CN103700472A - 三相与两相互变式平衡变压器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及三相与两相互变式平衡变压器，包括铁芯、一次侧绕组和二次侧绕组，所述一次侧绕组由绕组AN、BN和CN采用星形连接组成，绕组AN、BN和CN构成三相系统，N为其中性点；所述二次侧绕组（3）由A相绕组ad和oe、B相绕组ba、C相绕组eb和do组成，其连接点依次为端子a、d、o、e和b，绕组ad、oe、ba、eb和do依次相连构成一个闭合的

形状，所述一次侧绕组的三相绕组AN、BN和CN的匝数均为W₁；所述二次侧绕组中，绕组ba匝数为W₂，绕组ad和eb匝数均为W₃，绕组oe和do匝数为均为W₄；二次侧绕组中各绕组的匝数满足一定关系式。本发明综合性能优良，结构简单，制造方便。

Description

三相与两相互变式平衡变压器

技术领域

本发明属于电力变压器领域，具体涉及一种应用于电气化铁道或工频电炉等需要两相或单相供电电源的三相与两相互变式平衡变压器。

背景技术

传统的输配电系统为三相系统。但许多用户需要单相或两相供电电源。这势必造成三相系统的不对称运行，产生较大的负序电流和零序电流分量，使电网供电质量下降，影响其他用户的正常供电。在电气化铁道牵引网中，不对称运行尤为严重。对于110kV及以上三相电网，变压器高压侧一般均采用中性点接地运行方式，以降低变压器电压绝缘水平。这就要求变压器负载所产生的高压侧中性点接地电流（零序电流）必须在允许值以内。

减轻或消除负序电流和零序电流的重要方法是采用三相-两相平衡变压器接线方式。国外变压器厂生产的平衡变压器采用Scott接线、LeBlanc接线或Woodbridge接线等多种形式。Scott接线平衡变压器铜材利用率为92.8%，铁芯材料利用率为87.9%，铜铁材综合利用率为81.6%。Scott接线变压器高压侧中性点不能接地，高压绕组要按全绝缘（线电压）设计，使成本升高；由于变压器高低压侧没有三角形回路，因此磁通及电压中含有三次谐波分量，影响电压波形，并给沿线通信带来干扰。另外，绕组和铁芯结构复杂，材料利用率不高，使其应用受到很大限制。LeBlanc接线平衡变压器材料利用率为84.5%。高压侧为三角形接法，消除了三次谐波磁通的影响，但高压侧需按全绝缘设计，增加了成本。Woodbridge及其变形接线高压侧中性点可以直接接地，高压绕组可按分级绝缘（相电压）设计，在低压侧有三角形回路。但低压侧两相出线无公共点，故需增设两台所内自耦变压器（AT），使整体固定投资增加。国内目前用于电气化铁路的国产平衡牵引变压器主要有两种，即阻抗匹配平衡变压器和YN/A平衡变压器。阻抗匹配平衡变压器铜材利用率为91.95%。该变压器高压侧中性点可直接接地，低压侧有三角形回路，两相出线有公共点，可引出接铁轨，但该变压器阻抗匹配较困难，需人为将a相低压绕组进行拆分，以满足等值阻抗的匹配关系。b相两延边低压绕组需作交叉布置，并要求耦合紧密，以降低两延边绕组间的相互影响，故绕组结构复杂。若用于AT供电设计，则B相铁芯柱上将布置有7个绕组，即1个高压绕组，6个低压绕组。低压绕组中的4个均需作交叉布置，使设计上难以实现。故该种变压器只能用于直供和BT供电方式。YN/A平衡变压器铜材利用率在90.46%～91.57%之间变化，其基本特性与阻抗匹配平衡变压器相同，也只能用于直供和BT供电方式。另外，尚有多种接线方式的三相与两相互变式平衡变压器，因为绕组复杂，材料利用率低等原因未见产品实施和应用。

发明内容

本发明的目的是为了克服上述缺陷，提供一种针对现有技术存在的上述缺陷，提供一种综合性能优良，结构简单，制造方便，适用于需要两相或单相电源的三相与两相互变式平衡变压器。

为实现上述目的，本发明设计的三相与两相互变式平衡变压器，包括铁芯、一次侧绕组和二次侧绕组，所述一次侧绕组由绕组AN、BN和CN采用星形连接组成，绕组AN、BN和CN构成三相系统，N为其中性点；所述二次侧绕组由A相绕组ad和oe、B相绕组ba,、C相绕组eb和do组成，其连接点依次为端子a、d、o、e和b，绕组ad、oe、ba、eb和do依次相连构成一个闭合的

形状，所述一次侧绕组的三相绕组AN、BN和CN的匝数均为W₁；所述二次侧绕组中，绕组ba匝数为W₂，绕组ad和eb匝数均为W₃，绕组oe和do匝数为均为W₄；二次侧绕组中各绕组的匝数关系为:

$W_3=\frac{3+\sqrt{3}}{6}{W}_2,W_4=\frac{3-\sqrt{3}}{6}{W}_2.$

在上述技术方案中，调整绕组之间轴向或径向距离，使各队绕组之间的短路阻抗满足下述关系式：

$\begin{array}{c}(3+\sqrt{3}){Z^{\′}}_{\mathrm{KA}12}+(3-\sqrt{3}){Z^{\′}}_{\mathrm{KA}13}+2{Z^{\′}}_{\mathrm{KA}23}+12{Z^{\′}}_{\mathrm{KB}12}=0\\ \sqrt{3}{Z^{\′}}_{\mathrm{KA}12}-\sqrt{3}{Z^{\′}}_{\mathrm{KA}13}+2{Z^{\′}}_{\mathrm{KA}23}=0\end{array}---\left(1.1\right)$

式中Z'_KA12为A相一次侧绕组AN与二次侧绕组ad之间的短路阻抗;Z'_KA13为A相一次侧绕组AN与二次侧绕组oe之间的短路阻抗；Z'_KA23为A相二次侧绕组ad与oe之间的短路阻抗；Z'_KB12为B相一次侧绕组BN与二次侧绕组ba之间的短路阻抗；C相短路阻抗与A相短路阻抗相等；所述的阻抗值均折算到匝数为W₁的绕组一侧。

在上述技术方案中，所述二次侧绕组（3）中，从a、o和b、o引出两相系统，两相系统的空载电压大小相等，相位互差90°，其空载电压大小为：

$\begin{array}{c}{U}_{\mathrm{ao}}=U_{\mathrm{ab}}\cos {45}^0=\frac{\sqrt{2}}{2}{U}_{\mathrm{ab}}\\ U_{\mathrm{bo}}=U_{\mathrm{ab}}\cos {45}^0=\frac{\sqrt{2}}{2}{U}_{\mathrm{ab}}\end{array}.$

在上述技术方案中，所述一次侧绕组的三相电流和二次侧两相负载电流关系为：

$\left[\begin{array}{c}\stackrel{g}{I_A}\\ \stackrel{g}{I_B}\\ \stackrel{g}{I_C}\end{array}\right]=\frac{1}{K}\left[\begin{array}{cc}\frac{3+\sqrt{3}}{6}-\mathrm{\ζ}& \frac{3-\sqrt{3}}{6}-\mathrm{\ζ}\\ -\mathrm{\ζ}& -\mathrm{\ζ}\\ \frac{3-\sqrt{3}}{6}-\mathrm{\ζ}& \frac{3+\sqrt{3}}{6}-\mathrm{\ζ}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}\stackrel{g}{I_{\mathrm{\α}}}\\ \stackrel{g}{I_{\mathrm{\β}}}\end{array}\right]---\left(1.2\right),$

式中：

在上述技术方案中，所述铁芯为三相柱式或三相壳式结构。

本发明的技术方案中，式（1.1）可以利用多绕组变压器理论，磁势平衡方程，本发明的连接方式及对应的电路方程，一次侧中性点N电流为零的平衡条件，以及两相系统互不影响的解耦条件导出。通过调整各对绕组之间的短路阻抗值，使之满足平衡条件，则不管负载电流如何变化，总能保证一次侧电流中无零序分量，即保持电流平衡状态。本发明的短路阻抗满足短路阻抗关系式构成了平衡变压器，具有以下优点：①二次侧带两相负载时，无论负载电流如何变化，一次侧三相电流中始终无零序分量；②二次侧两相负载对称时，一次侧三相电流也对称，既无零序分量，也无负序分量；③二次侧两相出线端短路时，从一次侧各相看去的全短路阻抗相等；一次侧三相出线端对中性点短路时，从二次侧两相看去的全短路阻抗相等；④两相系统实现完全解耦，即一相电流或负荷的变化，不会影响另一相电压的变化。

本发明综合性能优良、结构简单，材料成本显著降低，设计和制造难度下降，抗短路性和运行可靠性均有很大提高。本发明特别适合于用在电气化铁路牵引变电所作为主变压器，或其他需要两相或单相工频电源的场合，如工频电炉供电电源等。

附图说明

图1.1为本发明的一次侧绕组接线图；

图1.2为本发明的二次侧绕组接线图；

图2为本发明的二次绕组电压向量图；

图3为本发明采用三相柱式铁芯结构实施例示意图；

图4为本发明采用三相壳式铁芯结构实施例示意图；

图中，1-铁芯；2-一次侧绕组；3-二次侧绕组。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细描述：

如图1—图4所示的三相与两相互变式平衡变压器，包括铁芯1、一次侧绕组2和二次侧绕组3，一次侧绕组2由绕组AN、BN和CN采用星形连接组成，绕组AN、BN和CN构成三相系统，N为其中性点；二次侧绕组3由A相绕组ad和oe、B相绕组ba,、C相绕组eb和do组成，其连接点依次为端子a、d、o、e和b，绕组ad、oe、ba、eb和do依次相连构成一个闭合的

形状，一次侧绕组2的三相绕组AN、BN和CN的匝数均为W₁；二次侧绕组3中，绕组ba匝数为W₂，绕组ad和eb匝数均为W₃，绕组oe和do匝数为均为W₄；二次侧绕组中各绕组的匝数关系为:

$W_3=\frac{3+\sqrt{3}}{6}{W}_2,W_4=\frac{3-\sqrt{3}}{6}{W}_2.$

调整绕组之间轴向或径向距离，使各队绕组之间的短路阻抗满足下述关系式：

$\begin{array}{c}(3+\sqrt{3}){Z^{\′}}_{\mathrm{KA}12}+(3-\sqrt{3}){Z^{\′}}_{\mathrm{KA}13}+2{Z^{\′}}_{\mathrm{KA}23}+12{Z^{\′}}_{\mathrm{KB}12}=0\\ \sqrt{3}{Z^{\′}}_{\mathrm{KA}12}-\sqrt{3}{Z^{\′}}_{\mathrm{KA}13}+2{Z^{\′}}_{\mathrm{KA}23}=0\end{array}---\left(1.1\right)$

式中Z'_KA12为A相一次侧绕组AN与二次侧绕组ad之间的短路阻抗;Z'_KA13为A相一次侧绕组AN与二次侧绕组oe之间的短路阻抗；Z'_KA23为A相二次侧绕组ad与oe之间的短路阻抗；Z'_KB12为B相一次侧绕组BN与二次侧绕组ba之间的短路阻抗；C相短路阻抗与A相短路阻抗相等；所述的阻抗值均折算到匝数为W₁的绕组一侧。

二次侧绕组3中，从a、o和b、o引出两相系统，两相系统的空载电压大小相等，相位互差90°，其空载电压大小为：

$\begin{array}{c}{U}_{\mathrm{ao}}=U_{\mathrm{ab}}\cos {45}^0=\frac{\sqrt{2}}{2}{U}_{\mathrm{ab}}\\ U_{\mathrm{bo}}=U_{\mathrm{ab}}\cos {45}^0=\frac{\sqrt{2}}{2}{U}_{\mathrm{ab}}\end{array}.$

一次侧绕组2的三相电流和二次侧两相负载电流关系为：

$\left[\begin{array}{c}\stackrel{g}{I_A}\\ \stackrel{g}{I_B}\\ \stackrel{g}{I_C}\end{array}\right]=\frac{1}{K}\left[\begin{array}{cc}\frac{3+\sqrt{3}}{6}-\mathrm{\ζ}& \frac{3-\sqrt{3}}{6}-\mathrm{\ζ}\\ -\mathrm{\ζ}& -\mathrm{\ζ}\\ \frac{3-\sqrt{3}}{6}-\mathrm{\ζ}& \frac{3+\sqrt{3}}{6}-\mathrm{\ζ}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}\stackrel{g}{I_{\mathrm{\α}}}\\ \stackrel{g}{I_{\mathrm{\β}}}\end{array}\right]---\left(1.2\right),$

式中：

铁芯1为三相柱式或三相壳式结构，采用三相柱式结构时，A相和C相铁芯柱上仅布置有3个绕组，B相铁芯柱上仅布置有2个绕组，且不必对绕组作特殊布置，也不需要再对绕组进行拆分。

本发明既可实现三相变两相的功能，也可实现两相变三相的功能；

若分别从一次侧绕组2中的A、B和C三点引入三相对称电压，从二次侧绕组3的a、o和b、o引出两相对称电压，则可实现三相变两相的功能；

若分别从一次侧绕组2中的a、o和b、o引入两相对称电压，从二次侧绕组3的A、B和C三点引出三相对称电压，则可实现两相变三相的功能。

图2中，各边长既代表绕组的匝数，也代表绕组空载电压的大小。

从图2可见，在三角形aob中：

∠aob=90⁰，∠oab=45⁰，∠abo=45⁰，

且对应于边ao的电压为：

$U_{\mathrm{ao}}=\cos {45}^0{U}_{\mathrm{ab}}=\frac{\sqrt{2}}{2}{U}_{\mathrm{ab}},$

对应于边bo的电压为：

$U_{\mathrm{bo}}=\cos {45}^0{U}_{\mathrm{ab}}=\frac{\sqrt{2}}{2}{U}_{\mathrm{ab}},$

且边ao垂直于边bo。这说明从ao和bo所引出的两相电压大小相等，相位相差90°，为一两相对称电压。

图3是本发明铁芯采用三相柱式结构的实施例，采用三相柱式铁芯，A相和C相的3个绕组布置在铁芯两边的心柱上，B相的2个绕组布置在中间的心柱上；A相和C相的绕组布置及结构完全相同；对于A相，绕组AN在外侧，绕组ad和oe靠近心柱,并关于绕组AN作上下对称布置；对于C相，绕组CN在外侧，绕组eb和do靠近心柱,并关于绕组CN作上下对称布置；对于B相，绕组BN在外侧，绕组ba靠近心柱。

对于图3所示的铁芯采用三相柱式结构变压器，为满足短路阻抗关系式（1.1），需对绕组尺寸及相互位置进行适当调整。具体实施步骤如下：①根据绝缘要求确定二次侧绕组ad、ba、ed和eb与心柱之间的距离，各距离保持一致；②根据全短路阻抗值的要求确定Z'_KA12的大小；③调整绕组之间的径向或轴向距离（必要时可改变线圈轴向高度或辐向厚度），使各对绕组之间的短路阻抗满足式（1.1）。调整时保持图3的特征不变，且A、B和C三相的一次侧绕组与心柱的距离一致。

图4是本发明铁芯采用三相壳式结构的实施例，采用三相壳式结构，A相和C相的3个绕组对称布置在铁芯两边的窗口上，B相的2个绕组布置在中间的窗口上；A相和C相的绕组布置及结构完全相同；所有二次侧绕组均分为匝数相等的两个线饼，同一个绕组的两个线饼既可以串联，也可以并联（图4为串联）；对于A相，绕组AN在窗口的中央，对应于绕组ad和oe的两个线饼布置在绕组AN的两旁，并关于绕组AN作左右交错对称布置；对于B相，对应于绕组ba的两个线饼靠近铁轭，并关于绕组BN对称;对于C相，绕组CN在窗口的中央，对应于绕组eb和do的两个线饼布置在绕组CN的两旁，并关于绕组CN作左右交错对称布置。

图4所示的三相壳式结构变压器，为满足短路阻抗关系式（1.1），同样需对绕组尺寸及相互位置进行适当调整，具体实施步骤如下：①根据绝缘要求确定各绕组与心柱之间的距离，各距离保持一致；②根据全短路阻抗值的要求确定Z'_KA12的大小；③调整绕组之间的距离，必要时可改变线圈轴向高度或辐向厚度，使各对绕组之间的短路阻抗满足式（1.1）。调整时保持图4的特征不变，且A、B和C三相的一次侧绕组与铁轭的距离一致。

本发明特别适合于用在电气化铁路牵引变电所作为主变压器，或其他需要两相或单相工频电源的场合，如工频电炉供电电源等应用场合。

Claims (5)

1.一种三相与两相互变式平衡变压器，包括铁芯（1）、一次侧绕组（2）和二次侧绕组（3），其特征在于：

所述一次侧绕组（2）由绕组AN、BN和CN采用星形连接组成，绕组AN、BN和CN构成三相系统，N为其中性点；所述二次侧绕组（3）由A相绕组ad和oe、B相绕组ba,、C相绕组eb和do组成，其连接点依次为端子a、d、o、e和b，绕组ad、oe、ba、eb和do依次相连构成一个闭合的

形状，所述一次侧绕组（2）的三相绕组AN、BN和CN的匝数均为W₁；所述二次侧绕组（3）中，绕组ba匝数为W₂，绕组ad和eb匝数均为W₃，绕组oe和do匝数为均为W₄；二次侧绕组中各绕组的匝数关系为:

$W_3=\frac{3+\sqrt{3}}{6}{W}_2,W_4=\frac{3-\sqrt{3}}{6}{W}_2.$

2.根据权利要求1所述的三相与两相互变式平衡变压器，其特征在于：

调整绕组之间轴向或径向距离，使各队绕组之间的短路阻抗满足下述关系式：

$\begin{array}{c}(3+\sqrt{3}){Z^{\′}}_{\mathrm{KA}12}+(3-\sqrt{3}){Z^{\′}}_{\mathrm{KA}13}+2{Z^{\′}}_{\mathrm{KA}23}+12{Z^{\′}}_{\mathrm{KB}12}=0\\ \sqrt{3}{Z^{\′}}_{\mathrm{KA}12}-\sqrt{3}{Z^{\′}}_{\mathrm{KA}13}+2{Z^{\′}}_{\mathrm{KA}23}=0\end{array}---\left(1.1\right)$

式中Z'_KA12为A相一次侧绕组AN与二次侧绕组ad之间的短路阻抗;Z'_KA13为A相一次侧绕组AN与二次侧绕组oe之间的短路阻抗；Z'_KA23为A相二次侧绕组ad与oe之间的短路阻抗；Z'_KB12为B相一次侧绕组BN与二次侧绕组ba之间的短路阻抗；C相短路阻抗与A相短路阻抗相等；所述的阻抗值均折算到匝数为W₁的绕组一侧。

3.根据权利要求1或2所述的三相与两相互变式平衡变压器，其特征在于：所述二次侧绕组（3）中，从a、o和b、o引出两相系统，两相系统的空载电压大小相等，相位互差90°，其空载电压大小为：

$\begin{array}{c}{U}_{\mathrm{ao}}=U_{\mathrm{ab}}\cos {45}^0=\frac{\sqrt{2}}{2}{U}_{\mathrm{ab}}\\ U_{\mathrm{bo}}=U_{\mathrm{ab}}\cos {45}^0=\frac{\sqrt{2}}{2}{U}_{\mathrm{ab}}\end{array}.$

4.根据权利要求1或2所述的三相与两相互变式平衡变压器，其特征在于：所述一次侧绕组（2）的三相电流和二次侧两相负载电流关系为：

$\left[\begin{array}{c}\stackrel{g}{I_A}\\ \stackrel{g}{I_B}\\ \stackrel{g}{I_C}\end{array}\right]=\frac{1}{K}\left[\begin{array}{cc}\frac{3+\sqrt{3}}{6}-\mathrm{\ζ}& \frac{3-\sqrt{3}}{6}-\mathrm{\ζ}\\ -\mathrm{\ζ}& -\mathrm{\ζ}\\ \frac{3-\sqrt{3}}{6}-\mathrm{\ζ}& \frac{3+\sqrt{3}}{6}-\mathrm{\ζ}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}\stackrel{g}{I_{\mathrm{\α}}}\\ \stackrel{g}{I_{\mathrm{\β}}}\end{array}\right]---\left(1.2\right),$

式中：

5.根据权利要求1或2所述的三相与两相互变式平衡变压器，其特征在于：所述铁芯（1）为三相柱式或三相壳式结构。

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