CN109346301A - 一种基于倒a型接线的平衡变压器及其供电方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于倒A型接线的平衡变压器及其供电方法，平衡变压器包括铁芯、一次侧绕组和二次侧绕组；一次侧绕组由三相绕组AN，BN，CN组成，采用星形接线，N为中性点；一次侧A、B和C构成三相系统；二次侧绕组中，A相为绕组dc，其中点为e，B相由绕组fd和db组成；C相由绕组ac和cf组成；绕组dc、cf和fd构成闭合的三角形，构成三次谐波电流的通路；二次侧a、e和e、b构成两相系统，e点为两相系统的公共点；同时，d、c、f构成三相系统，能对外提供三相电源，两相和三相系统能同时或者单独对外供电；该基于倒A型接线的平衡变压器结构紧凑，使用灵活，能有效避免供电的不平衡。

Description

一种基于倒A型接线的平衡变压器及其供电方法
技术领域
本发明属于电力变压器领域，涉及一种基于倒A型接线的平衡变压器及其供电方法。
背景技术
传统的输配电系统为三相系统。但许多用户需要两相或者单相供电电源，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，影响其他用户正常供电。在电气化铁路牵引网中，采用两相电源，其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。对于两相运行方式，减轻或消除负序电流和零序电流的重要方法就是采用平衡变压器。目前生产的平衡变压器采用Scott接线、LeBlanc接线或Woodbridge接线三种基本的形式，其他的变压器都是从这三种形式演变而来，其中比较有名的的是阻抗匹配平衡变压器，YN/A变压器。Scott接线变压器一次侧采用不对称T型连接，不能引出中性点接地点，材料利用率也不高，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；LeBlanc接线变压器一次侧接成三角形，消除了三次谐波磁通的影响，但高压侧没有中性点，需要按全绝缘设计，增加了成本。Woodbridge接线高压侧中性点可以直接接地，高压绕组可以按分级绝缘(相电压)设计，在低压侧有三角形回路，但低压侧两相出现无公共点，故需两台所内自耦变压器，增加了设备投资。阻抗匹配平衡变压器高压侧中性点可以直接接地，低压侧有三角形回路，两相出现有公共点，可引出接铁轨。但该变压器阻抗匹配较困难，需人为将a相(或c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做交叉布置，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，即一个高压绕组，6个低压绕组。低压绕组中4个均要作交叉布置，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。尚有二次侧梯形、双梯形接线等接线方案的三相变两相平衡变压器，目前还未见产品实施和应用。
传统的牵引主变压器只提供两相电源，但在牵引变电所中需要提供照明用电、测量系统、控制系统等三相电源。为降低成本，一般采用逆Scott变压器将变电所内两相电压(2×27.5kV)变换为三相电压(10.5kV或0.4kV)。也有采用单相或三相变压器将27.5kV降为10.5kV或0.4kV的三相电压，但属于不对称运行，增加了电网的负序电流。
因此，有必要设计一种新的三相变两相和三相变三相的平衡变压器及其供电方法。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种基于倒A型接线的平衡变压器及其供电方法，二次侧同时能提供两相和三相电源，两相输出有公共点，三相输出接近配电网电压等级(10.5kV或0.4kV)，综合性能优良，结构简单，生产实施方便，能实现平衡供电。
发明的技术解决方案如下：
一种基于倒A型接线的平衡变压器，包括铁芯、一次侧绕组和二次侧绕组；
一次侧绕组由三相绕组AN，BN，CN组成，采用星形接线，N为中性点；一次侧A、B和C构成三相系统；
二次侧绕组中，A相为绕组dc，中点为e；B相由绕组fd和db组成；C相由绕组ac和cf组成；
绕组dc、cf和fd构成闭合的三角形，构成三次谐波电流的通路；
二次侧a、e和e、b构成两相系统，e点为两相系统的公共点；同时，d、c、f构成三相系统，能对外提供三相电源，两相和三相系统能同时或者单独对外供电；
一次侧三相绕组的匝数均为W1；二次侧绕组中，绕组ac、db的匝数为W2，绕组cf、fd、dc的匝数均为W3；绕组de、ec的匝数的W4。
其中：
铁芯为三相柱式铁芯或三相壳式铁芯。
中性点N接地或不接地。
使得平衡变压器中各阻抗的关系满足式(1)：
式中，Z′KB13为B相一次侧绕组BN与二次侧绕组fd之间的短路阻抗；
Z′c312为C相二次侧绕组cf的等值阻抗；
Z′KA12为A相一次侧绕组AN与二次侧绕组ec之间的短路阻抗；
Z′A213为A相二次侧绕组ec的等值阻抗；
Z′KB12为B相一次侧绕组BN与二次侧绕组db之间的短路阻抗；
Z′C213为C相二次侧绕组ac的等值阻抗；
所有阻抗值均归算到匝数为W1的绕组一侧。
二次侧三相输出电压为：
当二次侧两相输出电压为27.5KV时，二次侧三相电压为11kV。可直接为10.5kV电压等级的配电网供电，可节省一台降压变压器，也可接滤波器或者动态无功补偿装置，还可以接入三相变压器，将三相电压降为0.4kV的所用电电压。
一次侧三相电流与二次侧两相负载电流和三相负载电流 的关系如下式(2)：
其中，比例系数
一种平衡变压器的供电方法，采用前述的基于倒A型接线的平衡变压器：
采用以下供电方法的任一种供电：
(1)三相变两相供电方法
一次绕组接三相电源，二次绕组的a、e和e、b接两相负载；二次侧a、e和e、b构成两相系统，即两相系统接两相负载；
(2)三相变三相供电方法
一次绕组接三相电源，二次绕组的d、c、f接三相负载；或者从二次侧d、c、f接三相电源，一次绕组接负载；
(3)副边同时输出三相和两相的方法
一次绕组接三相电源，二次绕组的a、e和e、b接两相负载；
同时，二次绕组的d、c、f接三相负载；
(4)两相变三相供电方法
二次绕组的a、e和e、b接两相电源，一次绕组的A、B和C接三相负载。
有益效果：
本发明的基于倒A型接线的平衡变压器及其供电方法，优先应用于电气化铁路或工频电炉等需要同时三相变两相、三相变三相或者单相供电电源的场合，能提供两相电源的同时又能提供三相供电，而且三相输出电压能直接为10.5kV电压等级的配电网供电，可节省一台降压变压器。
本发明采用三相柱式结构时，A相铁芯柱上仅布置有2个绕组，B相铁芯柱C相铁芯柱上仅布置3个绕组，且不必对绕组做特殊布置，也不需要对绕组进行拆分。
本发明特别适合用于在电气化铁路牵引变电所作为主变压器，或其他同时需要两相、三相或单相工频电源的场合，如工频电炉供电电源等。本发明生产实施方便，综合性能优良，结构简单，特别适合于同时需要两相、三相和单相电源的应用场合。
附图说明
图1为本发明的原边以及副边绕组接线图；
图2为本发明的二次绕组电压相量图；
图3为本发明采用三相柱式铁芯结构实施示意图。
图4为本发明采用三相壳式铁芯结构实施示意图。
图5为接两相和三相平衡负载时波形示意图(一次侧三相电流波形)；
图6为接两相和三相平衡负载时波形示意图(负载电压波形)；
图7为接两相和三相平衡负载时波形示意图(负载电流波形)；
图8为接两相和三相不平衡负载时波形示意图(一次侧三相电流波形)；
图9为接两相和三相不平衡负载时波形示意图(负载电压波形)；
图10为接两相和三相不平衡负载时波形示意图(负载电流波形)。
具体实施方式
以下将结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明：
实施例1：如图1～4一种新型的倒A型三相变两相和三相变三相平衡变压器。包括铁芯、一次侧绕组和二次侧绕组，铁芯为三相柱式或着三相壳式；
一次侧绕组由三相绕组AN，BN，CN组成，采用星形接线；
二次侧绕组中，A相由绕组dc组成，中点为e，B相由绕组fd和db组成。C相由绕组ac和cf组成。
绕组dc、cf和fd构成闭合的三角形，构成三次谐波电流的通路；
一次侧A、B和C构成三相系统，其中性点N允许接地；
二次侧a、e和e、b构成两相系统，e点为两相系统的公共点。同时，d、c、f构成三相系统，可对外提供三相电源。两相和三相系统可同时或者单独对外供电；一次侧三相绕组的匝数均为W1；二次侧绕组中，绕组ac、db的匝数为W2，绕组cf、fd、dc的匝数为W3，绕组de、ec的匝数的W4。其中
本发明的两相系统空载电压大小相等，相位互差90°，其空载电压大小为
本发明的二次侧三相系统空载电压大小相等，相位相差120°，其空载电压大小为：
在图1中，一次侧绕组由三相绕组AN、BN和CN组成，采用星形接线；二次侧绕组由A相绕组dc，B相绕组fd、db，以及C相绕组ac、cf组成。其中cf、fd、dc连接成闭合的三角形，构成三次谐波电流的通路。一次侧A、B和C构成三相系统，其中性点N允许接地；二次侧a、e和e、b构成两相系统，二次侧c、f、d构成三相系统，可单独或同时向外供电。
本发明既可以实现三相变两相、三相变三相的功能，也可实现两相变三相的功能；若分别从A、B和C三点引入三相对称电压，从a、e和e、b引出两相对称电压，则可实现三相变两相的功能；从c、f、d引出三相对称电压，则可实现三相变三相的功能。
若从a、e和e、b引入两相对称电压，从A、B和C三点引出三相对称电压，则可实现两相变三相的逆变换功能。
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，ae和eb垂直，且
这说明从ae和eb引出的两相电压大小相等，相位相差90°，为一两相对称电压。从图2可见，由于cf、fd、dc的相等，构成等边三角形，这说明从c、f、d引出的电压为三相对称电压。
图3是本发明采用三相柱式铁芯结构的实施例。本实施例中，采用三相柱式铁芯，B相和C相的3个绕组布置在铁芯两边的芯柱上，A相的2个绕组布置在中间的芯柱上；B相和C相的绕组布置完全相同；对于B相，绕组BN在外侧，绕组db在中间，绕组df靠近芯柱，对于C相，绕组CN在外侧，绕组ac在中间，绕组cf靠近芯柱；对于A相，绕组AN在外侧，绕组dc靠近芯柱。
对于图3所示的三相柱式结构变压器，为满足短路阻抗关系式(1)，可以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ac、cf、fd、db和dc与芯柱之间的距离；②根据全短路阻抗值的要求确定Z′KC12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)，使各绕组的等值阻抗满足式(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是本发明采用三相壳式铁芯结构的实施例。在本实施例中，A相的2个绕组对称布置在中间的窗口上，B相和C相的3个绕组对称布置在铁芯两边的窗口上。B相和C相的绕组结构与布置完全相同，所有的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dc的两个线饼靠近铁轭，并关于绕组AN对称；对于B相，绕组BN在窗口的中央，对应于绕组fd的两个线饼靠近铁轭，对应于绕组db的两个线饼在绕组AN和绕组fd的两个线饼之间；对于C相，绕组CN在窗口的中央，对应于绕组cf的两个线饼靠近铁轭，对应于绕组ac的两个线饼在绕组CN和绕组cf的两个线饼之间。
对于图4所示的三相壳式结构变压器，为满足阻抗关系式(1)，同样需要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和芯柱之间的距离，各距离保持一致；②根据全短路阻抗值的要求确定Z′KC12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)，使各绕组的等值阻抗满足式(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心柱的距离一致；
图5-10为仿真波形图，验证的本发明的有益效果。

Claims (6)

1.一种基于倒A型接线的平衡变压器，其特征在于，包括铁芯、一次侧绕组和二次侧绕组；
一次侧绕组由三相绕组AN，BN，CN组成，采用星形接线，N为中性点；一次侧A、B和C构成三相系统；
二次侧绕组中，A相为绕组dc，中点为e；B相由绕组fd和db组成；C相由绕组ac和cf组成；
绕组dc、cf和fd构成闭合的三角形，构成三次谐波电流的通路；
二次侧a、e和e、b构成两相系统，e点为两相系统的公共点；同时，d、c、f构成三相系统，能对外提供三相电源，两相和三相系统能同时或者单独对外供电；
一次侧三相绕组的匝数均为W1；二次侧绕组中，绕组ac、db的匝数为W2，绕组cf、fd、dc的匝数均为W3；绕组de、ec的匝数均为W4；
其中：
2.根据权利要求1所述的基于倒A型接线的平衡变压器，其特征在于，铁芯为三相柱式铁芯或三相壳式铁芯。
3.根据权利要求1所述的基于倒A型接线的平衡变压器，其特征在于，中性点N接地或不接地。
4.根据权利要求1所述的基于倒A型接线的平衡变压器，其特征在于，使得平衡变压器中各阻抗的关系满足：
式中，Z′KB13为B相一次侧绕组BN与二次侧绕组fd之间的短路阻抗；
Z′C312为C相二次侧绕组cf的等值阻抗；
Z′KA12为A相一次侧绕组AN与二次侧绕组ec之间的短路阻抗；
Z′A213为A相二次侧绕组ec的等值阻抗；
Z′KB12为B相一次侧绕组BN与二次侧绕组db之间的短路阻抗；
Z′C213为C相二次侧绕组ac的等值阻抗；
所有阻抗值均归算到匝数为W1的绕组一侧。
5.根据权利要求1-4任一项所述的基于倒A型接线的平衡变压器，其特征在于，一次侧三相电流与二次侧两相负载电流的关系如下：
其中，比例系数
一次侧三相电流与二次侧三相负载电流的关系如下：
6.一种平衡变压器的供电方法，其特征在于，采用权利要求1-5任一项所述的基于倒A型接线的平衡变压器：
采用以下供电方法的任一种供电：
(1)三相变两相供电方法
一次绕组接三相电源，二次绕组的a、e和e、b接两相负载；
(2)三相变三相供电方法
一次绕组接三相电源，二次绕组的d、c、f接三相负载；
(3)副边同时输出三相和两相的方法
一次绕组接三相电源，二次绕组的a、e和e、b接两相负载；
同时，二次绕组的d、c、f接三相负载；
(4)两相变三相供电方法
二次绕组的a、e和e、b接两相电源，一次绕装的A、B和C接三相负载。
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