CN114999794A - 一种可连续调节阻抗的变压器及调节方法 - Google Patents

一种可连续调节阻抗的变压器及调节方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于变压器领域，具体公开了一种可连续调节阻抗的变压器，其中，包括：铁心柱；由内向外依次绕制于所述铁心柱上的低压线圈、中压线圈以及高压线圈；设置于所述铁心柱一侧的旁柱；由内向外依次绕制于所述旁柱上的励磁线圈、调压线圈以及阻抗调节线圈；所述中压线圈、所述阻抗调节线圈以及所述励磁线圈依次串联。本发明采用阻抗调节线圈来代替电抗器对变压器进行阻抗调节，使两个匝数可调的轴向并联安匝平衡式线圈，直接绕制在铁心柱上，通过调节并联安匝平衡线圈的匝数，来实现变压器阻抗的连续性和大幅度范围的调整，结构简单且大大减少了油箱内的占用空间，降低了此类变压器的制造成本。

Description

一种可连续调节阻抗的变压器及调节方法
技术领域
本发明属于变压器技术领域，具体涉及一种可连续调节阻抗的变压器及调节方法。
背景技术
一个导体通电时就会在其所占据的一定空间范围产生磁场，所以所有能载流的电导体都有一般意义上的感性。阻抗是电力变压器的一个极其重要的参数。它决定变压器的短路电流大小和电压调整率，对变压器的运行产生重要影响，所以电力变压器必须考虑阻抗。阻抗电压是将变压器的二次绕组短路，使一次绕组电压慢慢加大，当二次绕组的短路电流达到额定电流时，一次绕组所施加的短路电压与额定电压的比值百分数。电力系统中所采取的串联电抗器主要用来限制短路电流。
想大幅度改变某种工况下的变压器阻抗，常规方式是增加一台电抗器，与绕组包里面的某一个线圈相串联，来实现变压器阻抗的大幅度变化，这类电抗器，是不能绕制在变压器本体铁心柱上的，一般放置在油箱内的某一个区域里，其与变压器本体只有电的联系，没有磁的联系，因此，电抗器不在变压器本体的铁心磁路上。
随着电力工业的发展，电力系统、电力运行部门已经有这样的需求，需要一台可连续调节阻抗的变压器，来作为备用相，当某站某台变压器因为故障等原因退出运行时，这样就可以拿这台备用相顶上去，不至于造成长时间、大面积停电等重大事故隐患，备用相可以替换故障变压器、运行在线路中的前提是阻抗要与原故障变压器匹配。
在变压器中设置电抗器，需要在变压器油箱内预留很大空间，增加了变压器的生产成本。并且，常规变压器的阻抗，在调压线圈不同的极限分接工况下，其阻抗是发生变化的，但是阻抗在最大、额定、最小分接时，技术规范要求其变化幅度是非常小的，要想实现大幅度和连续性的阻抗调节，仅仅改变调压线圈匝数，是根本无法实现的。
发明内容
本发明提供了一种可连续调节阻抗的变压器，用以解决目前变压器的阻抗调节成本高以及不能连续性调节的问题。
为了解决上述技术问题，本发明的技术方案是：一种可连续调节阻抗的变压器，其中包括：铁心柱；由内向外依次绕制于所述铁心柱上的低压线圈、中压线圈以及高压线圈；设置于所述铁心柱一侧的旁柱；由内向外依次绕制于所述旁柱上的励磁线圈、调压线圈以及阻抗调节线圈；所述中压线圈、所述阻抗调节线圈以及所述励磁线圈依次串联。
本发明一个较佳实施例中，所述变压器不包括电抗器。
本发明一个较佳实施例中，所述阻抗调节线圈包括两个安匝平衡式线圈，两个所述安匝平衡式线圈轴向并联。
本发明一个较佳实施例中，所述安匝平衡式线圈的匝数为50-200匝。
本发明一个较佳实施例中，两个所述安匝平衡式线圈上流过电流的方向相反。
本发明一个较佳实施例中，所述安匝平衡式线圈上设置有用于改变接入匝数的调节开关。
本发明一个较佳实施例中，所述安匝平衡式线圈采用换位导线绕制，所述换位导线包括若干漆包铜扁线，所述换位导线为多芯换位导线。
本发明一个较佳实施例中，所述漆包铜扁线的线宽在5.5mm以下，线厚小于1.3mm。
本发明还公开了一种权利要求1-8任一所述变压器的阻抗调节方法，其特征在于：步骤包括：
S1：根据变压器设计参数进行磁场能量仿真，获取磁场储能值W；
S2：通过式(1)获得高-中阻抗标幺值UK：
Figure BDA0003739330400000031
其中，ω为角速度，W为磁场储能，I为电流值，R为阻抗基值；
阻抗基值R通过式(2)获得：
Figure BDA0003739330400000032
其中，U额为变压器的额定电压，V额为变压器的额定容量；
S3：更换不同的安匝平衡式线圈的接入匝数n，重复S1和S2计算出其对应的高-中阻抗标幺值UK；
S4：确定安匝平衡式线圈的接入匝数n与高-中阻抗标幺值UK的映射关系；
S5：测试或计算出实际变压器的目标高-中阻抗标幺值UK，从安匝平衡式线圈的接入匝数n与高-中阻抗标幺值UK的映射关系中确定安匝平衡式线圈的接入匝数n，在实际变压器中接入相应的匝数n。
本发明一个较佳实施例中，步骤S1中磁场能量仿真方式为MAGNET时谐场式。
本发明提供的技术方案与现有技术相比具有如下优势：本发明采用阻抗调节线圈来代替电抗器对变压器进行阻抗调节，使两个匝数可调的轴向并联安匝平衡式线圈，直接绕制在铁心柱上，通过调节并联安匝平衡线圈的匝数，来实现变压器阻抗的连续性和大幅度范围的调整，结构简单且大大减少了油箱内的占用空间，降低了此类变压器的制造成本。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他实施例的附图。
图1是；本发明一实施例中所述的一种可连续调节阻抗的变压器的线圈设置示意图；
图2是。本发明一实施例中所述的一种可连续调节阻抗的变压器的接线原理图。
图中所示：
10-铁心柱；11-低压线圈；12-中压线圈；13-高压线圈；20-旁柱；21-励磁线圈；22-调压线圈；23-阻抗调节线圈。
具体实施方式
为了便于理解，下面结合实施例阐述所述一种可连续调节阻抗的变压器，应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位和位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的较佳实施方式。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施方式。相反地，提供这些实施方式的目的是使对本发明的公开内容理解得更加透彻全面。
如图1所示，本发明公开了一种可连续调节阻抗的变压器及调节方法，其中，包括铁心柱10，由内向外依次绕制于所述铁心柱10上的低压线圈11、中压线圈12以及高压线圈13，设置于所述铁心柱10一侧的旁柱20，以及由内向外依次绕制于所述旁柱20上的励磁线圈21、调压线圈22以及阻抗条街线圈23。
本发明中的变压器不包括电抗器，通过阻抗条街线圈23来进行中压线圈12、阻抗条街线圈23以及励磁线圈21依次串联。结合图2所示，阻抗条街线圈23包括两个安匝平衡式线圈，两个安匝平衡式线圈轴向并联，每个安匝平衡式线圈的匝数为50-200匝，且两个安匝平衡式线圈上流过电流的方向相反。
图中未示出的是，安匝平衡式线圈上设置有用于改变接入匝数的调节开关，改变调节开关的分接级，使两个安匝平衡式线圈的接入匝数相等。由于分接开关的调节是连续的，由此可以实现变压器阻抗的连续性调节。
由于阻抗条街线圈在通电后本身会产生附加损耗，故本发明中安匝平衡式线圈采用多芯换位导线绕制，所述安匝平衡式线圈采用换位导线绕制，所述换位导线包括若干漆包铜扁线，所述换位导线为多芯换位导线。漆包铜扁线的线宽在5.5mm以下，线厚小于1.3mm。采用多芯换位导线，并且减少漆包铜扁线的线宽，由此该损耗远远小于使用电抗器带来的损耗，实验表明，该损耗成本不及一台电抗器成本的5％。
参照图2所示，采用本方案中的变压器进行阻抗调节的步骤包括：
S1：根据变压器设计参数采用MAGNET时谐场式进行磁场能量仿真，获取磁场储能值W；
S2：通过式(1)获得高-中阻抗标幺值UK：
Figure BDA0003739330400000061
其中，ω为角速度，W为磁场储能，I为电流值，R为阻抗基值；
阻抗基值R通过式(2)获得：
Figure BDA0003739330400000062
其中，U额为变压器的额定电压，V额为变压器的额定容量；
S3：更换不同的安匝平衡式线圈的接入匝数n，重复S1和S2计算出其对应的高-中阻抗标幺值UK；
S4：确定安匝平衡式线圈的接入匝数n与高-中阻抗标幺值UK的映射关系；
S5：测试或计算出实际变压器的目标高-中阻抗标幺值UK，从安匝平衡式线圈的接入匝数n与高-中阻抗标幺值UK的映射关系中确定安匝平衡式线圈的接入匝数n，在实际变压器中接入相应的匝数n。所述映射关系为离散数据组或根据离散数据组拟合出的映射函数。
以一台500kV单相自耦主变ODFS-334000/500kV为例，该型号变压器的各参数如下：
额定容量(kVA)高/中/低：334000/334000/100000；额定电压(kV)高/中/低：(505√3)/(230/√3)±2×2.5％/36；额定电流(A)：高/中/低：1145.6/1380.2/2777.8。
原结构变压器本体中，有限元数值计算所得磁场能量W＝57604.1061117916J。根据磁场储能公式
Figure BDA0003739330400000063
式中：W为磁场储能，L为电感，I为电流。
磁场储能W，通过磁场数值仿真计算可以求得，其中电流I为已知量。从而可以计算出电感L＝0.175569H，以及感抗ωL＝55.15658Ω；阻抗基值
Figure BDA0003739330400000071
由此，高-中阻抗计算所得：Uk＝55.15658/254.516＝21.6712％。
以安匝平衡式线圈的匝数为100匝为例，其有限元数值计算所得磁场能量W＝70810.5983280587J，电感L＝0.215831106H，感抗：ωL＝67.80534163Ω，计算得出，阻抗基值：R＝254.516，由此，高-中阻抗计算所得：Uk＝26.6409％，实现了高-中阻抗大体在18％-27％之间的连续性和大幅度调节。
多次重复上述仿真实验以及计算，绘制安匝平衡式线圈与高中阻抗标幺值之间的对应表格，一台500kV单相自耦主变ODFS-334000/500kV的安匝平衡式线圈匝数于高-中阻抗标幺值关系如下表：
安匝平衡式线圈匝数 高-中阻抗标幺值
0 21.671
20 22.665
40 23.659
60 24.653
80 25.647
100 26.641
本实施例中，每间隔20匝，进行一次仿真实验，从而可以获取安匝平衡式线圈的匝数n与高-中阻抗标幺值之间的映射关系，在实际使用时，根据目标的高-中阻抗标幺值，确定接入的匝数。如目标高-中阻抗标幺值为25.647时，可以直接接入80匝。
本发明采用阻抗调节线圈来代替电抗器对变压器进行阻抗调节，使两个匝数可调的轴向并联安匝平衡式线圈，直接绕制在铁心柱上，通过调节并联安匝平衡线圈的匝数，来实现变压器阻抗的连续性和大幅度范围的调整，结构简单且大大减少了油箱内的占用空间，降低了此类变压器的制造成本。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制。尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换，而这些修改或替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种可连续调节阻抗的变压器，其特征在于，包括：铁心柱；
由内向外依次绕制于所述铁心柱上的低压线圈、中压线圈以及高压线圈；设置于所述铁心柱一侧的旁柱；
由内向外依次绕制于所述旁柱上的励磁线圈、调压线圈以及阻抗调节线圈；所述中压线圈、所述阻抗调节线圈以及所述励磁线圈依次串联。
2.根据权利要求1所述的一种可连续调节阻抗的变压器，其特征在于：所述变压器不包括电抗器。
3.根据权利要求1所述的一种可连续调节阻抗的变压器，其特征在于：所述阻抗调节线圈包括两个安匝平衡式线圈，两个所述安匝平衡式线圈轴向并联。
4.根据权利要求3所述的一种可连续调节阻抗的变压器，其特征在于：所述安匝平衡式线圈的匝数为50-200匝。
5.根据权利要求3所述的一种可连续调节阻抗的变压器，其特征在于：两个所述安匝平衡式线圈上流过电流的方向相反。
6.根据权利要求3所述的一种可连续调节阻抗的变压器，其特征在于：所述安匝平衡式线圈上设置有用于改变接入匝数的调节开关。
7.根据权利要求3所述的一种可连续调节阻抗的变压器，其特征在于：所述安匝平衡式线圈采用换位导线绕制，所述换位导线包括若干漆包铜扁线，所述换位导线为多芯换位导线。
8.根据权利要求7所述的一种可连续调节阻抗的变压器，其特征在于：所述漆包铜扁线的线宽在5.5mm以下，线厚小于1.3mm。
9.一种权利要求1-8任一所述的变压器的阻抗调节方法，其特征在于：步骤包括：
S1：根据变压器设计参数进行磁场能量仿真，获取磁场储能值W；
S2：通过式(1)获得高-中阻抗标幺值UK：
Figure FDA0003739330390000021
其中，ω为角速度，W为磁场储能，I为电流值，R为阻抗基值；
阻抗基值R通过式(2)获得：
Figure FDA0003739330390000022
其中，U额为变压器的额定电压，V额为变压器的额定容量；
S3：更换不同的安匝平衡式线圈的接入匝数n，重复S1和S2计算出其对应的高-中阻抗标幺值UK；
S4：确定安匝平衡式线圈的接入匝数n与高-中阻抗标幺值UK的映射关系；
S5：测试或计算出实际变压器的目标高-中阻抗标幺值UK，从安匝平衡式线圈的接入匝数n与高-中阻抗标幺值UK的映射关系中确定安匝平衡式线圈的接入匝数n，在实际变压器中接入相应的匝数n。
10.根据权利要求9所述的变压器的阻抗调节方法，其特征在于：步骤S1中磁场能量仿真方式为MAGNET时谐场式。
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