CN104376992A - 串联耦合变压器物理结构 - Google Patents

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Abstract

本发明属于变压器技术领域，特别涉及一种串联耦合变压器物理结构。该串联耦合变压器采用三相一体壳式铁心结构，串联耦合变压器的壳体、铁心的横截面均为矩形；三相绕组均为饼式铜芯的交错式绕组结构，各相绕组的网侧线圈和阀侧线圈沿铁心高度相互交错排列，每个网侧线圈的左右两侧各有一个阀侧线圈；各绕组分别有4个漏磁组；中间相绕组反绕；网侧线圈为一次侧绕组，与输电线路连接，采用两组并联缠绕及星型接线方式；在铁心长度方向上，各相绕组的左右两端分别设置作为平衡绕组的第三绕组。该结构为UPFC系统了提供一种合适的串联耦合变压器结构，能够适应其特殊的工作条件，用来提高交流系统的传输能力和稳定性。

Description

串联耦合变压器物理结构
技术领域
本发明属于变压器技术领域，特别涉及一种串联耦合变压器物理结构。
背景技术
统一潮流控制器UPFC(Unified Power Flow Controller)作为最有发展前景的串并联混合型FACTS(柔性交流输电系统)设备，通过合适的控制串、并联变换器，分别或同时实现串联补偿、并联补偿、移相控制、阻抗模拟和实时控制输电线路潮流等几种不同的功能，从而能合理分配输电线路的有功和无功潮流及输送功率，提高交流输电系统的传输能力和稳定性，满足电力系统安全、可靠和经济运行的目标。
串联耦合变压器在统一潮流控制器UPFC装置中起着串联补偿、传输线路潮流等重要作用，其工作状态的特殊性如下：
(1)串联耦合变压器的绕组接线方式不同于一般的电力变压器，它的网侧绕组串接于输电线路中，阀侧绕组连接换流器输出电压。因其一次绕组没有接地点，其对地电压即为线路对地电压，其绝缘水平需按线路电压等级来设定。
(2)一次绕组中通过的相电流值远高于相同容量并联到输电线路的电力变压器，导线截面积大。短路故障时，网侧绕组中的短路电流比变压器额定电流大得多，抗短路能力要求高，同时要保证选择的绕组漏抗尽量不要导致所需换流器容量过大。
(3)绕组连接到换流器的输出端，电力电子装置中连续的直流分量叠加在交流信号上由二次绕组进入到变压器中，可造成三相变压器不对称直流偏磁现象，在结构设计中需采取有效的谐波和直流偏磁抑制措施。
(4)阀侧绕组电压经常需要大范围快速调节，甚至出现电压跃变，要求网侧绕组电压随阀侧绕组电压线性变化，因此变压器铁心磁密需要工作在线性区。
(5)一次绕组和二次绕组相电压较低，在较大的额定容量下，通过两侧绕组的电流均较大，若选取常规的电流密度，由此引起的绕组局部发热问题不容忽视。
鉴于串联耦合变压器特殊的用途和近于苛刻的工作条件，需要对其铁心结构及线圈布置进行特殊设计。
发明内容
本发明针对上述串联耦合变压器的设计难点，提出了适用于UPFC系统的一种串联耦合变压器物理结构。
本发明采用以下技术方案：
包括壳体、铁心、铁轭及绕组；其特征在于，该串联耦合变压器采用三相一体壳式铁心结构，串联耦合变压器的壳体、铁心的横截面均为矩形；
所述绕组分为A相绕组、B相绕组和C相绕组，均为饼式铜芯的交错式绕组结构，各相绕组的导线均采用换位导线，且各相绕组的网侧线圈和阀侧线圈沿铁心高度相互交错排列，每个网侧线圈的左右两侧各有一个阀侧线圈；各绕组分别有4个漏磁组；B相绕组与A相绕组、C相绕组的绕向相反；
网侧线圈为一次侧绕组，与输电线路连接，采用两组并联缠绕及星型接线方式；阀侧线圈为二次侧绕组，与换流阀连接，采用星型经电阻接地方式；在铁心长度方向上，各相绕组的左右两端分别设置作为平衡绕组的第三绕组；第三绕组采用三角形接线。
所述铁轭分为各绕组外围部分的边铁轭和相邻绕组中间部分的中间铁轭，边铁轭的截面宽度a为铁心截面宽度的50％，中间铁轭的宽度b为铁心截面宽度的50％-55％。
所述串联耦合变压器的叠片系数取0.96-0.97，工作磁密为1.1T～1.2T，硅钢片磁化曲线的饱和膝点为1.5pu。
所述铁心分为上下对称的两块，之间留有20-40mm的气隙。
所述网侧线圈的绝缘水平满足输电线路的电压等级，阀侧线圈和第三绕组的绝缘水平满足额定电压等级。
所述绕组及串联耦合变压器内的油道均为垂直布置。
本发明的有益效果为：
该结构为UPFC系统提供了一种合适的串联耦合变压器物理结构，满足其特殊的工作条件，实现其抗短路能力强、直流偏磁耐受能力强、绝缘水平要求高以及快速调节潮流等要求，提高交流系统的传输能力和稳定性。
附图说明
图1为UPFC系统的基本结构简图。
图2为本发明所述的串联耦合变压器铁心结构横剖面示意图。
图2中Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ分别代表各相铁心、边铁轭和中间铁轭的区域，Ⅳ、Ⅴ和Ⅵ分别代表A相、B相与C相绕组的区域，a和b分别为边铁轭和中间铁轭的宽度。
图3为本发明所述的串联耦合变压器铁心结构的磁通向量关系图。
图4为本发明所述的串联耦合变压器内部不同区域磁通分布图。
图3与图4中ΦA、ΦB和ΦC分别为A相绕组、B相绕组与C相绕组某一时刻的磁通。
图5为本发明所述的串联耦合变压器的网侧与阀侧绕组的漏磁组分布示意图。
具体实施方式
本发明提供了一种串联耦合变压器物理结构，下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。
UPFC系统的基本结构如图1所示，串联耦合变压器的一次侧串接于输电线路中，二次侧接换流阀用于调节电压和潮流分布。
本发明提供的串联耦合变压器物理结构可以参考如图2。该变压器包括壳体、铁心、铁轭及绕组，采用三相一体壳式铁心结构，串联耦合变压器的壳体、铁心的横截面均为矩形。铁心和铁轭的截面也均为矩形。
铁轭分为各绕组外围部分的边铁轭(区域Ⅱ)和相邻绕组中间部分的中间铁轭(区域Ⅲ)，铁轭磁通为铁心磁通的1/2，结合图4中磁通分布，边铁轭的截面宽度a为铁心截面宽度的50％，中间铁轭的宽度b为铁心截面宽度的50％-55％。
铁心分为上下对称的两块，之间留有20-40mm的气隙，以便于分开运输。考虑到该变压器经常处于阶跃过程，阀侧绕组直流分量的存在，硅钢片磁化曲线的饱和膝点为1.5pu，对于高导磁材料，工作磁密为1.1T～1.2T。铁心截面积的具体尺寸由变压器设计容量和电压等级等确定；串联耦合变压器的叠片系数取0.96-0.97。
绕组分为A相绕组(区域Ⅳ)、B相绕组(区域Ⅴ)和C相绕组(区域Ⅵ)，均为饼式铜芯的交错式绕组结构，各相绕组的导线均采用换位导线，尽可能减小环流损耗并减小绕制的难度，且各相绕组的网侧线圈和阀侧线圈沿铁心高度相互交错排列，每个网侧线圈的左右两侧各有一个阀侧线圈；各绕组分别有4个漏磁组，以把短路电抗控制在10％以下；B相绕组与A相绕组、C相绕组的绕向相反，来减小铁轭截面并减小铁心体积与重量。
网侧线圈为一次侧绕组，与输电线路连接，由于相电流过大，采用两组并联缠绕及星型接线方式，绝缘水平满足输电线路的电压等级；阀侧线圈为二次侧绕组，与换流阀连接，采用星型经电阻接地方式；在铁心(区域Ⅰ)长度方向上，各相绕组的左右两端分别设置作为平衡绕组的第三绕组；第三绕组采用三角形接线，为零序磁通提供通路，也用来限制换流阀中出现的3k次谐波；阀侧线圈和第三绕组的绝缘水平满足额定电压等级。
网侧线圈全段对铁心、铁轭选取相同的绝缘距离，相与相绕组间的距离大于中间铁轭的宽度，不需另外增加裕度。
串联耦合变压器绕组间的的油道均为垂直布置，尺寸根据主绝缘要求选取。
依照上述描述的串联耦合变压器铁心和绕组的结构，给出了一种串联耦合变压器的阀侧物理模型。主要参数如表1：
表1串联耦合变压器参数
进行短路试验、空载励磁试验和空载合闸实验，特别地，进行串联耦合变压器不对称直流偏磁实验(三相所加直流激励不对称)，验证本发明提出的串联耦合变压器物理结构设计的合理性，并在设备投入运行前，对UPFC系统中串联耦合变压器可能出现的情况进行预测。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，不能理解为对本发明的保护范围的限制，该领域的技术熟练人员在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出一些改进和调整。因此所有等同的技术方案也属于本发明的范畴，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (6)

1.一种串联耦合变压器物理结构，包括壳体、铁心、铁轭及绕组；其特征在于，该串联耦合变压器采用三相一体壳式铁心结构，串联耦合变压器的壳体、铁心的横截面均为矩形；
所述绕组分为A相绕组、B相绕组和C相绕组，均为饼式铜芯的交错式绕组结构，各相绕组的导线均采用换位导线，且各相绕组的网侧线圈和阀侧线圈沿铁心高度相互交错排列，每个网侧线圈的左右两侧各有一个阀侧线圈；各绕组分别有4个漏磁组；B相绕组与A相绕组、C相绕组的绕向相反；
网侧线圈为一次侧绕组，与输电线路连接，采用两组并联缠绕及星型接线方式；阀侧线圈为二次侧绕组，与换流阀连接，采用星型经电阻接地方式；在铁心长度方向上，各相绕组的左右两端分别设置作为平衡绕组的第三绕组；第三绕组采用三角形接线。
2.根据权利要求1所述的串联耦合变压器物理结构，其特征在于，所述铁轭分为各绕组外围部分的边铁轭和相邻绕组中间部分的中间铁轭，边铁轭的截面宽度a为铁心截面宽度的50％，中间铁轭的宽度b为铁心截面宽度的50％-55％。
3.根据权利要求1所述的串联耦合变压器物理结构，其特征在于，所述串联耦合变压器的叠片系数取0.96-0.97，工作磁密为1.1T～1.2T，硅钢片磁化曲线的饱和膝点为1.5pu。
4.根据权利要求1所述的串联耦合变压器物理结构，其特征在于，所述铁心分为上下对称的两块，之间留有20-40mm的气隙。
5.根据权利要求1所述的串联耦合变压器物理结构，其特征在于，所述网侧线圈的绝缘水平满足输电线路的电压等级，阀侧线圈和第三绕组的绝缘水平满足额定电压等级。
6.根据权利要求1所述的串联耦合变压器物理结构，其特征在于，所述绕组及串联耦合变压器内的油道均为垂直布置。
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