CN102709035A - 一种具有自适应功能的节能变压器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种具有自适应功能的节能变压器，包括立体卷铁心；立体卷铁心是由3个单框铁心组合成横截面为正三角形的立体结构；单框铁心采用非晶合金导磁材料无缝连续绕制而成；立体卷铁心上绕有低压绕组和高压绕组；低压绕组和高压绕组的抽头分别与有载调容开关连接；低压绕组的线匝之间为并联或串联连接；高压绕组为三角形连接或星形连接；有载调容开关受有载调容控制器的控制。本发明通过应用非晶合金节能材料、单框铁心无缝绕制技术、立体卷铁心节能结构和大小容量自动调节多种节能技术进行有机结合，实现最大程度降低变压器空载损耗，减少电网建设投资和设备制造过程中对原材料的消耗，提高电网运行安全性、供电质量和供电可靠性。

Description

一种具有自适应功能的节能变压器

技术领域

本发明涉及电力设备领域的节能变压器，具体涉及一种具有自适应功能的节能变压器。

背景技术

目前具有节能效果的配电变压器不断涌现，但其所采用的节能技术不外乎单一的新材料或新结构应用两个方面，这些产品大都仅有某一方面一方面的节能优势，如采用高性能硅钢片或非晶合金材料制造的S11型配电变压器和SH15型非晶合金变压器，亦或采用立体卷铁心技术制造的S13型立体卷铁心配电变压器，虽然它们的节能效果有了大幅提高，但进一步节能的空间还很大，且它们无法解决电网中一些长期存在的问题：如具有季节负荷或昼夜负荷变化较大的农村和城市商业区、工业开发区、居民区等10kV配电区和箱式变电站，在用电高峰季节，变压器过载现象严重，电网电压偏低，无功损耗增加；另一方面在用电淡季，变压器负载率较低，出现了“大马拉小车”的现象，导致电压偏高，空载损耗大，严重降低了用电设备的使用寿命。而节能调容变压器，不仅节能效果十分显著，减少电网建设投资和设备制造过程中对原材料的消耗，而且能有效解决上述困扰电网安全运行多年的问题，提高电网运行安全性、供电质量和供电可靠性。

为应对电网运行中短时出现的高负荷，保障电网的运行安全，一贯采用的方法是在电网建设时按该处可能出现的最大负荷进行设计和设备配置，由于实际运行中这样的短时负荷所占比例不足整个设备正常运行时间的10%甚至更低，但为了保证安全，也只能如此。这样一方面加大了电网建设的投资，另一方面，变压器一旦投运后不允许长时间断电，否则极易导致变压器的损坏甚至报废。解决这样的问题常用的方法是装设子母变或单一增大变压器容量两种方式。这些方式虽然解决了部分问题，但存在着许多问题：1、安装子母变将导致的建设投资和维护成本更高，且两台变压器同时运行的空载损耗更大；2、单一增大变压器容量也存在投资大和空载损耗增大的问题；3、由于大部分时间变压器的负载率偏低，会导致电压偏高，空载损耗增大和长期过电压引起的绝缘老化及降低用电设备的使用寿命等问题。

因此，采用自适应节能变压器，通过应用非晶合金节能材料、单框铁心无缝绕制技术、立体卷铁心节能结构和大小容量自动调节多种节能技术进行有机结合和优化，实现最大程度降低变压器空载损耗，减少电网建设投资和设备制造过程中对原材料的消耗，并有效解决了困扰电网安全运行多年的问题，提高电网运行安全性、供电质量和供电可靠性，有效解决长期困扰电网运行中负荷自动调节问题，提高电网运行安全性、供电质量和供电可靠性，减少电网建设投资。

如何在保障电网安全运行的前提下，提高供电质量和供电可靠性，最大限度的降低变压器运行损耗，实现运行中配电变压器容量随负荷变化自动调节等问题，是困扰电力系统运行安全的老大难问题，长期以来未能有效解决。

不管这些配电变压器铁心绕制与变压器的制造采用方法，但它们都有一个共同的特点，那就是运用了某一种节能技术，如采用非晶合金材料制造的非晶合金配电变压器、采用立体卷铁心技术制造的基于硅钢片的立体卷铁心配电变压器及采硅钢片制造的有载调容配电变压器等等。它们共同的缺点就是采用了单一节能技术或材料，受非晶合金材料的高硬度和超脆性性能的制约，立体卷铁心非晶合金变压器铁心绕制的方法和加工难度都很大，不能将这几方面的节能技术有机结合，最大程度地发挥配电变压器的节能效果。因此，如何将各种先进的节能技术有机结合后再进一步优化设计和处理，对负荷变化能够自适应，即具备自动有载调节功能，并最大程度地发挥各自的节能优势和性能优势，是配电变压器节能技术研究面临的一项新课题。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供一种具有自适应功能的节能变压器，该节能变压器通过应用非晶合金节能材料、单框铁心无缝绕制技术、立体卷铁心节能结构和大小容量自动调节多种节能技术进行有机结合和优化，实现最大程度降低变压器空载损耗，减少电网建设投资和设备制造过程中对原材料的消耗，并有效解决了困扰电网安全运行多年的问题，提高电网运行安全性、供电质量和供电可靠性，有效解决长期困扰电网运行中负荷自动调节问题，提高电网运行安全性、供电质量和供电可靠性，减少电网建设投资。

本发明的目的是采用下述技术方案实现的：

一种具有自适应功能的节能变压器，其改进之处在于，所述节能变压器包括立体卷铁心3；

所述立体卷铁心3是由3个单框铁心组合成横截面为正三角形的立体结构；所述单框铁心采用非晶合金导磁材料无缝连续绕制而成；

所述立体卷铁心3上绕有低压绕组4和高压绕组5；

所述低压绕组4和高压绕组5的抽头分别与有载调容开关6连接；

所述低压绕组4的线匝之间为并联或串联连接；所述高压绕组5为三角形连接或星形连接；

所述有载调容开关6受有载调容控制器的控制。

优选的，所述节能变压器包括上夹件1和下夹件2；在所述上夹件1和下夹件2之间设有所述立体卷铁心3；所述有载调容开关6安装在油箱7上。

优选的，所述立体卷铁心3的铁心材料为非晶合金导磁材料，或所述非晶合金导磁材料的组合体；所述非晶合金导磁材料包括铁基非晶合金、铁镍基非晶合金、钴基非晶合金和纳米晶合金。

优选的，所述单框铁心采用无缝连续绕制技术，其截面为圆形、多边形、椭圆形或对称形状。

较优选的，所述椭圆形满足短轴与长轴的比≥0.95。

较优选的，所述无缝连续绕制是指对所述非晶合金导磁材料采用纵向剪切连续绕制的方式。

优选的，所述立体卷铁心3是由3个所述单框铁心组合成横截面为正三角形的立体结构，所述立体卷铁心3满足铁心铁轭截面为心柱截面的1/2。

优选的，所述高压绕组5引出线包括实现高压绕组间的三角形和星形两种连接方式转换的6个抽头；所述低压绕组4引出线包括实现低压绕组线匝间的串、并联两种连接方式转换的9个抽头。

优选的，所述有载调容开关6包括绝缘支撑筒、操作机构、绝缘传动轴、高压动触头和低压动触头；

所述绝缘支撑筒筒壁上固定有2组高压静触头和2组低压静触头，所述的2组高压静触头位于同一个水平面上，所述的2组低压静触头位于另一个水平面上；

所述高压静触头的一端与高压绕组5引出线通过静压方式固定连接，另一端悬置；

所述低压静触头的一端与低压绕组4引出线通过静压方式固定连接，另一端悬置；

所述高压动触头和低压动触头安装在有载调容开关操作机构上的以绝缘支撑筒的中心为轴线的绝缘轴上；所述高压动触头和低压动触头随着绝缘轴一起转动且转动速度相等；

所述绝缘轴与所述操作机构连接。

较优选的，所述有载调容开关6通过与操作机构连接的绝缘轴上的高压动触头的转动实现所述高压绕组5三角形与星形连接间的切换，以及通过与操作机构连接的绝缘轴上的低压动触头的转动实现所述低压绕组4串联和并联连接间的切换。

优选的，所述有载调容开关固定在所述节能变压器的顶盖上。

较优选的，所述有载调容控制器固定在所述节能变压器的控制箱内，包括手动调容控制方式和自动调容控制方式；两种控制方式互为闭锁。

与现有技术比，本发明达到的有益效果是：

1、本发明提供的节能变压器，有机综合了诸多变压器节能技术，通过节能材料的选择、铁心绕制、铁心结构设计、高低压绕组的结构设计及有载调容开关结构的设计等方面的有机结合和再优化，攻克了非晶合金导磁材料绕制过程中材料本身因极脆和极硬性导致的难以成行的难题，实现了非晶合金导磁材料的无缝绕制和立体拼装，充分利用了非晶合金导磁材料能大幅降低变压器空载损耗的优良性能。

2、本发明提供的节能变压器，立体卷铁心结构具有减少线圈铜线材料使用的优点，提高非晶合金材料利用率和填充系数，进而达到进一步降低变压器的空载损耗的目的，再通过对高压绕组与低压绕组结构的设计和组合，运用有载调容控制器和有载调容开关，具备了变压器在运行中根据负荷变化自动进行容量调节功能，达到了提高电网运行安全水平和供电质量，减少电网建设投资及大幅节能降耗的目的。

3、本发明提供的节能变压器，其结构原理简单，具有创新和实用价值。

4、本发明提供的节能变压器与已有技术相比，能够在导磁材料、变压器结构设计与计算都不变的情况下，提高了供电质量和变压器运行的安全性及使用寿命，减少了设备建设投资和整体设备对原材料的消耗，最大程度的降低了变压器的空载损耗和总损耗，其有十分显著的节能效果。

5、本发明实施方便、应用面广、经济性好；本发明可广泛应用于电力系统的农村电网季节性负荷变化比较大及昼夜负载变化比较大的场合，大幅度降低变压器的空载损耗，实现节能减排。

附图说明

图1是本发明提供的节能变压器内部结构图；

图2是本发明提供的节能变压器外形图；

图3是本发明提供的节能变压器大容量运行时高压绕组三角形连接原理图；

图4是本发明提供的节能变压器大容量运行时低压绕组星形连接（线匝之间并联）原理图；

图5是本发明提供的节能变压器小容量运行时高压绕组星形连接原理图；

图6是本发明提供的节能变压器小容量运行时低压绕组星形连接（线匝之间串联）原理图；

图7是本发明提供的节能变压器和有载调容开关高压侧绕组连接示意图；

图8是本发明提供的节能变压器和有载调容开关低压侧绕组连接示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明。

本发明提供的一种具有一种具有自适应功能的节能变压器，如图1所示，图1是本发明提供的节能变压器内部结构图，包括：上夹件1和下夹件2，上夹件1和下夹件2之间设有立体卷铁心3，立体卷铁心3上绕有低压绕组4和高压绕组5，低压绕组和高压绕组抽头与特制的有载调容开关6连接，有载调容开关安装在油箱7上，如图2所示，图2是本发明提供的节能变压器外形图。

通过采用非晶合金导磁材料、单框铁心无缝绕制技术、等边立体卷铁心结构、高压绕组5设计成可在三角形和星形Δ-Y两种连接方式转换结构；低压绕组线匝之间设计成串并联两种连接方式的转换结构，配备特制的有载调容开关和控制器，显著降低了节能调容变压器的空载损耗和对原材料的消耗，并实现节能调容变压器自动根据负荷变化。

本发明提供的节能变压器通过高压绕组5在三角形连接与星形连接之间及低压绕组4线匝之间的串、并联的转换，进而达到同一变压器大小容量间的自由调节，最终实现提高电网运行安全水平和供电质量，减少电网建设投资及大幅节能降耗的目的。本发明提供的具有自适应功能的节能变压器，可广泛应用于农村电网季节性负荷变化比较大及昼夜负载变化比较大的场合。

立体卷铁心3的铁心材料可以是任何已知的非晶合金导磁材料、或它们的组合体来制作，比如铁基非晶合金、铁镍基非晶合金、钴基非晶合金、纳米晶合金（超微晶合金）等。

把非晶合金导磁材料采用无缝连续绕制技术形成一个独立的单框铁心，再用三个完全相同的单框铁心组合成一个三相对称的正三角形立体结构铁心。正三角形立体结构满足铁心铁轭截面为心柱截面的1/2的条件。

单框铁心的截面可以是圆形、多边形、椭圆形及其它对称形状。椭圆形满足短轴与长轴的比≥0.95。

正三角形立体结构的立体卷铁心3大幅提高非晶合金带材的使用率，节省原材料，并减少了因三相磁路距离不一致导致的三相电流不平衡和三次谐波，提高了变压器抗短路故障能力；由于没有了叠片接缝，这样一方面降低了铁心的磁阻，进而降低了变压器运行时的噪音、空载损耗和电磁场强度，另一方面提高了铁心的填充系数，减少了铁心绕组的的平均匝长，也就节省了线圈铜材使用量；这样降低了整个产品对原材料的消耗。

高压绕组线圈和低压绕组线圈，其高压绕组线圈引出线包括可实现高压绕组5间的Δ-Y两种连接方式转换的6个抽头，其低压绕组线圈引出线包括可实现低压绕组4间的串、并联两种连接方式转换的9个抽头，达到节能变压器可根据实际负荷保护自动进行大小容量间调节的目的。高压绕组线圈为三角形连接或星形连接，两种连接方式相互转换。低压绕组线圈为星形连接，其线匝之间为串联或并联连接，串联和并联之间可相互转换。通过有载调容开关和有载调容控制器的作用，实现根据实际负荷大小变化进行实时的连续有载切换。最大程度降低变压器空载损耗，减少电网建设投资和设备制造过程中对原材料的消耗，并有效解决了困扰电网安全运行多年的问题，提高了电网运行安全性、供电质量和供电可靠性。如图3-6所示，为调容前后高压绕组的三角形连接和星形连接的变换，以及低压绕组线匝之间串、并联的转换。

本发明提供的节能变压器还包括固定在变压器箱体内的有载调容开关6。所述的有载调容开关，为一独立部件，由绝缘支撑筒、操作机构、绝缘传动轴和高、低压动触头组成。其绝缘支撑筒筒壁上固定有2组高压静触头和2组低压静触头，2组高压静触头和2组低压静触头侧视图为一个矩形，且2组高压静触头位于同一个水平面上，2组低压静触头位于另一个水平面上。

高、低静触头的绝缘支撑筒外侧一端分别对应与变压器的高、低压绕组引线通过静压方式固定连接，高、低静触头的的绝缘支撑筒内侧另一端悬置；高压动触头和低压动触头安装在以绝缘支撑筒的中心为轴线的绝缘轴上，绝缘轴上端（变压器顶盖）与有载调容开关操作机构连接，高、低压动触头随着绝缘轴一起转动，在外部有载调容控制器的控制下，实现高压绕组间的Δ-Y两种连接方式转换和低压绕组间的串、并联两种连接方式转换，达到变压器可根据实际负荷保护自动进行大小容量间调节的目的。

有载调容开关6与高压绕组5三角形连接，与低压绕组4星形连接。如图7-8所示，为节能变压器和有载调容开关高压侧、低压侧绕组连接示意图。

本发明提供的节能变压器还包括固定在变压器外部（变压器上盖）的有载调容控制器。所述的有载调容控制器有手动和自动调容两种控制方式，并互为闭锁；能实时监测有载调容开关高低档位容量位置、开关投切状态，并根据负载大小，准确控制有载调容开关动作，在停机重新供电后自动控制切换到大容量运行方式功能；具备实时监测调容变运行参数、数据采集和处理功能，包括监测有载调容变压器低压侧三相电压、三相电流、三相有功功率、三相无功功率、功率因数等功能；具有高档位、低档位投切的门限设定和动作时间整定，CT变比、通信参数及通信地址设定，时钟设定、调容次数清除、累计时间清除和恢复出厂设定等控制参数整定功能；具有调容次数及运行累计时间、记录高容、低容调容次数，高、低容累计运行时间记录，调容过程中的瞬态数据：调容时刻的电流值、高容和低容调容时间记录、每日整点时刻的三相电流值、电压值、有功功率、无功功率、功率因数以及调容开关位置状态、闭锁信息、装置告警信息、装置重启信息、手动控制、自动控制、远程控制状态切换记录等运行数据和事件记录存储功能；具有对控制器的各种控制方式、告警、闭锁、运行等状态进行指示的功能以及数据下载、程序升级就地及远程通讯等功能。

本发明提供的具有自适应功能的节能变压器，在非晶合金导磁材料应用、单框铁心无缝绕制技术、等边立体卷铁心结构、高压绕组设计成可在Δ-Y两种连接方式转换结构、低压绕组设计成可在串、并联两种连接方式转换结构，配备特制的有载调容开关和控制器等多项新技术的基础上进行优化组合，显著降低了节能有载调容变压器的空载损耗和对原材料的消耗，并实现节能调容变压器自动根据负荷变化，通过高压线圈在三角形联结与星形联结之间及低压线圈线匝之间的串、并联的转换，进而达到同一变压器大小容量间的自由调节，最终实现提高电网运行安全水平和供电质量，减少电网建设投资及大幅节能降耗的目的。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (12)

1.一种具有自适应功能的节能变压器，其特征在于，所述节能变压器包括立体卷铁心（3）；

所述立体卷铁心（3）是由3个单框铁心组合成横截面为正三角形的立体结构；所述单框铁心采用非晶合金导磁材料无缝连续绕制而成；

所述立体卷铁心（3）上绕有低压绕组（4）和高压绕组（5）；

所述低压绕组（4）和高压绕组（5）的抽头分别与有载调容开关（6）连接；

所述低压绕组（4）的线匝之间为并联或串联连接；所述高压绕组（5）为三角形连接或星形连接；

所述有载调容开关（6）受有载调容控制器的控制。

2.如权利要求1所述的节能变压器，其特征在于，所述节能变压器包括上夹件（1）和下夹件（2）；在所述上夹件（1）和下夹件（2）之间设有所述立体卷铁心（3）；所述有载调容开关（6）安装在油箱（7）上。

3.如权利要求1所述的节能变压器，其特征在于，所述立体卷铁心（3）的铁心材料为非晶合金导磁材料，或所述非晶合金导磁材料的组合体；所述非晶合金导磁材料包括铁基非晶合金、铁镍基非晶合金、钴基非晶合金和纳米晶合金。

4.如权利要求1所述的节能变压器，其特征在于，所述单框铁心采用无缝连续绕制技术，其截面为圆形、多边形、椭圆形或对称形状。

5.如权利要求4所述的节能变压器，其特征在于，所述椭圆形满足短轴与长轴的比≥0.95。

6.如权利要求4所述的节能变压器，其特征在于，所述无缝连续绕制是指对所述非晶合金导磁材料采用纵向剪切连续绕制的方式。

7.如权利要求1所述的节能变压器，其特征在于，所述立体卷铁心（3）是由3个所述单框铁心组合成横截面为正三角形的立体结构，所述立体卷铁心（3）满足铁心铁轭截面为心柱截面的1/2。

8.如权利要求1所述的节能变压器，其特征在于，所述高压绕组（5）引出线包括实现高压绕组间的三角形和星形两种连接方式转换的6个抽头；所述低压绕组（4）引出线包括实现低压绕组线匝间的串、并联两种连接方式转换的9个抽头。

9.如权利要求1所述的节能变压器，其特征在于，所述有载调容开关（6）包括绝缘支撑筒、操作机构、绝缘传动轴、高压动触头和低压动触头；

所述绝缘支撑筒筒壁上固定有2组高压静触头和2组低压静触头；所述2组高压静触头位于同一个水平面上，所述2组低压静触头位于另一个水平面上；

所述高压静触头的一端与高压绕组（5）引出线通过静压方式固定连接，另一端悬置；

所述低压静触头的一端与低压绕组（4）引出线通过静压方式固定连接，另一端悬置；

所述高压动触头和低压动触头安装在有载调容开关操作机构上的以绝缘支撑筒的中心为轴线的绝缘轴上；所述高压动触头和低压动触头随着绝缘轴一起转动且转动速度相等；

所述绝缘轴与所述操作机构连接。

10.如权利要求9所述的节能变压器，其特征在于，所述有载调容开关（6）通过与操作机构连接的绝缘轴上的高压动触头的转动实现所述高压绕组（5）三角形与星形连接间的切换，以及通过与操作机构连接的绝缘轴上的低压动触头的转动实现所述低压绕组（4）串联和并联连接间的切换。

11.如权利要求1所述的节能变压器，其特征在于，所述有载调容开关固定在所述节能变压器的顶盖上。

12.如权利要求11所述的节能变压器，其特征在于，所述有载调容控制器固定在所述节能变压器的控制箱内，包括手动调容控制方式和自动调容控制方式；两种控制方式互为闭锁。

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