEIa=N1（1）QUOTEIb=N1N2QUOTEIc=N1N2以上均為向量，并且QUOTEIa+Ib+Ic=0，QUOTEIA+IB+IC在實際生產電石控制系統中，現場檢測到的是電流的有效值．為了利用現場已有的檢測數據，本文在式(1)～式(3)的基礎上，給出了電弧電流的有效值計算公式．由圖1可以看出，空載電流QUOTEI0可以沿主磁通方向和一次感應電勢QUOTEE1方向分解為兩個分量；一次電流也可以沿以上兩個方向分解為兩個分量，即QUOTEI1sinφ1和QUOTEI1cosφ1．在實際中，一次側電勢平衡方程式QUOTEjI1X1σ，存在一個較小的幅值差和相位角，近似認為兩者相等，即得是和相位角QUOTEU1和I1之間的相位角，設圖2為變壓器A相的向量圖，B相和C相依次與A相差一120°和一240°，可得到三相電弧電流的有效值計算公式(4)～式(6)：QUOTEIa=N1N（4）QUOTEIb=N1NQUOTEIc=N1N2其中3.2.2電弧電流估算在正常生產電石過程中，電爐變壓器一次側電流通常在數百安培，空載電流通常在10A以下．當忽略空載電流時，即：，式(4)～式(6)就可得到有效的簡化此時計算電弧電流所需要的輔助變量為一次側三個相電流的有效值QUOTEIA,IB,IC及一次側三個功率因數角QUOTE?A,?B,?C由于變壓器一次側為星形連接，因此QUOTEIA+IB+IC=0,IA,IB,IC，三個電流向量構成一個三角形，如圖5所示，當已知QUOTEIA,IB,ICQUOTEθA=cos-1IBQUOTEθB=cos-1IB2QUOTEθC=cos-1IA2因一次側電壓保持不變，由圖5可知，，代入式化簡得：QUOTEI2na=Kn(10)同理QUOTEI2nb=Kn2I1nC2+2I3.3改進方法用電流交換器的原理與二次側電流的推導過程相結合，得到測量二次側電流的新的方法，具有直觀的線性結構.由電流互感器的結構得QUOTEI1nA=KK(13)由電弧電流有效值簡化計算得QUOTEI2na=Kn2I1nA2+2QUOTEI2nb=Kn2聯立(10)-(13)得出QUOTEI2nbQUOTEKnKKcn2Ic2nb2令（k為常數）QUOTEKnKKcn=k（k為常數）QUOTE2Ic2na2+2Ic2nb2-Ic2nc2=I即，，QUOTEI2nb=kIBn，I2nc=kICn4Simulink模型仿真在Matlab7.10的Simulink環境下，利用其豐富的模塊庫，基于變壓器數學模型，建立三相相變壓器仿真模型,通過改變二次側負載得到不同的二次側電流（系統值），同時運用本文方法計算二次側電流值（計算值），比較結果如圖6為了說明計算值和系統值逼近程度，通過擬合度公式進行檢驗，結果表明符合工程應用的要求。5結論通過以上論述和實驗證明，電爐電極電流和電流變換器的電流成線性關系，使變壓器的電極電流測量更加簡單化，精確化，從而直調變壓器得到了更廣泛的應用。利用電流變換器和變壓器工作原理的理性分析，推導出來的測量電極電流的方法，既簡化了變壓器的結構又降低了成本，更提高了測量準確度，為電石的高質生產提供了必要條件。圖6參考文獻：[1]GreeneJD,GrossCA.Nonlinearmodelingoftransformer[J].IEEETrans.Ind.App1.,1998,24(3):434.[2]符揚，藍之達，陳珩計及鐵心磁化動態特性的三相變壓器勵磁涌流的仿真研究[J].變壓器,1997,34(9):4-11.[3]周小滬，李曉慶，紀志成基于MATLAB三相變壓器的仿真建模及特性分析.變壓器，2004,41(7):20-22.[4]毛志忠，尚海洋，馬建軍一種測量