CN1379420A - 防雷击防干扰容性变压器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种防雷击防干扰容性变压器。其特点在于一个电压侧的每一个绕组或不同电压侧的每一个绕组是用互相绝缘的两层金属箔合在一起并绕起来成为两个同心线圈即双迭绕组,而该两个同心线圈的每个线圈都是分别与同一电压侧的另一绕组的两个同心线圈之一串联的。其连接方式为多种,可应用于高、低压三相或单相变压器。能较好地双向抑制雷电进行波和高次谐波,较好地提高了电网中电气设备、电子设备的防雷性能和电磁兼容性能。

Description

防雷击防干扰容性变压器

本发明属于一种配电用、整流用和电子设备电源用的变压器，特别涉及一种防雷击防干扰容性变压器。

目前，三相变压器绕组的接法无外乎Y(包括Y0)接，△接和Z(包括Z0)接三种方式。对于高压电网中向用户供电的三相双卷配电变压器，当二次低压电网采用三相四线制(TN-S或TN-C-S)系统配电时，常用的接线方式有Y/Y0和△/Y0二种。这两种接线方式的变压器防雷性能都较差。尤其是Y/Y0接线方式。当雷电进行波(包括直击雷和感应雷)沿着低压线路通过Y0接变压器绕组而入地时，由于其频率和峰值均很高，通常在三相电路中又是同相位的，会在高压绕组中感应出极高的过电压，危及高压电气设备，并容易引起Y接绕组中性点击穿。后来又采用了一种Z形或Zo形接线的绕组。即把同一电压侧或不同电压侧的每个绕组分成二个独立绕制的线圈。当同相位的雷电进行波沿着低压线路通过Zo接线的变压器二次绕组入地时，每个铁芯柱上两个线圈中通过的电流是反向的，因此由该电流产生的铁芯柱中的合成磁通为零，就不会在一次绕组中感应出高电压，从而消除了雷害。同理，零序的高次谐波电流通过Zo接线绕组时，也不会在一次Y接线绕组中感应出零序电势或在△接线绕组中产生环流。如果将二次绕组接成Yo，一次绕组接成Z形，也能达到同样的防雷目的，但却不能减少变压器中的零序附加铁损。所以通常还是采用△/Zo接线方式。对于二次为中性点不接地系统(IT)的配电变压器，以及其他各种用途的三相隔离变压器，整流变压器和电子设备的电源变压器等，其绕组的接线方式则基本上都是采用△接或Y(Yo)接的不同组合方式。至于单相变压器，除了铁芯形式有“□”字形和壳式之分，绕组采用线绕、箔绕之分外，更没有什么特殊的结构形式，也谈不上什么防干扰、防雷击特殊措施。

上述各种不同用途、不同绕组接法的变压器，都存在着一些不可克服的缺点：

其一，当三相变压器一次输入或二次输出为对称负荷，各相基波电流数值相同，且相位差为120°时，各相三次谐波及其三倍频率的谐波电流(包括三、六、九……各次)才成为同相位的数值相等的电流，才能称之为零序谐波电流。如果各相基波电流数值不等，或其相位差不是120°时(例如二相间用电设备产生的谐波电流)则各相的三次及其三倍频率的谐波电流就不会是同相位、数值相等的了，就不能称之为零序谐波电流(同理，对谐波电势、电压也一样)。对于这种非对称的三次及其三倍频率的谐波电流，仍然可以分成正序、负序、零序三种分量。无论变压器采用上述任何一种组合接线方式，只能对零序的高次谐波电流或电势起到一定的抑制作用。而对于正序或负序(包括三、五、七各次)的各种高次谐波则起不到抑制作用(不考虑变压器阻抗的抑制作用)。

其二，现有各种变压器，每相每侧绕组无论是线绕还是箔绕，是由一个线圈还是二个线圈组成，其每个线圈都是独立绕制，变压器均呈感性。其感性无功损耗远大于有功损耗。而电网中绝大多数负载亦均为感性负载。因而变压器的接入只能增加整个电力系统的无功消耗，降低电网的功率因数，增加由此而引起的有功损耗。箔式绕组，虽然每匝线圈之间存在匝间电容，由于匝间电压很低，所以其电容容量是很小的，通常忽略不计。所以电力部门均要求用电单位增加无功功率补偿装置，以改善其功率因数，由此而增加的电网投资是十分可观的。

也曾有人提出过，配电变压器的低压绕组采用箔式线圈，将线圈的金属箔同另一附加的金属箔之间加上绝缘层后进行并绕，形成一组很大的电容，通过改变两个并绕箔式线圈的抽头连接，来变换两层铜箔之间的电压，从而实现电容容量的调节。

这种做法尽管可以使变压器由感性变成容性，然而却存在明显的不合理性：即将大大增加绕组和铁芯的尺寸、用料和成本，并使变压器的各项参数、性能变坏，损耗加大，又降低了变压器的可靠性。

本发明的目的是提供一种不需要附加的元件并具有较大的并联电容容量，并能较好地双向抑制雷电进行波和高次谐波，较好地提高了电网中电气设备、电子设备的防雷性能和电磁兼容性能的防雷击防干扰容性变压器，以克服现有技术之不足。

本发明的目的是这样实现的：

在变压器一个电压侧的每一个绕组或不同电压侧的每一个绕组是用互相绝缘的两层金属箔合在一起并绕起来成为两个同心线圈即双迭绕组，而该两个同心线圈的每个线圈都是分别与同一电压侧的另一绕组的两个同心线圈之一串联的；其连接方式为同一电压侧的三个绕组的六个线圈是接成如下Z型接线方式的：第一绕组的第一线圈首端同第三绕组的第二线圈首端相连；第二绕组的第一线圈首端同第一绕组的第二线圈首端相连；第三绕组的第一线圈首端同第二绕组的第二线圈首端相连；三个绕组的第一线圈尾端连接起来成中性点端子，三个绕组的第二线圈尾端分别作为相线端子。

或是在变压器一个电压侧的每一个绕组或不同电压侧的每一个绕组是箔式双迭绕组，而该两个同心线圈的每个线圈都是分别与同一电压侧的另一绕组的两个同心线圈之一串联的；其连接方式为同一电压侧的三个绕组的六个线圈是接成如下六角形接线方式的：第一绕组的第一线圈首端同第三绕组的第二线圈首端相连；第三绕组的第二线圈尾端同第二绕组的第一线圈尾端相连；第二绕组的第一线圈首端同第一绕组的第二线圈首端相连；第一绕组的第二线圈尾端同第三绕组的第一线尾端相连；第三绕组的第一线圈首端同第二绕组的第二线圈首端相连；第二绕组的第二线圈尾端同第一绕组的第一线圈尾端相连；从三个不相邻的连接点引出相线端子。

或是在变压器一个电压侧的每一个绕组或不同电压侧的每一个绕组是箔式双迭绕组，而该两个同心线圈的每个线圈都是分别与同一电压侧的另一绕组的两个同心线圈之一按电势迭加原则串联的；其连接方式为同一电压侧的二个绕组的四个线圈是这样连接的：第一绕组的第一线圈同第二绕组的第一线圈串联后，再同第一绕组的第二线圈串联，然后再同第二绕组的第二线圈串联，首尾两个端子作为电源端子。

或是在变压器同一电压侧每相铁芯柱上的绕组有箔式双迭绕组和单迭绕组两段，三个箔式双迭绕组的六个线圈是接成如下Z型接线方式的：第一绕组的第一线圈首端同第三绕组的第二线圈首端相连；第二绕组的第一线圈首端同第一绕组的第二线圈首端相连；第三绕组的第一线圈首端同第二绕组的第二线圈首端相连；三个绕组的第一线圈尾端连接起来成中性点端子，三个绕组的第二线圈尾端分别串联一个单迭绕组使每个单迭绕组的电势向量同与其串联的该相两个双迭绕组线圈之一的电势向量相一致，单迭绕组的另一端作为相线端子。

或是在变压器同一电压侧每相铁芯柱上的绕组有箔式双迭绕组和单迭绕组两段，三个双迭绕组的六个线圈是接成如下六角形接线方式的：第一绕组的第一线圈首端同第三绕组的第二线圈首端相连；第三绕组的第二线圈尾端同第二绕组的第一线圈尾端相连；第二绕组的第一线圈首端同第一绕组的第二线圈首端相连；第一绕组的第二线圈尾端同第三绕组的第一线尾端相连；第三绕组的第一线圈首端同第二绕组的第二线圈首端相连；第二绕组的第二线圈尾端同第一绕组的第一线圈首端相连；在三个不相邻的连接点上各串联一个单迭绕组，使各单迭绕组的电势向量分别指向该连接端子与电势向量图六角形中心点连线的外延线方向，单迭绕组的另一端作为相线端子。

或是在变压器同一电压侧每相铁芯柱上的绕组分成箔式双迭绕组和单迭绕组两个段，其三个箔式双迭绕组的第一线圈连接成三角形接线方式，分别将双迭绕组的第二线圈与同一铁心柱上的单迭绕组同相位串联后，将各第二线圈的尾端与不同铁心柱上双迭绕组的两个第一线圈的连接点相连接，三个单迭绕组的另一端作为相线端子。

或是在变压器同一电压侧的绕组分成两个箔式双迭绕组和一个单迭绕组，两个双迭绕组按电势迭加的原则交叉连接，即第一绕组的第一线圈同第二绕组的第一线圈串联后，再同第一绕组的第二线圈串联，然后再同第二绕组的第二线圈串联，首尾两个端子再同单迭绕组串联，该单迭绕组可为一段，也可分成两段或多段，串接在双迭绕组的两侧。

下面结合实施例附图作进一步详述：

图1本发明箔式双迭绕组结构示意图

图2本发明绕组连接方式示意图之一

图3图2所示连接方式电压向量图

图4本发明绕组连接方式示意图之二

图5图4所示连接方式电压向量图

图6本发明单相变压电势迭加原理图

图7本发明绕组连接方式示意图之三

图8本发明绕组连接方式示意图之四

图9图8所示连接方式电压向量图

图10本发明绕组连接方式示意图之五

图11图10所示连接方式电压向量图

图12本发明绕组连接方式示意图之六

图13图12所示连接方式电压向量图

图14本发明绕组连接方式示意图之七

在低压绕组情况下：

三相变压器在原付边的单侧或双侧，将同一电压侧的每个绕组分成两个独立线圈，如图1所示，将一层绝缘层3、一层金属箔2，又一层绝缘层3、又一层金属箔2互相隔离迭合起来，卷绕在内绝缘筒1上(此内绝缘筒1也可由首层绝缘层3本身形成)。卷绕完毕再在绕组外层金属箔2表面包上外绝缘层3。(也可以将金属箔2放在最里层，卷绕后外层的绝缘层3自然形成绕组的外绝缘层，再适当包覆加强绝缘材料)。每个线圈两端分别引出接线端子4。还可根据需要引出接出不同数量中间抽头的接线端子4。绕组的绝缘层3可以采用有机或无机材料的纸或膜，也可以在金属箔2表面涂覆绝缘层或用化学处理形成绝缘层3。以下简称这种结构的绕组为箔式双迭绕组。

于是在这两个线圈之间就存在电容C。然后按以下两种接线方式连接起来：

接在三相四线制(或三相五线制)系统一侧的绕组如图2所示接成Zo接法即第一个绕组的第一线圈首端A1同第三个绕组的第二线圈首端C2相连；第二个绕组的第一线圈首端B1同第一个绕组的第二线圈首端A2相连；第三个绕组的第一线圈首端C1同第二个绕组的第二线圈首端B2相连；将第一、第二、第三三个绕组的第一线圈尾端X1、Y2、Z1相连作为中性点端子。将第一、第二、第三三个绕组的第二线圈尾端X2、Y2、Z2作为相线端子。或者按另一方向，A1接B2、B1接C2、C1接A2。而X1、Y1、Z1和X2、Y2、Z2也可以互相调换其连接方式和引出方式。

从图3电压向量图中可以看出，当接通电源后，在线圈A1X1和A2X2、B1Y1和B2Y2、C1Z1和C2Z2之间，即电容C的两个极板间就存在很高的电压，其值等于系统相电压UX1A1。该侧三相绕组的总的并联电容容量为QC＝3U²X1A1/XC(XC为该电网频率下的容抗)。不难看出，只要合理设计铁芯尺寸以及线圈匝数、金属箔的宽度厚度和绝缘厚度；就可以获得足够大的电容容量，使变压器成为一个容性元件。

接在三相三线制系统一侧的绕组可采用如图4所示六角形接法。即第一绕组的第一线圈首端A1同第二绕组的第二线圈首端C2相连；第三绕组的第二线圈尾端Z2同第二绕组的第一线圈尾端Y1相连；第二绕组的第一线圈首端B1第一绕组的第二线圈首端A2相连；第一绕组的第二线圈尾端X2同第三绕组的和线线圈尾端Z1相连；第三绕组的第一线圈首端C1同第二绕组的第二线圈首端B2相连；第二绕组的第二线圈尾端Y2同第一绕组的第一线圈尾端X1相连。或者按另一方向，A1接B2，Y2接Z1，C1接A2，X2接Y1，B1接C2，Z2接X1。从任意三个不相邻的连接点引出相线端子。

从图5电压向量图中可以看出，当接通电源后，在线圈A1X1与A2X2、B1Y1与B2Y2、C1Z1与C2Z2之间，即电容的两极板之间的电压为系统线电压UL1L2。众所周知，电网线电压为相电压的√3倍。而电容容量是与其极板之间所加电压的平方成正比。假设六角形接法和Z形接法两个绕组的电容C相等的话，前者比后者的电容容量要大3倍。更何况通常六角型接线的绕组要比Z接绕组匝数多，实际的电容容量比会超过3倍。

单相变压器则在原付边的单侧或双侧，将每侧绕组分成两个绕组A和B；每一个绕组又分成两个线圈，该两个线圈也用互相绝缘的两层金属箔合在一起并绕起来。于是，该两线圈之间就存在电容。绕组A和B分别套在“□”字型或“日”字型铁芯的两个边柱上，或者套在“日”字型佚芯的中柱上。然后按图4所示电势迭加的接线原则，依次将第一绕组的第一线圈→第二绕组的第一线圈→第一绕组的第二线圈→第二绕组的第二线圈首尾相连。这样，加在电容两个极板上的电压等于1/2UL1L2(UL1L2为电源线电压)。从而获得较大的并联电容容量Qc。

对于高压绕组情况：

如果将高压绕组简单套用上述三相Z形或六角形接线或单相的箔式双迭绕组结构，则其电容两极之间的电压将分别为电网的相电压或线电压。为使绝缘能承受如此高的电压，势必增加其厚度而使绕组尺寸、用料、成本大大增加，乃是不可行的。

为此，本发明设计了四种实施例方案。其共同特点是，每相铁心柱的高压绕组分成两段：一段是箔式双迭绕组；另一段是单迭绕组(箔绕或线绕均可)。然后采用以下四种接线方式：

三相变压器有以下三种：

第一种如图8所示，为延边Z形接线。其箔式双迭绕组段的接线同图2Z形接法完全相同。只是在其外接端子X2，Y2，Z2上再串联一组单迭绕组，即将X2接A3，Y2接B3，Z2接C3。X3，Y3，Z3作外接端子。而其电势向量图则如图9所示。也可以将X2接Y3，Y2接Z3，Z2接X3。A3，B3，C3作外接端子。其电势向量图如图9中所示。换言之，绕组连接的原则是：所连接的单迭绕组的电势向量应同组成该相两个双迭绕组线圈之一的电势向量一致。

第二种如图10所示，为延边六角形接线。其箔式双迭绕组段的接线同图4六角形接法完全相同。只是在其六个线圈的三个不相邻的连接端子上各串联一个单迭绕组，即Y1接X3、Z1接Y3、X1接Z3。其原则是：如图11所示，各单迭绕组的电势向量均是指向该连接端子与电势向量图六角形中心点连线的外延线方向的。三个单迭绕组的另一端A3、B3、C3作为外接端子。

第三种如图12所示，为延边三角形接线。将三个箔式双迭绕组的第一线圈联结成三角形，即X1接C1、A1接Y1、B1接Z1。分别将双迭绕组的第二线圈与同一铁心柱上的单迭绕组同相位串联，即A2接X3、B2接Y3、C2接Z3。然后将各第二线圈的尾端与不同铁心柱上的双迭绕组的两个第一线圈的联结点相连接，即X2接Z1、Y2接X1、Z2接Y1。而三个单迭绕组的另一端A3、B3、C3作为外接端子。图13示出了其向量图。

除了上述三种基本接线方式实施例外，尚可采用其他不同的组合接线方案：如六角形与Z形延边，△形与Z形延边等两个双迭绕组之间的不同连接法。

而单相高压绕组则可以采取如图14所示由两个箔式双迭绕组与一个单迭绕组串联的方式。其双迭绕组的接线方式与图7的完全相同。只是再按电势迭加原则串联一个或两个单迭绕组，以降低电容两极板间的电压。单迭绕组可为一段，也可分成两段或多段，串接在双迭绕组的两侧。

对于低压三相变压器的两种接线方式的箔式双迭绕组结构来说具有许多优点：

其一，变压器绕组自身具有很大的并联电容容量，能够减少电网中无功功率补偿装置的数量与投资；

其二，当同相位的零序基波电流或高次谐波电流流过六角形接或Z0接绕组时，在每一绕组的两个线圈中的电流方向是相反的。因此该电流在铁芯中生成的合成磁势为零，不会在另一侧绕组中产生零序电势或零序环流；同时，每相绕组两个线圈的电势相位差为60°，三倍频率时的相位差则为180°，成反向而互相抵消，能有效地消除零序奇次谐波电势。从而抑制住了电网中最主要的干扰谐波成分；

其三，这种箔式双迭绕组结构，每一匝线圈都存在电感和相间并联电容，形成了如图6所示的大容量分布式自耦合L-C级联滤波电路。由于每匝线圈的直径不同而使电容值也有所不同，因而又形成了一个具有不同谐振频率的级联宽带谐振电路。只要适当地设计调整各电压侧绕组的电感L和电容C的参数匹配，就可以获得针对所想要抑制的某次谐波的谐振频率(带)。于是，对于那些靠上述绕组接线方式所不能消除的余下的非零序的各次主要干扰谐波电势和电流，就能凭此而得到有效抑制，并避免反而引起谐波放大；二者，也能避免高频电流从单一的有感滤波电容两端滑过的现象，三者，还能防止铁磁谐振；

其四，能更有效地隔离同相位的雷电进行波；

其五，能使变压器的零序电抗降到最小，从而提高电网单相短路时短路保护的灵敏度，并降低零序基波和谐波的附加损耗。

在具体应用中，可以根据不同的系统型式、电压等级和负荷特性采取恰当的接线组合方式，把上述两种绕组结构型式和接线方式用于变压器的某一侧或双侧，以期达到最理想的使用效果。

对于上述单相绕组接法本身虽不能消除谐波。但合理设计调整绕组的并联电容和电感，可以部分抑制干扰谐波和吸收雷电进行波，并改善功率因数。比起现有的单相变压器来具有明显的优点。

当电网要求在变压器该侧绕组有接地中心点时，宜采用此种接线。其优缺点同Z形接线基本相同，只是加在箔式双迭绕组两个线圈所构成的电容两极板间的电压仅为每个线圈电势的√3倍，而不是电网的相电压。

这种接法的优缺点同六角形接线基本相同，只是加在箔式双迭绕组两个线圈所构成的电容两极板间的电压仅为每个线圈电势的√3倍，而非电网的线电压。

这种接线方式具有三角形接线的基本特点。只是加在箔式双迭绕组两个线圈所构成的电容两极板间的电压仅为每个线圈的电势，而不是电网的线电压。

只要根据电网额定电压的高低、绝缘材料的耐压水平和对变压器运行性能的要求，合理地选取不同的接线方式和单迭绕组与箔式双迭绕组之间的匝数比，便可使变压器获得良好的经济技术指标和合理的电容容量。

Claims (7)

1、一种防雷击防干扰容性变压器，其特征在于一个电压侧的每一个绕组或不同电压侧的每一个绕组是用互相绝缘的两层金属箔合在一起并绕起来成为两个同心线圈即双迭绕组，而该两个同心线圈的每个线圈都是分别与同一电压侧的另一绕组的两个同心线圈之一串联的；其连接方式为同一电压侧的三个绕组的六个线圈是接成如下Z型接线方式的：第一绕组的第一线圈首端同第三绕组的第二线圈首端相连；第二绕组的第一线圈首端同第一绕组的第二线圈首端相连；第三绕组的第一线圈首端同第二绕组的第二线圈首端相连；三个绕组的第一线圈尾端连接起来成中性点端子，三个绕组的第二线圈尾端分别作为相线端子。

2.一种防雷击防干扰容性变压器，其特征在于一个电压侧的每一个绕组或不同电压侧的每一个绕组是箔式双迭绕组，而该两个同心线圈的每个线圈都是分别与同一电压侧的另一绕组的两个同心线圈之一串联的；其连接方式为同一电压侧的三个绕组的六个线圈是接成如下六角形接线方式的：第一绕组的第一线圈首端同第三绕组的第二线圈首端相连；第三绕组的第二线圈尾端同第二绕组的第一线圈尾端相连；第二绕组的第一线圈首端同第一绕组的第二线圈首端相连；第一绕组的第二线圈尾端同第三绕组的第一线尾端相连；第三绕组的第一线圈首端同第二绕组的第二线圈首端相连；第二绕组的第二线圈尾端同第一绕组的第一线圈首端相连；从三个不相邻的连接点引出相线端子。

3.一种防雷击防干扰容性变压器，其特征在于一个电压侧的每一个绕组或不同电压侧的每一个绕组是箔式双迭绕组，而该两个同心线圈的每个线圈都是分别与同一电压侧的另一绕组的两个同心线圈之一串联的；其连接方式为同一电压侧的二个绕组的四个线圈是这样连接的：第一绕组的第一线圈同第二绕组的第一线圈串联后，再同第一绕组的第二线圈串联，然后再同第二绕组的第二线圈串联，首尾两个端子作为电源端子。

4.一种防雷击防干扰容性变压器，其特征在于同一电压侧每相铁芯柱上的绕组有箔式双迭绕组和单迭绕组两段，三个箔式双迭绕组的六个线圈是接成如下Z型接线方式的：第一绕组的第一线圈首端同第三绕组的第二线圈首端相连；第二绕组的第一线圈首端同第一绕组的第二线圈首端相连；第三绕组的第一线圈首端同第二绕组的第二线圈首端相连；三个绕组的第一线圈尾端连接起来成中性点端子，三个绕组的第二线圈尾端分别串联一个单迭绕组使每个单迭绕组的电势向量同与其串联的该相两个双迭绕组线圈之一的电势向量相一致，单迭绕组的另一端作为相线端子。

5.一种防雷击防干扰容性变压器，其特征在于同一电压侧每相铁芯柱上的绕组有箔式双迭绕组和单迭绕组两段，三个双迭绕组的六个线圈是接成如下六角形接线方式的：第一绕组的第一线圈首端同第三绕组的第二线圈首端相连；第三绕组的第二线圈尾端同第二绕组的第一线圈尾端相连；第二绕组的第一线圈首端同第一绕组的第二线圈首端相连；第一绕组的第二线圈尾端同第三绕组的第一线尾端相连；第三绕组的第一线圈首端同第二绕组的第二线圈首端相连；第二绕组的第二线圈尾端同第一绕组的第一线圈尾端相连；在三个不相邻的连接点上各串联一个单迭绕组，使各单迭绕组的电势向量分别指向该连接端子与电势向量图六角形中心点连线的外延线方向，单迭绕组的另一端作为相线端子。

6.一种防雷击防干扰容性变压器，其特征在于，同一电压侧每相铁芯柱上的绕组分成箔式双迭绕组和单迭绕组两个段，其三个箔式双迭绕组的第一线圈连接成三角形接线方式，分别将双迭绕组的第二线圈与同一铁心柱上的单迭绕组同相位串联后，将各第二线圈的尾端与不同铁心柱上双迭绕组的两个第一线圈的连接点相连接，三个单迭绕组的另一端作为相线端子。

7.根据权利要求4所述的防雷击防干扰容性变压器，其特征在于，同一电压侧的绕组分成两个箔式双迭绕组和一个单迭绕组，两个双迭绕组按权利要求4所述的电势迭加的原则交叉连接，再同单迭绕组串联，该单迭绕组可为一段，也可分成两段或多段，串接在双迭绕组的两侧。

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