CN107146694A - 一种用于提高工频变压器短路阻抗的结构 - Google Patents

一种用于提高工频变压器短路阻抗的结构 Download PDF

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苟炬龙
叶志军
曾文辉
蔡金星
刘志学
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Abstract

本发明公开了一种用于提高工频变压器短路阻抗的结构，包括由铁芯柱和铁轭组成的铁芯及绕组线圈；所述绕组线圈包括交错式分布的高压绕组和低压绕组各若干包，且所述铁芯柱左右两侧的绕组呈对称分布；所述高压绕组和低压绕组的交错分布结构可改变；各绕组之间留有一定的绝缘距离以供加入导磁体。本发明通过改变组成变压器的高压绕组和低压绕组的交错分布结构，并通过在所述高压绕组和低压绕组之间增加磁通导钣，实现对变压器漏磁通和短路阻抗的改变，从而根据需要提高变压器短路阻抗。

Description

一种用于提高工频变压器短路阻抗的结构
技术领域
本发明涉及电机学及电力电子技术领域，具体为一种用于提高工频变压器短路阻抗的结构。
背景技术
在变压器的众多影响其性能指标的参数中，短路阻抗是最重要的一个，其大小是影响变压器制造成本和运行效率、以及机械强度等的重要因素。因此，设计符合需要的短路阻抗是设计变压器的首要工作之一。研究表明，改变变压器绕组的分布，变压器的漏磁通会发生变化，其短路阻抗也将随着发生变化。此外，绕组在电流的作用下产生的磁场，其大部分会从磁阻较小的铁芯通过，也有部分从空气间隙流过，在变压器的高低压绕组之间增加导磁体也能够改变短路阻抗。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术之不足，提供一种用于提高工频变压器短路阻抗的结构，通过改变组成变压器的高压绕组和低压绕组的交错分布结构，并通过在所述高压绕组和低压绕组之间增加磁通导钣，实现对变压器漏磁通和短路阻抗的改变，从而根据需要提高变压器的短路阻抗。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种用于提高工频变压器短路阻抗的结构，包括由铁芯柱和铁轭组成的铁芯及绕组线圈；所述绕组线圈包括交错式分布的高压绕组和低压绕组各若干包，且所述铁芯柱左右两侧的绕组呈对称分布；所述高压绕组和低压绕组的交错分布结构可改变；各绕组之间留有一定的绝缘距离以供加入导磁体。
优选的，所述铁芯由硅钢片叠加而成。
优选的，所述导磁体为磁通导钣。
优选的，所述磁通导钣与铁芯材料相同。
优选的，所述磁通导钣由与铁芯材料相同的硅钢片叠加而成。
优选的，所述磁通导钣的叠加硅钢片数可改变。
优选的，所述铁芯采用UI型结构，即在变压器铁芯的内高延长线上铁轭存在两条垂直气隙。
优选的，所述硅钢片的厚度为0.35mm。
优选的，所述铁芯柱同侧相连的绕组间的距离为5mm。
以下结合附图及实施例对本发明作进一步详细说明，但本发明的一种用于提高工频变压器短路阻抗的结构不局限于实施例。
附图说明
图1为本发明实施例的变压器的实体图；其中(a)为正面，(b)为反面；
图2为本发明实施例的变压器的三视图；其中(a)为主视图，(b)为左视图，(c)为俯视图；
图3为本发明实施例的改变绕组分布示意图；
图4为本发明实施例的增加高低压绕组间的磁通导钣图；
图5为本发明实施例的磁通导钣示意图；
图6为本发明实施例的不同绕组分布的简单模型图；
图7为本发明实施例的不同绕组分布稳态短路的运行特性曲线；
图8为本发明实施例的PSSPPS分布一、二次电流随时间变化曲线；
图9为本发明实施例的不同绕组分布下的磁通密度分布图；
图10为本发明实施例的不同绕组分布下的磁场强度分布图；
图11为本发明实施例的不同绕组分布下的相对磁导率分布图；
图12为本发明实施例的增加绕组间的磁通导的简单模型图；
图13为本发明实施例的不同磁通导钣厚度的稳态短路特性曲线Zk＝f(K)；
图14为本发明实施例的1片磁通导钣时，一、二次短路电流随时间的变化曲线图；
图15为本发明实施例的短路阻抗随磁通导钣厚度的变化曲线；
图16为本发明实施例的不同磁通导钣厚度的磁通密度分布图；
图17为本发明实施例的不同磁通导钣厚度的磁场强度分布图；
图18为本发明实施例的不同磁通导钣厚度的铁芯相对磁导率分布图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
参见图1和图2所示，一种用于提高工频变压器短路阻抗的结构，采用椭圆筒式绕组，包括由铁芯柱和铁轭组成的铁芯1及绕组线圈2；所述绕组线圈2包括交错式分布的高压绕组和低压绕组各若干包，且所述铁芯柱左右两侧的绕组呈对称分布；所述高压绕组和低压绕组的交错分布结构可改变；各绕组之间留有一定的绝缘距离以供加入导磁体。
具体的，所述铁芯1由硅钢片叠加而成；所述导磁体为磁通导钣3，所述磁通导钣由与铁芯材料相同的硅钢片叠加而成，且所述磁通导钣3的叠加硅钢片数可改变。所述铁芯1采用UI型结构，即在变压器铁芯的内高延长线上铁轭存在两条垂直气隙。所述硅钢片的厚度为0.35mm。所述铁芯柱同侧相连的绕组间的距离为5mm。
本实施例中，变压器绕组(单包)的参数参见表1所示：
表1变压器绕组(单包)参数
变压器的额定参数和几何参数分别参见表2和表3所示：
表2变压器的额定参数
表3变压器几何参数
如下将从理论和实验两方面对不同绕组和不同磁通导钣厚度的短路阻抗进行分析。
1、理论分析
1.1绕组分布与短路阻抗的关系
参见图3所示为依据本发明结构设计的两组绕组的简化示意图。如图所示，变压器的磁通由主磁通和漏磁通组成，其中漏磁通有一部分同时匝链高低压绕组但是从高低压绕组间的间隙通过另一部分是只匝链低压绕组或者高压绕组两者共同组成变压器的漏磁通。根据变压器短路阻抗的定义可知，短路阻抗越大，短路电压越大，其变压器的漏磁通也越大。改变变压器绕组的分布，漏磁通会发生变化，短路阻抗也将随着发生变化。从左边PSSP绕组(其中P为低压绕组，S为高压绕组)分布图可以看出，经过高低压绕组间的漏磁通形成两条导磁通道。改变第二组高低压绕组的分布，得到右边的PSPS分布，从图中可以发现，此时高低压绕组间会形成3条导磁通道，即有三部分漏磁通这将会导致变压器的漏磁通发生变化，根据电感的定义，变压器的漏感也会发生改变，最后导致变压器的短路阻抗变化。而改变其他绕组分布，也可以同理来分析。
1.2磁通导钣与短路阻抗的关系
参见图4所示，绕组在电流的作用下产生的磁场，其大部分会从磁阻较小的铁芯通过，也有部分从空气间隙流过。参见图5所示为在变压器的高低压绕组之间增加的导磁体(一般由与铁芯材料相同的硅钢片叠加而成)。
根据电磁理论知道：
Rm＝l/μS
其中，Rm为变压器铁芯的磁阻，l为磁路长度，μ为铁磁材料的磁导率，S为磁通穿过的截面面积
S＝d*b
其中，d为磁通导钣厚度，b为磁通导钣深度，一般与铁芯深度相同。将如上两式即可得到磁阻与磁通导钣厚度的计算公式：
Rm＝l/μdb
由上式可以得知，增加高低压绕组间的磁通导钣，其他条件不变，由于铁磁材料的磁导率远大于空气的磁导率，因此，又上式可以得到磁通导钣的磁阻远小于空气的磁阻。根据公式
可以得到，增加高低压绕组间的磁通导钣，磁阻减小将使经过高低压绕组间的漏磁通增大。而当增加磁通导钣的厚度d，其他参数不变，由上式可以发现磁阻Rm与磁通导钣厚度d成反比，因此随着磁通导钣厚度的增加，磁阻Rm越来越小，漏磁通越来越大，通过磁通导钣的漏磁通与磁通导钣厚度成正比。由
可以知道，随着漏磁通的增大，也增大；漏磁通减小，也减小。
根据变压器主磁通和漏磁通的定义可以发现图4中与均属于漏磁通，而由通过一次侧线圈和二次侧线圈两部分漏磁通组成，分别为和
根据变压器绕组漏磁通与电抗的关系
X1＝ωLσ2P＝2πfLσ2P
X2＝ωLσ2S＝2πfLσ2S
Xk＝X1+X2
其中，eσ2P、eσ2S、Lσ2P、Lσ2S、X1、X2、分别为一、二次侧的感应电动势、漏电感和漏电抗。由上式，在其他条件不变的情况下，随着和的增加，短路电抗分量Xk将增大，短路阻抗Zk也将增大。
因此，在其他条件不变的情况下，当磁通导钣的厚度d增加，变压器的短路阻抗也会随着变大；磁通导钣的厚度d减少，短路阻抗也会变小。
2、实验分析
参见图6所示，本实施例中，变压器绕组两侧结构对称，每侧都有高低压绕组三组，初始变压器绕组为PSSPPS形式，其中P为低压绕组，S为高压绕组。每次改变一组高低压绕组的顺序，即可得到图6中SPSPPS、PSPSPS、PSSPSP这三种不同的绕组分布形式。
2.1不同绕组分布的短路阻抗
2.1.1稳态短路运行
稳态运行时，为了避免短路冲击电流过大，出于安全考虑，设置高压侧电压为14.6V，得到的稳态短路电流曲线Ik＝f(U2)，参见图7所示，从图中可以发现，短路电流与电压呈线性关系，但是不同绕组分布特性曲线斜率不同，PSPSPS分布最大，PSSPPS分布最小。
2.1.2瞬态短路运行
初始变压器的绕组两侧采用PSSPPS的对称分布，瞬态短路实验时，由于在额定电压(104V)下，短路的冲击电流非常大，达到了上千安培，极可能损坏设备甚至对人身安全造成影响，因此，在做瞬态仿真实验时，输入电压U1调节在较低等级，为46V。同样设置开关在t＝0.5944s合闸，得到图8PSSPPS分布时一、二次电流随时间的变化曲线：
t＝0.6064s时，短路电流达到最大值，分别为
I1max＝14.862pu，I2max＝15.149pu
由变压器的短路阻抗计算公式：
可以得到此时该绕组分布的短路阻抗Zk(pu)＝0.0828。改变高低压绕组的分布，得到SPSPPS、PSPSPS、PSSPSP这三种绕组分布方式的短路阻抗值，如表4所示：
表4不同绕组分布时的短路阻抗
从表4可以看出，不同的绕组排列方式下，PSPSPS排列的一次侧最大短路电流最大，初始变压器的PSSPPS排列的最大短路电流最小，而短路阻抗相反，说明改变初始变压器的绕组分布后，短路阻抗均减小了，初始变压器的短路阻抗最大。
2.1.3磁通密度分布
图9给出不同绕组分布下的磁通密度图，不同绕组分布，其磁通密度的大小变化不大，但是磁通密度的分布改变了。从变压器的磁场原理可以得出，高低压绕组间会形成磁路，图9(a)的PSSPPS绕组分布，一共有3个高低压绕组是上下相邻的(PS或者SP)，这将会在绕组间产生3条磁路通道，由磁路的公式可以得到，在磁导率μ和截面积S不变的情况下，磁阻Rm与磁路l成正比，磁路越多，磁阻越大，漏磁通越小，漏电抗越小，短路电流越大。
从图9另外3个图可以看出，SPSPPS分布的绕组间有4条磁路，PSPSPS分布绕组间则有5条磁路，PSSPSP分布绕组间有4条磁路，因此，绕组PSPSPS分布的最大短路电流最大，而绕组PSSPPS分布的最大短路电流最小，SPSPPS分布与PSSPSP分布的最大短路电流值在上面二者之间，且相差较小。
2.1.4磁场强度分布
变压器绕组上的磁场强度分布如图10所示，同样可以看出不同绕组分布时绕组之间的磁路数。对比图(a)和图(b)，只有绕组变化的部分磁场强度分布发生变化，其他部分的磁场强度几乎没有变化。对比图(a)和图(c)，可以发现，随着磁路数的增加，磁场强度最大值也开始减小。而图(d)与图(b)的结构由于绕组结构的相似性，磁场分布也很相似，且磁场强度大小相近。
2.1.5相对磁导率分布
观察不同绕组分布的变压器在瞬态短路电流达到最大值时，变压器铁芯的相对磁导率分布图如图11所示：
从图11中可以看出，4种绕组形式的变压器铁芯的相对磁导率都在3979以上，说明在瞬态短路电流达到最大值时，变压器铁芯均未达到饱和。图11(a)中，相对磁导率的最大值位于与下铁轭相连的内角上，这是因为(1)经过内角的磁路较短，磁阻较小，磁场从内角上经过所需消耗的磁能量是最少的；(2)上铁轭的内角与气隙相连，导致磁阻增大，磁导率减小。因此，下铁轭的相对磁导率是最大的。
图11(b)改变的是变压器第一组高低压绕组的分布，其上铁轭以及上侧内角的相对磁导率处明显小于11(a)，这是由于变压器瞬态短路时，SPSPPS分布的低压侧电流标幺值大于高压侧电流标幺值，由磁动势守恒定律可以发现，此时低压侧漏磁通增大，相对的，可以认为高压侧的漏磁通减少了，因此采用SPSPPS绕组形式的第一个高压绕组的磁场变小，导致与之想接近的上铁轭及与之相连的内角的磁场变小，导致相对磁导率变小。
对比图11的(a)和(c)，改变的是变压器第二组高低压绕组的分布，由于绕组的交叉分布，使得铁芯的相对磁导率在绕组位置的分布相对均匀。
对比图11的(d)则与(b)，改变的是变压器第三组高低压绕组的分布，绕组变化在下部，因此二者相对磁导率变化的也是下铁轭内角处。11(a)中与下铁轭相近的是S绕组，11(d)中与下铁轭相近的是P绕组，由于变压器P侧短路电流标幺值大于S侧，因此P侧漏磁通增大，相对磁导率也跟着增强，因此与之相近的内角相对磁导率也跟着增大。
综上，通过瞬态短路仿真实验可以发现，在短路电流达到最大值时，采用PSPSPS绕组的短路电流最大，而初始变压器的短路阻抗最大。通过铁芯的相对磁导率、磁通密度以及绕组的磁场分布图可以看出，不同的绕组分布，将使变压器铁芯的相对磁导率分布发生变化，这将影响铁芯的饱和性。而绕组间磁路的变化，由于磁阻Rm与磁路l成正比关系，因此磁路的变化将直接导致磁阻发生变化，进而影响变压器的性能，因此同样可以发现PSPSPS绕组分布的最大短路电流较其他绕组分布时大，而初始变压器PSSPPS绕组分布最大短路电流最小，短路阻抗最大。
2.2不同磁通导钣厚度对短路阻抗的影响
参见图12所示，本实施例中，变压器采用初始的PSSPPS绕组结构，变压器同侧相连的高低压绕组间的距离为5mm，磁通导钣由与铁芯相同材料，厚度为0.35mm硅钢片叠加而成。改变磁通导钣的厚度d，从0到4.9mm，每0.35mm为一个间隔，即d＝0.35K，K＝0～13，K为磁通导钣叠加的导磁片(硅钢片)数量，磁通导的长度a＝60mm，深度b＝120mm。利用有限元软件求得不同磁通导钣厚度时变压器的短路阻抗，接下来进行不同磁通导钣厚度时的短路运行实验。由于实际测量时，导磁片间存在间隙且外层包有绝缘纸，因此测量时导磁片只能叠加到9片。
2.2.1稳态短路运行实验
参见图13所示，给出随着导磁片数量变化，变压器短路阻抗的变化情况，其中测量值与仿真值误差都小于8％。从图13的Zk＝f(K)特性曲线可以看出：(1)随着导磁片数量的增加，短路阻抗逐渐增大；(2)随着导磁片数量的线性增加，其短路阻抗增加量逐渐减少。
2.2.2瞬态短路运行实验
依次增加第一组高低压绕组间磁通导钣的厚度，其他物理参数均与初始变压器相同。瞬态短路实验时，同样设置输入电压U1在较低等级，以保证实验安全，U1＝46V。设置合闸开关在t＝0.5944s合闸，得到下图CTDB1(1片磁通导钣)分布时一、二次短路电流随时间的变化曲线，如图14所示。可以发现，CTDB1与CTDB0在瞬态短路时的电流波形一致，但是最大幅值变化，在t＝0.6064s时，短路电流达到最大值，分别为
I1max＝14.62pu，I2max＝15.14pu
由变压器的短路阻抗计算公式可以得到此时该绕组分布的短路阻抗Zk＝0.08418Ω。依次增加第一组高低压绕组间磁通导钣的厚度，得到不同磁通导钣厚度下的最大短路电流以及该时刻的短路阻抗值，如下表5所示：
表5不同磁通导钣厚度下的短路阻抗
从表5可以看出：(1)随着磁通导钣厚度的增加，二次侧的最大短路电流略微减小，最小值较初始变压器少0.36％，几乎可以忽略；(2)随着磁通导钣厚度的增加，一次侧短路电流最大值降低较多，CTDB13较初始变压器少9.36％，短路阻抗增加10.451％。根据表5得到短路阻抗随磁通导钣厚度曲线如图15所示。
从图15最大短路电流对应的短路阻抗随磁通导钣厚度的变化图可以看出：(1)随着磁通导钣厚度的增加，变压器的短路阻抗逐渐增大；(2)随着磁通导钣厚度的增加，短路阻抗的曲线趋于平缓，增加量逐渐较少；(3)瞬态短路结果与稳态短路结果类似。
2.2.3磁通密度分布
参见图16所示为不同磁通导钣厚度的磁通密度分布图，从变压器的磁通密度分布图可以看出，受磁通导钣厚度的增加影响最大的是磁通导钣部分的磁通密度。
2.2.4磁场强度分布
参见图17为磁场强度分布图，可以看出变压器的磁场在每组高低压绕组间呈对称分布，而增加磁通导钣后，磁通导钣处的磁场大大增加，达到了105A/m，是未增加磁通导钣的3倍多。而随着磁通导钣厚度的增加，对变压器绕组的磁场分布影响较小，而磁通导钣两侧的强磁场范围略微增大。
2.2.5相对磁导率分布
随着磁通导钣增加变压器铁芯相对磁导率的分布图参见图18所示，在未增加磁通导钣时，变压器铁芯的相对磁导率在3979以上，且随着磁通导钣的增加，下铁轭处内角的相对磁导率保持在最大值，说明磁通导钣厚度的增加对该处无影响。对比图18的(a)～(h)，可以发现(a)(e)(f)(g)的相对磁导率分布及大小几乎完全相同，随着磁通导钣厚度的增加，变压器铁芯和磁通导钣均未饱和；(b)(c)(d)(h)的相对磁导率分布较相似，在短路电流达到最大值时，铁芯同样未饱和，但是磁通导钣会出现部分饱和，说明相对磁导率的增加与磁通导钣厚度的增加并不是单纯的线性关系。在一定磁通导钣厚度内，能保持磁通导钣的未饱和性，减少磁通导钣厚度，将使得变压器失去原有的饱和性，这可能会影响变压器的性能。
上述主要通过仿真软件来研究变压器高低压绕组间磁通导钣厚度对短路阻抗的影响。通过瞬态短路仿真实验可以发现，随着磁通导钣厚度的增加，变压器的最大短路电流逐渐减小，对应的短路阻抗将逐渐增大，但是磁通导钣厚度增加到一定程度时，短路阻抗的增加缓慢。通过铁芯的相对磁导率、磁通密度以及绕组的磁场分布图可以看出，随着磁通导钣厚度的增加，磁通导钣上的相对磁导率并不是线性变化的，在一定厚度区间，短路时可能造成磁通导钣饱和，而在一定厚度内，短路时磁通导钣的未饱和。在不影响饱和性的基础上，CTDB7、CTDB9与CTDB11这三种情况能有效增加变压器的短路阻抗10％，同时，在不影响饱和性和增加短路阻抗的基础上，采用CTDB7可以有效的减少磁通导钣的材料，这对工程实际设计导磁结构具有实际的意义。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (9)

1.一种用于提高工频变压器短路阻抗的结构，包括由铁芯柱和铁轭组成的铁芯及绕组线圈；其特征在于：所述绕组线圈包括交错式分布的高压绕组和低压绕组各若干包，且所述铁芯柱左右两侧的绕组呈对称分布；所述高压绕组和低压绕组的交错分布结构可改变；各绕组之间留有一定的绝缘距离以供加入导磁体。
2.根据权利要求1所述的用于提高工频变压器短路阻抗的结构，其特征在于：所述铁芯由硅钢片叠加而成。
3.根据权利要求1所述的用于提高工频变压器短路阻抗的结构，其特征在于：所述导磁体为磁通导钣。
4.根据权利要求3所述的用于提高工频变压器短路阻抗的结构，其特征在于：所述磁通导钣与铁芯材料相同。
5.根据权利要求4所述的用于提高工频变压器短路阻抗的结构，其特征在于：所述磁通导钣由与铁芯材料相同的硅钢片叠加而成。
6.根据权利要求5所述的用于提高工频变压器短路阻抗的结构，其特征在于：所述磁通导钣的叠加硅钢片数可改变。
7.根据权利要求1所述的用于提高工频变压器短路阻抗的结构，其特征在于：所述铁芯采用UI型结构，即在变压器铁芯的内高延长线上铁轭存在两条垂直气隙。
8.根据权利要求2或5所述的用于提高工频变压器短路阻抗的结构，其特征在于：所述硅钢片的厚度为0.35mm。
9.根据权利要求1所述的用于提高工频变压器短路阻抗的结构，其特征在于：所述铁芯柱同侧相连的绕组间的距离为5mm。
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