CN1324083A

CN1324083A - 三相变四相电力变压器

Info

Publication number: CN1324083A
Application number: CN 00113419
Authority: CN
Inventors: 刘光晔
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2000-05-11
Filing date: 2000-05-11
Publication date: 2001-11-28

Abstract

三相变四相电力变压器由三相侧a相柱第一与第二原绕组5与6、c相柱第一与第二原绕组7与8、b相柱第一与第二原绕组9与10、d相柱第一与第二原绕组11与12和四相侧绕组13、14、15、16绕制在等截面四柱式铁芯上构成,绕组5与7反相并联构成三相侧A相,绕组6与8反相并联构成三相侧B、C相的公共支路,绕组9与11反相并联再和公共支路串联构成三相侧c相,绕组10与12反相并联再和公共支路串联构成三相侧c相,三相侧A、B、C相有公共接地点O,绕组13、14、15、16分别构成四相侧a、c、b、d相。该变压器主要用做高压电力网实现四相交流输电的重大关键设备,也可用做电气化铁道AT供电方式的牵引供电变压器。

Description

三相变四相电力变压器

本发明涉及一种电力变压器，特别是一种将对称的三相电力系统变换为电压互为90°电角度的四相系统或者是进行反变换的三相变四相电力变压器。

目前，国内外交流输电系统通常采用三相制。由于电力系统中的发电机与电动机均采用三相制，三相电力变压器设计制造简单方便，三相制输电已经成为传统的输电方式。但是在三相输电线路中，相与相之间的电压是相与地之间的电压的倍，对三相导线之间空气绝缘要求较高，使得三相导线布置的间距较宽，浪费架线走廊所占用的土地面积，占地补偿费用较大。由于三相导线不能对称地悬挂在单柱杆塔的两侧，使得杆塔设计复杂，并浪费杆塔钢材。在国外，对6相、9相、12相、24相等多相输电系统的研究已进行了二十多年。多相输电是一种提高输送功率密度的重要方法。已有的多相输电系统的相数均是3的整数倍，实现三相与多相之间变换的电力变压器制造方便。但是，为了避免多相输电线路复杂的换位，必须将各相导线排列成正多边形，这使得6相及以上多相导线的悬挂更加困难，杆塔结构更加复杂，线路造价上升；随着线路相数的增加，多相输电线路的故障组合类型迅速增加，这使故障的分析计算、继电保护的设计及整定增加了难度；多相输电系统中的断路器结构比较复杂，相间过电压倍数较高。由于上述缺点，六相及以上多相输电方式没有得到推广应用。

四相输电系统是最接近于传统三相的多相系统，它既具有多相输电方式的优点，又克服了多相输电方式存在的缺点。实现四相输电出的重大关键设备是三相变四相电力变压器和反变换的四相变三相电力变压器。在我国提出的三相变两相阻抗匹配平衡平变压器和Y/＞/-接线三相变两相平衡变压器的基础上，采用在两相侧增加一套与原来相同的副绕组的接线方案，可以构成三相变四相电力变压器。但是，由于每相铁芯柱上绕组数目较多，使得这两种变压器设计制造时难以达到各相参数平衡的要求。由于四相侧绕组是曲折连接，使得这两种变压器的四相侧绕组数目较多，不适合于四相侧为高压侧的四相输电系统，例如高压侧绕组不能带分接头调压，高压侧绕组绝缘结构复杂，增加制造生产成本。目前未见产家研制三相变四相电力变压器。

针对现有技术存在的上述缺陷，本发明的目的，乃是提供一种主要适用于四相输电系统的三相变四相电力变压器，同时使得其结构简单，制造成本低，铁芯和绕组材料利用率高。

本发明的解决方案如下。其特征之处在于具有等截面的四相铁芯柱1、2、3、4。a相与c相铁芯柱1和2布置在一侧，b相与c相铁心柱3和4布置在另一侧，中间的上下两个铁轭既可以保留，也可以省去。三相侧具有绕组匝数分别为W_a1和W_a2的a相柱第一原绕组5和a相柱第二原绕组6，绕组匝数分别为W_c1和W_c2的c相柱第一原绕组7和c相柱第二原绕组8，绕组匝数分别为W_b1和W_b2的b相柱第一原绕组9和b相柱第二原绕组10，绕组匝数分别为W_d1和W_d2的d相柱第一原绕组11和d相柱第二原绕组12，四相侧具有绕组匝数分别为W_a3、W_c3、W_b3、W_d3的a、c、b、d相柱副绕组13、14、15、16；绕组5、6、13绕制在铁芯柱1上，绕组7、8、14绕制在铁芯柱2上，绕组9、10、15绕制在铁芯柱3上，绕组11、12、16绕制在铁芯柱4上，铁芯柱1上的绕组与铁芯柱2上的绕组对称，铁芯柱3上的绕组与铁芯柱4上的绕组对称；绕组5与7反相并联而构成三相侧A相，绕组6与8反相并联而构成三相侧B、C相的公共支路，绕组9与11反相并联再和公共支路串联构成三相侧B相，绕组10与12反相并联再和公共支路串联构成三相侧C相，三相侧A、B、C相有公共接地点O；绕组13、14、15、16分别构成四相侧a、c、b、d相。

具有上述结构的本发明装置，其铁芯截面选则原则、绕组布置、绕组线径选择原则及阻抗计算方法均与一般电力变压器相同。其a、b、c、d四相的电磁容量相等，安匝数各自平衡。各相铁芯柱按最大允许磁通密度选择铁芯截面。高压绕组绕制在外层，低压绕组绕制在内层。各绕组按经济电流密度和动、热稳定要求选择导线截面，各绕组的等值阻抗按多绕组变压器阻抗计算方法进行计算，通过各绕组合理布置，做到四相侧引出端互相短接时，从三相侧看进去的A、B、C相短路阻抗相等。

本发明装置以三相变四相作升压变压器和以四相变三相作降压变压器，主要用做高压电力网实现四相交流输电的重大关键设备。而以三相变四相降压变压器，则可用做电气化铁道AT(自耦变压器)供电方式的牵引供电变压器。

下面结合附图和实施例对本发明加以进一步说明。

图1为本发明装置的铁芯结构示意图。

图2为四相侧采用星形连接的本发明装置的接线原理图。

图3为四相侧采用四边形连接的本发明装置的接线原理图。

参见图1，四相铁芯柱截面积相等，a相铁芯柱1与c相铁芯柱2布置在一边，b相铁芯柱3与d相铁芯柱4布置在另一边。设计制造时，中间的上下两个铁轭既可以保留，也可以取消，不影响变压器的正常运行。

参见图2，四相侧采用星形连接。这种接线方式的变压器各绕组匝数的选取原则为：W_a1∶W_a3=K₁,W_a2=W_a1/2,

,W_a1=W_c1,W_a2=W_c2,W_b1=W_b2=W_d1=W_d2,W_a3=W_b3=W_c3=W_d3。式中K₁为已知条件给出的三相侧相电压与四相侧相电压之比。其接线方式保证了在三相侧输入三相对称电压_A、_B、_C时，四相侧输出的四相电压_a、_b、_c、_d大小相等，相位依次滞后90°电角度。四相侧负荷大小与性质相同时，输出的四相电流大小相等，相位依次滞后90°电角度。三相侧电流与四相侧电流的矩阵方程为：

[\begin{matrix} {\overset{\cdot}{I}}_{a} \\ {\overset{\cdot}{I}}_{b} \\ {\overset{\cdot}{I}}_{c} \\ {\overset{\cdot}{I}}_{d} \end{matrix}] = K_{1} [\begin{matrix} 1 / 2 & - 1 / 4 & - 1 / 4 \\ 0 & \sqrt{3} / 4 & - \sqrt{3} / 4 \\ - 1 / 2 & 1 / 4 & 1 / 4 \\ 0 & - \sqrt{3} / 4 & \sqrt{3} / 4 \end{matrix}] [\begin{matrix} {\overset{\cdot}{I}}_{A} \\ {\overset{\cdot}{I}}_{B} \\ {\overset{\cdot}{I}}_{C} \end{matrix}]

上式符合电力变压器电流矩阵对称变换的原则，三相侧电流对称时，四相侧电流也对称。

参见图3，四相侧采用四边形连接。这种接线方式的变压器各绕组匝数的选取原则为： ,W_a2=W_a1/2, ,W_a1=W_c1,W_a2=W_c2,W_b1=W_b2=W_d1=W_d2,W_a3=W_b3=W_c3=W_d3。式中K₂为已知条件给出的三相侧相电压与四相侧相电压之比。其接线方式保证了在三相侧输入三相对称电压_A、_B、_C时，四相侧输出的四相电压_a、_b、_c、_d大小相等，相位依次滞后90°电角度。四相侧负荷大小与性质相同时，输出的电四相电流

大小相等，相位依次滞后90°电角度。三相侧电流与四相侧电流的矩阵方程为：

[\begin{matrix} {\overset{\cdot}{I}}_{a} \\ {\overset{\cdot}{I}}_{b} \\ {\overset{\cdot}{I}}_{c} \\ {\overset{\cdot}{I}}_{d} \end{matrix}] = \frac{K_{2}}{\sqrt{2}} [\begin{matrix} 1 / 2 & (- 1 - \sqrt{3}) / 4 & (- 1 + \sqrt{3}) / 4 \\ 1 / 2 & (- 1 + \sqrt{3}) / 4 & (- 1 - \sqrt{3}) / 4 \\ - 1 / 2 & (1 + \sqrt{3}) / 4 & (1 - \sqrt{3}) / 4 \\ - 1 / 2 & (1 - \sqrt{3}) / 4 & (1 + \sqrt{3}) / 4 \end{matrix}] [\begin{matrix} {\overset{\cdot}{I}}_{A} \\ {\overset{\cdot}{I}}_{B} \\ {\overset{\cdot}{I}}_{C} \end{matrix}]

本发明装置主要适用于高压电力网实现四相交流输电，在四相交流输电系统中做为重大的关键设备。这两种接线方式变压器的特点是：四相侧各相绕组不是曲折连接，特别适合于四相侧为高压侧的四相输电系统，高压侧可以带分接头调压，高压侧绕组数目最少，而且布置在不同的铁芯柱上，使得绝缘简单，节约绝缘成本及绝缘所占的空间；每相铁芯柱上均为三绕组结构，是不等相变换的最简单形式，绕组的阻抗匹配关系容易得到满足；综合材料利用率高，不仅可以节约制造成本，还可以降低运行成本；铁芯结构简单，并且可以分离成两个独立的部分，简化了制造工艺，特别适合于大容量电力变压器的制造。

本发明的三相变四相电力变压器还可用于电气化铁道的牵引供电系统做为牵引供电变压器，既适用于AT供电系统，也适用于BT供电系统。

Claims

1．一种三相变四相电力变压器，其特征在于：

(A)具有等截面的四相铁芯柱a(1)、c(2)、b(3)、d(4)。

(B)三相侧具有绕组匝数分别为W_a1和W_a2的a相柱第一原绕组(5)和a相柱第二原绕组(6)，绕组匝数分别W_c1和W_c2的c相柱第一原绕组(7)和c相柱第二原绕组(8)，绕组匝数分别为W_b1和W_b2的b相柱第一原绕组(9)和b相柱第二原绕组(10)，绕组匝数分别为W_d1和W_d2的d相柱第一原绕组(11)和d相柱第二原绕组(12)。四相侧具有绕组匝数分别为W_a1、W_c1、W_b1、W_d1的a相柱副绕组(13)、c相柱副绕组(14)、b相柱副绕组(15)，d相柱副绕组(16)。绕组(5)、(6)、(13)绕制在铁芯柱(1)上，绕组(7)、(8)、(14)对称绕制在铁芯柱(2)上；绕组(9)、(10)、(15)绕制在铁芯柱(3)上，绕组(11)、(12)、(16)对称绕制在铁芯柱(4)上。

(C)绕组(5)和(7)反相并联而构成三相侧A相，绕组(6)和(8)反相并联而构成三相侧B相和C相的公共支路，绕组(9)和(11)反相并联再和公共支路串联而构成三相侧B相，绕组(10)和(12)反相并联再和公共支路串联而构成三相侧C相。绕组(13)、(14)、(15)、(16)分别构成四相侧a、c、b、d相。

(D)三相侧绕组A、B、C相具有公共接地点。

2．根据权利要求1所述变压器，四相侧采用星形连接，各绕组匝数的选取原则为W_a1∶W_a3=K₁,W_a2=W_a1/2, ,W_a1=W_c1,W_a2=W_c2,W_b1=W_b2=W_d1=W_d2,W_a3=W_b3=W_d=W_d3。式中K₁为已知条件给出的三相侧相电压与四相侧相电压之比。

3．根据权利要求1所述变压器，四相侧采用四边形连接，各绕组匝数的选择原则为

,W_a2=W_a1/2,

,W_ai=W_c1,W_a2=W_c2,W_b1=W_b2=W_d1=W_d2,W_a3=W_b3=W_c3=W_d3。式中K₂为已知条件给出的三相侧相电压与四相侧相电压之比。