CN1165058C - 谐波屏蔽平衡变压器 - Google Patents

Abstract

一种谐波屏蔽平衡变压器，它在专利ZL92107152.3阻抗匹配平衡变压器的基础上增补了滤波功能，其特点是引出套管除接有三相A、B、C和两相输出的c、d、e外，还有屏蔽绕组的引出端f和g，其抽头位置满足W_fc/W_af＝W_gc/W_bg＝0.634/0.366＝1.732，且屏蔽绕组af和bg的等值漏阻抗满足Z_af＝Z_bg＝0，d、f和e、g间接入电容和电感电抗满足X_L＝X_C/n²，本发明既可有效抑制负序电流，又可利用绕组的安匝平衡作用进行滤波，使变压供电与对有害干扰的治理得以协调综合解决，经济效益显著。

Description

谐波屏蔽平衡变压器

技术领域：本发明属于一种谐波屏蔽平衡变压器。具体涉及将三相对称的供电系统，变换为二相幅值相等、彼此相位差为90°电角度的二相平衡系统，且在实现三相变二相的过程中，不仅利于抑制负序电流，还对谐波起到屏蔽作用，把用户电流中含有的不良分量，通过电磁变换加以阻挡隔离，使之不能流窜到原方系统，避免有害成份对原方电网引起干扰和危害，这便要把平衡变压器的变压与变相，同谐波屏蔽的电磁关系全面协调起来，以取得更优的综合效益。

背景技术：专利号为ZL92107152.3的阻抗匹配平衡变压器已实施开发成产品并推广应用。其特点是采用三相变两相的新型接线和阻抗匹配原理，控制相关绕组的电流分布和相位关系，以实现三相对两相的平衡变换，即使两相负荷不等，原方三相电流总能保持平衡，而在两相负荷相等时，原方三相电流形成对称，故可采用三相三柱等截面铁心，在原方引出中性点接地，降低材料消耗，能有效抑制负序电流，减少功率损耗和压降损失，受到用户欢迎。不足的是对负荷引起的谐波干扰仍和已有牵引变压器一样，单纯依靠外接的补偿电容和串有的小值电感支路构成的调谐分流的无源滤波来完成，为避开谐振过电压和合闸涌流的危害，其串接的电感电抗X_L较容抗X_C的1/n²值(n为滤波的谐波次数)明显偏大，削弱了滤波的效果。该阻抗匹配平衡变压器作电气化铁道牵引变电所的主变压器向电力机车供电，负荷电流的谐波含量较大，会对电网带来公害影响，此专利产品虽受到用户欢迎，但滤波效果仍不太佳。

现有的滤波措施都是在负荷供电点接入外加的滤波设备，除上述的无源滤波外，国外工业先进国家还采用有源滤波装置，后者备有电力电子器件构成的谐波源，按测知的谐波实时制造反向的谐波与之相抵消，这虽改善了滤波效果，但其成本昂贵、技术难度大，难以推广应用。

发明内容：本发明的目的是保持专利号为ZL92107152.3的阻抗匹配平衡变压器的技术优点，在不依靠外加元器件的条件下，改进变压器的电磁协调关系，增补滤波功能，对高压原方起到谐波屏蔽的隔离作用，从而把对用户的供电与对用户引起有害干扰的治理结合起来，以发挥牵引变压器的最佳效益。

本发明的技术方案为：一种谐波屏蔽平衡变压器，包括A、B、C三相铁心、三相输入绕组、油箱及散热器，三相输入绕组AX、BY、CZ为星形或三角形接线，二相输出是在abc三角形接线的基础上，在绕组ab两端外加两个支臂绕组ad和be，通过端点d、c和e、c形成二相输出，两侧铁心相A、C上绕组的布置相同且均为三组绕组，绕组ac和bc分别分成二个绕组af、fc和bg、gc，中间铁心相B上布置四组绕组，A、B、C三相铁心的电磁容量相等，安匝数各自平衡，各绕组匝数关系为：

W_AX＝W_BY＝W_CZ＝W₁，

W_ab＝W_bc＝W_ca＝W₁₁，

W_da＝W_be＝0.5(1.732-1)W₁₁，

A、B、C三相铁心上各绕组的等值漏阻抗的关系为：

输入三相绕组Z_AX＝Z_BY＝Z_CZ＝Z₁，

输出三角形Z_bc＝Z_ca＝Z₁₁，Z_ab＝2.732Z₁₁，

外延支臂Z_da＝Z_be，其值按c、d、e三个端点短接时，从输入侧看进去的三相短路阻抗相等的条件确定，其特征是：引出套管除接有三相输入的端点A、B、C和两相输出的端点c、d、e外，还有屏蔽绕组的引出端点f和g，其抽头两端绕组匝数满足：

W_fc＝W_gc＝yW₁₁＝0.634W₁₁，

W_af＝W_bg＝(1-y)W₁₁＝0.366W₁₁，

即绕组fc的匝数W_fc与绕组af的匝数W_af、和绕组gc的匝数W_gc与绕组bg的匝数W_bg的比值满足：

W_fc/W_af＝W_gc/W_bg＝0.634/0.366＝1.732，

且屏蔽绕组af和bg的等值漏阻抗的关系为：

Z_af＝Z_bg＝0，

端点d、c和c、e构成相位差为90°的两相电压向两相负荷供电，端点d、f和端点e、g间接入电容和电感电抗，基波时呈容性，对负荷作无功补偿，谐波时两者相抵消，该支路电抗为零，内部跨接的ad、af和eb、bg绕组阻抗也为零，形成低阻抗的短路回路，只要同心布置的内层绕组出现谐波电流时，位于中间层的屏蔽绕组便会感生相应的反向谐波电流，按安匝平衡关系使其谐波磁通相抵消，对输入侧三相起到谐波屏蔽的隔离作用。

满足上述关系的谐波屏蔽平衡变压器继承了专利号为ZL92107152.3的阻抗匹配平衡变压器的结构和性能优点，在不增加结构难度和材料消耗的条件下，多了引出抽头f和g，且抽头两端绕组匝数保持一定的比值关系，在通过谐波电流时，两端绕组由于自耦联系的安匝平衡作用，迫使其谐波磁通相抵消，对高压原方起到谐波屏蔽的隔离作用，从而利用电磁变换的安匝平衡作用来滤波。本发明引出抽头也接有电容和电感电抗，但利用接入绕组与耦合绕组对谐波构成的安匝平衡作用来消除谐波磁通，其功能与原有采用单纯调谐分流滤波的作用不一样，突出特点是把电磁变换的滤波潜能挖掘出来，在副方绕组中分出部分绕组作屏蔽绕组，吸取了无源和有源滤波的两者优点，克服了各自的缺点，拓宽和开发了变压器的潜能，改善了滤波效果，完善了产品功能。实现这种滤波要把多种电磁关系协调起来，这不仅是重大的技术创新，也显著完善了本产品的技术性能，经济效益显著。利用本发明作为电气化铁道牵引变电所的主变压器，不仅可有效抑制负序电流，还可利用完全的安匝平衡以达到最佳滤波效果，有利降低有关制造厂家的投资费用，减少谐波对电网污染，经济效益、技术效益和社会公共效益都很显著。

附图说明：

下面结合附图对本发明作进一步说明：

图1为本发明的原理接线图。

图2为本发明的绕组布置示意图。

图3为谐波电流分布电路图。

图4为按三次谐波考虑的谐波安匝相对值的相位图。

具体实施方式：如图1所示，AX、BY、CZ分别为A、B、C三相侧的绕组。ac为A相三角形接线内的绕组，f为中间抽头，cb为C相三角形接线内的绕组，g为中间抽头，ab为B相三角形接线内的绕组，da和be为中间相B相的二个支臂绕组。U_a和U_b向两相用户供电。d、f和e、g间接入适当的电容和电感电抗，其电容容抗XC，可按无功补偿和通过谐波含量的技术要求确定，其串接的电感电抗X_L＝X_C/n²。满足这样的条件后，基波时呈容性，对负荷作无功补偿，谐波时频率增大，容抗值相对减小而感抗值增大，对应所滤谐波次数频率的该两者电抗抵消形成短路，与内部绕组构成低阻抗短接回路。当有谐波磁通穿链时，便要感生相应的反向电流阻挡该磁链通过。同心布置在中间层的屏蔽绕组通过的谐波安匝，能否与同相内层耦合绕组的谐波安匝保持平衡，决定于引出抽头两端的匝比关系。本发明取W_fc/W_af＝W_gc/W_bg＝0.634/0.366＝1.732是实现谐波安匝平衡的关键数据。满足上述关系，便可实现三相对两相的平衡变换，其三相的伏安值应与两相系统的伏安值相等，则副方绕组中的 $U=\sqrt{1.5}{U}_{\mathrm{ac}},$ $I=\sqrt{1.5}{I}_{\mathrm{ac}},$ 原方即使引出中点接地，也无零序电流通过，保持功率平衡。如图2所示，AX、BY、CZ分别为A、B、C三相侧的绕组。ac、cb、ba分别为A、B、C三相在二相侧的三角形接线内的绕组，其中ac由af、fc二个绕组串接，f为中间抽头，cb由cg、gb二个绕组串接，g为中间抽头。变压器的铁心为等截面三柱式铁心，以斜纹线代表铁心磁路，同相的绕组在铁心中均同心布置。A、C相绕组布置相同，均为三层绕组，绕组AX(和CZ)布置在最外层。af和bg布置在三绕组的中间层。对三绕组的等值电路，不难按测知的两绕组间的短路阻抗(脚注加K表示)，求得相对各绕组的等值阻抗。其关系式为：

Z_A1＝0.5(Z_KA12+Z_KA13-Z’_KA23)＝Z_AX(Z_CZ)

Z’_A2＝0.5(Z_KA12+Z’_KA23-Z_Ka13)＝Z’_af(Z_bg)

Z’_A3＝0.5(Z_KA13+Z’_KA23-Z_KA12)＝Z’_fc(Z’_gc)

B相为四绕组同心布置。同A、C相一样，绕组BY可布置在最外层，绕组ab布置在最内层，二支臂绕组da、be分别由二个绕组交叉串接布置于中间层，这样布置可使两者的阻抗相等并改善安匝平衡，以减少横向漏磁和机械力。参照四绕组的等值电路，依据相关两绕组间短路阻抗，可求得各绕组的等值阻抗为：

Z_B1＝0.5(Z_KB12+Z_KB14-Z’_KB24)＝Z_BY

Z’_B2＝0.5(Z_KB12+Z’_KB24-Z_KB14)＝Z’_ad

Z’_B3＝0.5(Z_KB13+Z’_KB34-Z_KB14)＝Z’_be

Z’_B4＝0.5(Z_KB14+Z’_KB24-Z_KB12)＝Z’_ab

因为中间相是四绕组同心布置，不同于两边相三绕组的同心布置，即使原方绕组匝数及其截面均一样，但因同心绕组的电磁耦合有差异，应按阻抗匹配要求力求Z_BY＝Z_AX＝Z_CZ，对其他相关绕组的阻抗匹配也应检验。如果匝数不同应计及匝比的关系作换算。

各组的屏蔽绕组均位于同心布置的中间层，以便降低其等值电抗，这对实现谐波屏蔽是十分重要的。

如图3所示，设供电臂U_α接入负荷，有谐波电流I_αn从d流向c，有分支I_cf和I_cg，按并联电路的阻抗关系，两分支电路的谐波电流为：

I_cf＝3.732  I_αn/4.732＝0.7887I_αn

I_cg＝I_ba＝1 I_αn/4.732＝0.2113I_αn

cg绕组通过谐波安匝，ebg绕组回路中要感生电流，按cg与bg绕组的安匝平衡关系确定：

I_ebg＝0.2113×0.634I_αn/0.366＝0.366I_αn

I_eb＝I_cg+I_ebg＝(0.2113+0.366)I_αn＝0.5773I_αn

B相ea绕组的谐波安匝值为：

IW_ea＝(0.2113×1.366+0.366×0.366)I_αn＝0.4226I_αn

da绕组要感生电流，使其安匝值与IW_ea保持平衡，得到：

I_daf＝0.4226I_αn/0.366＝1.1546I_αn

此时A相的af绕组通过电流为(1.1546+0.2113)I_αn＝1.366I_αn，其安匝数为IW_af＝1.366×0.366I_αn＝0.5I_αn，该值正好与cf的安匝值IW_cf＝0.7887×0.634I_αn＝0.5I_αn的数值相等而抵消。

若供电臂U_β接入负荷，有谐波电流I_βn从e流向c，情况应与供电臂U_α接入负荷相似，只是相应的电流符号发生变化，各相相关绕组的谐波安匝也必定保持平衡。

当两相同时带负荷，对中间相副方三个绕组，谐波电流比值分布列如下表中。基波I_α滞后I_β电流90°，三次谐波I_α3应导前I_β3电流90°，五次谐波I_α5滞后I_β5电流90°。其合成值均按相位差为90°计，如下表：

中间相副方绕组	da	ab	be
				Iαn电流比值	1.1546	0.2113	0.5773
Iβn电流比值	0.5773	0.2113	1.1546
				合成电流比值	1.2909	0.2988	1.2909
相对安匝值	4.7247	0.2988	4.7247

同时有负荷时，da与be绕组的安匝合成值应与ab绕组的安匝值保持平衡。如图4，按三次谐波考虑，其中∠aod＝∠boe＝tan^-1(0.5773/1.1546)＝26.6°则∠dom＝26.6°+45°＝71.6°，∠odm＝180°-2×71.6°＝36.8°故IW_om＝4.7247×sin36.8/sin71.6＝ om＝0.2988此值正好与IW_ab＝1.414×0.2113＝ on＝0.2988相平衡。同样，当A相和C相在两相有负荷时，如其I_α＝I_β，则两边相绕组通过谐波电流相对值为

$I_{\mathrm{af}}=I_{\mathrm{bg}}=\sqrt{{1.366}^2+{0.366}^2}=1.4142$

$I_{\mathrm{cf}}=I_{\mathrm{cg}}=\sqrt{{0.7887}^2+{0.2113}^2}=0.8165$

已知屏蔽绕组与同相耦合绕组的匝数相对值分别为W_af/W₁₁＝1-y和W_fc/W₁₁＝y，上述电流分别与其匝数相乘得安匝相对值均为0.5176，即I_af×(1-y)＝I_cf×y＝0.5176，故知其屏蔽绕组与耦合绕组谐波安匝保持平衡。

因此，引出抽头的y＝0.634或1-y＝0.366是解开谐波屏蔽的机密数据，这一数值要求与上述的阻抗匹配要求是协调一致的。实施了这些要求，平衡变换和谐波屏蔽的技术困难便一同顺利解决。

本发明主要适用于电气化铁道牵引变电所的主变压器，也可供其他需三相变两相的供电系统应用。对谐波次数的n值，可按滤波的要求考虑。牵引供电的三次谐波含量较大，常取n＝3，则外接支路的X_L＝X_C/n²＝X_C/9＝0.111X_C；对五次谐波，则X_L＝X_C/n²＝X_C/25＝0.04X_C。如滤波要求严格，则可并接两支滤波支路，这由使用部门确定。

不难看出，屏蔽绕组与补偿电容和串接电感元件接成闭合回路，共同对高压原方绕组起着谐波的屏蔽作用。其中的外接电容和电感元件与传统的无源滤波作用相类似，但其X_L值明显为小，这便克服了无源滤波的诸多缺点，滤波效果得到显著改善，且两相系统的滤波不受邻相负荷变化的影响。由副方绕组分出的屏蔽绕组，与有源滤波的作用相类似，但无需昂贵的电力电子和跟踪检测的控制系统，仅靠与谐波磁通相耦联的感应作用，实时产生反向磁通来实现。故本谐波屏蔽综合保持了现有无源和有源滤波的优点，克服了两者各自的缺点，进一步完善了我国首创平衡变压器的技术性能，在理论和实用上的意义都是重大的。

Claims (2)

1.一种谐波屏蔽平衡变压器，包括A、B、C三相铁心、三相输入绕组、油箱及散热器，三相输入绕组AX、BY、CZ为星形或三角形接线，二相输出是在abc三角形接线的基础上，在绕组ab两端外加两个支臂绕组ad和be，通过端点d、c和e、c形成二相输出，两侧铁心相A、C上绕组的布置相同且均为三组绕组，绕组ac和bc分别分成二个绕组af、fc和bg、gc，中间铁心相B上布置四组绕组，A、B、C三相铁心的电磁容量相等，安匝数各自平衡，各绕组匝数关系为：

W_AX＝W_BY＝W_CZ＝W_I，

W_ab＝W_bc＝W_ca＝W_II，

W_da＝W_be＝0.5(1.732-1)W_II，

A、B、C三相铁心上各绕组的等值漏阻抗的关系为：

输入三相绕组Z_AX＝Z_BY＝Z_CZ＝Z_I，

输出三角形Z_bc＝Z_ca＝Z_II，Z_ab＝2.732 Z_II，

外延支臂Z_da＝Z_be，其值按c、d、e三个端点短接时，从输入侧看进去的三相短路阻抗相等的条件确定，其特征是：引出套管除接有三相输入的端点A、B、C和两相输出的端点c、d、e外，还有屏蔽绕组的引出端点f和g，其抽头两端绕组匝数满足：

W_fc＝W_gc＝y W_II＝0.634 W_II，

W_af＝W_bg＝(1-y) W_II＝0.366 W_II，

即绕组fc的匝数W_fc与绕组af的匝数W_af、和绕组gc的匝数W_gc与绕组bg的匝数W_bg的比值满足：

W_fc/W_af＝W_gc/W_bg＝0.634/0.366＝1.732，

且屏蔽绕组af和bg的等值漏阻抗的关系为：

Z_af＝Z_bg＝0，

端点d、c和c、e构成相位差为90°的两相电压向两相负荷供电，端点d、f和端点e、g间接入电容和电感电抗，基波时呈容性，对负荷作无功补偿，谐波时两者相抵消，该支路电抗为零，内部跨接的ad、af和eb、bg绕组阻抗也为零，形成低阻抗的短路回路，只要同心布置的内层绕组出现谐波电流时，位于中间层的屏蔽绕组便会感生相应的反向谐波电流，按安匝平衡关系使其谐波磁通相抵消，对输入侧三相起到谐波屏蔽的隔离作用。

2.根据权利要求1所述的谐波屏蔽平衡变压器，其特征在于d、f和e、g间接入的电容和电感电抗满足X_L＝X_C/n²，X_L为串接的电感电抗，电容容抗X_C可按无功补偿和通过谐波含量的技术要求确定，式中n为谐波次数。

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