CN1553553A - 自耦补偿与谐波屏蔽整流变压器 - Google Patents

Abstract

一种自耦补偿与谐波屏蔽的整流变压器，是在供电变压器的副方绕组中间引出自耦抽头，该抽头把副方绕组分为两段，类似自耦变压器公共绕组与串联绕组，两者紧密耦合，该两段副方绕组与原绕组在铁心圆柱上构成三绕组的同心布置，其中公共绕组布置在原方绕组与串联绕组间，其等值阻抗为零，公共绕组的两端与外接滤波容感支路相接。本发明可对用户工频下的感性电流就近实行无功补偿，对谐波电流利用抽头分开的两端绕组在相应谐波频率下的安匝平衡作用使之被迫抵消，从而疏导谐波电流经串联绕组就近返回负荷，阻止其越过气隙传送到原方电网，从源头对谐波进行根治，对原方电网实现谐波屏蔽和隔离时也避免了谐波电流和谐波磁通对变压器本身的损害。

Description

自耦补偿与谐波屏蔽整流变压器

【技术领域】

本发明涉及电力输送技术领域，特别涉及到整流、换流和牵引与电弧炉变压器及其补偿和滤波设备。

【背景技术】

现代电力系统非线性负荷的比重逐步增多，较突出的是整流负荷和电弧炉负荷，后者包括交流或直流炼钢，无论哪种炼钢，其电流如同整流供电一样，也是间隙性导通和开断，迫使供电网的电流波形发生畸变，除工频基波外，还有多种高次谐波含量，谐波电流从变压器输出侧注入，形成谐波电流源，经供电变压器绕组向原方电网侧流窜，对通过回路及相邻设备带来多方面的不良影响。传统的治理谐波的方法是无源滤波，常用CL元件串接的并联支路作调谐器，使之对注入的n次谐波电流予以分流，如滤波支路的等值阻抗Z_F＝nX_L-Xc/n²＝0，即取X_L＝Xc/n²，则在该次谐波频率下，其感抗与串接的容抗相抵消，并联支路的零阻抗把该次谐波电流全吸引分流掉，滤波效果最好。但为避免谐振过电压和谐波放大，实际选用的X_L＝K_SXc/n²，K_S为大于1的安全系数，实际要求该系数取值不宜太小，这样便明显削弱了滤波效果。有源滤波器是以电力电子元器件组成的换流装置，将备有的直流源提供的直流电流按跟踪检测与自动控制方式，实时逆变为同于畸变波形但方向相反的补偿电流。该技术在工业发达国家早有应用，但其技术困难多，成本费用高，至今未能得到广泛应用。

【发明内容】

本发明所要解决的技术问题是提供一种既能避免无源滤波器发生谐振过电压和谐波放大，又能达到有源滤波器的谐波补偿作用的利用供电变压器绕组的安匝平衡关系作滤波器的自耦补偿与谐波屏蔽整流变压器。

本发明所采用的技术方案是在供电变压器绕组的副方绕组中间引出自耦抽头，抽头将副方绕组分为两段类似自耦变压器的公共绕组与串联绕组，两者保持紧密耦合，该两段绕组与其同相的原方绕组在铁心圆柱上构成三绕组的同心布置，布置在中间层的绕组的两端与容抗X_C串感抗X_L支路并联，且基波阻抗X_L远小于X_C，中间层绕组为屏蔽绕组，其等值阻抗为零，副方绕组的两端与供电负荷连接。

本发明的原理：设滤除谐波次数为n，在对应的n倍频率下，n_XL-X_C/n＝0，该零阻抗支路把n次谐波电流吸引到串联绕组通过，串联绕组因通过谐波产生的谐波磁通，必定穿链公共绕组即屏蔽绕组，后者随即感生反向电流并以容感支路为回路，该回路的内接绕组与外接支路的阻抗均为零，通过电流无降压，因而无需相应的电势来维持，则该两绕组的磁势相反迫使谐波磁通全抵消，故无剩余谐波磁通穿链外层的同相原方绕组，实现了对原方绕组的谐波屏蔽亦即磁耦的解耦作用，使谐波电流不能越过气隙窜到原方电网。

本发明与现有技术相比具有明显的优点：

1、本发明是抓住谐波源头进行治理，在靠近整流变压器的阀侧和谐波电流入口处，利用副方自耦抽头引接的容感L-C支路对谐波频率构成的低阻抗作用，疏导谐波电流经串联绕组就近返回负荷，而串联绕组通过谐波电流产生的谐波磁通，又随即被屏蔽绕组感生的反向磁通所抵消，阻止了谐波电流向原绕组传送。这相当于在谐波注入处设置了一座屏障，从源头对谐波进行堵截，但对基波电流可照常通过。

2、本发明开发了变压器的潜能，利用了变压器安匝平衡具有滤波作用。虽自耦抽头引接的C-L元件与无源滤波的支路相似，但该电路的电流和电压受到抽头两端耦合绕组的电磁关系的制约，没有谐振过电压和谐波放大的顾虑，故可选用X_L＝X_C/n²而不必避开谐振点，取得无源滤波达不到的滤波效果。本发明还利用屏蔽绕组的等值阻抗为零的条件，在感生电流通过环路时无压降，无需谐波磁通产生的电势来维持，使串联绕组产生的谐波磁通全部被屏蔽绕组感生的反向磁通所抵消，后者相似于有源滤波的谐波补偿作用，它是利用耦合绕组的自耦感应来完成，无需有源滤波的谐波发生源和控制系统来实现，取得同样效果，其技术难度和成本费用低廉得多。

3、本发明是在治理电网谐波的同时，也制止了谐波在变压器绕组中的传送，使谐波对变压器的损害得到有效治理，从而改善了整流变换的总体效益。正常工频电压下，补偿支路的容抗X_C较感抗X_L大得多，对负荷无功起着补偿作用。把无功补偿安排在引出抽头的低压侧，这不仅降低了补偿装置及其开关设备的电压等级，减少了通过变压器绕组的电流数值，并避免了网侧接入补偿要防止容性回路与电网感抗可能发生谐振的影响问题，如整流变压器的副方绕组没有中间抽头引接无功补偿和滤波设备时，便要在原方网侧高压母线上安装无源或有源滤波器，不论其滤波效果如何，负荷电流引起的无功和谐波分量都要通过该变压器进入高压母线，便要在绕组和铁心中增加附加损耗发热与噪音振动，导致材料和成本增大，相对比较，本发明排除了这些不良成分带来的有害影响。这对电网安全与补偿设备的自身安全都有好处。

4、在多相整流器中，本发明弥补了单纯增加脉动数P的不足之处。增加整流器的脉动数P，是削弱谐波的重要方法之一，随P值的增大，特征谐波最大的谐波次数随之增大，谐波电流含量的相对值则与此成反比减小，这样做要增加换流器的数量及其控制的复杂性，还要调整变压器副方的接线组合及其邻相间的位移角度，这不仅要增大材料的消耗和成本费，而且很难做到全面消除谐波电流的效果，特别是存在的非特征谐波，是不能靠增大P值所能治理的。相对比较，本发明无上述缺点，这不仅改善了滤波效果，也带来经济节约，在技术上更胜一筹。

【附图说明】

图1为本发明的单相整流变压器原理接线图

图2为本发明的单相整流变压器绕组的布置示意图

图3为本发明的单相整流变压器的等值电路图

图4为本发明的三相六脉动整流变压器的原理接线图

图5为本发明的三相六脉动整流变压器的电压相量图

图6为本发明的六相十二脉动整流变压器的原理接线图

【具体实施方式】

下面结合本发明的实施例进一步说明本发明的具体结构

实施例1：

如图1-3所示，本实施例为单相自耦补偿与谐波屏蔽整流变压器，包括原绕组1、副绕组和圆柱铁心4，在副绕组的中间引出自耦抽头而将副绕组分成绕组2和3，三个绕组共同布置在圆铁心柱4上，副绕组3布置在靠近圆柱铁心4的内层，原绕组1排列在在最外层，副绕组2布置在副绕组3和原绕组1之间，副绕组2的两端与容抗X_C串感抗X_L的支路相接，原绕组1的两端与电网电源相连，供电负荷5与串联的两个副绕组2和3并联。

本实施例可为单相的整流负荷或电弧炉负荷供电，也可为电气化铁路的单相牵引变压器或两台单相变压器组合为V形接线的牵引变压器应用，后者的输出侧虽不直接与换流器相连接，但供电的负荷性质相类似，可利用副方绕组中间引出抽头改善无功补偿与滤波。依两绕组间的分别短路测知的短路阻抗并换算成同一电压的等值阻抗Z₁₂、Z₁₃、Z₂₃，图3中的各等值阻抗可按下式求得：

                          Z₁＝0.5(Z₁₂+Z₁₃-Z₂₃)

                          Z₂＝0.5(Z₁₂+Z₂₃-Z₁₃)

                          Z₃＝0.5(Z₁₃+Z₂₃-Z₁₂)

两绕组间的短路阻抗与两者中线间的距离成正比，则Z₁₂、Z₁₃和Z₂₃分别与其下标绕组间的幅向距离a₁₂、a₂₃和a₁₃成比例，由图2看出，a₁₂+a₂₃＝a₁₃，则中间绕组Z₂＝0.5(Z₁₂+Z₂₃-Z₁₃)，应与a₁₂+a₂₃-a₁₃成比例，按对应的距离关系式，不难得知Z₂＝0，故同心布置三绕组的中间绕组等值阻抗必定为零。这样，处于外层与内层之间的中间层绕组即为屏蔽绕组。

图3中Z_S代表系统的等值阻抗，该支路Z₁+Z_S与Z₂并联，因Z₂＝0，故原方绕组与系统电网不可能对谐波电流起分流作用，这进一步显示Z₂＝0的重要性。

实施例2：

本实施例为自耦补偿与谐波屏蔽三相整流器，原绕组可为星形或三角形(图中未画出)，副绕组采用延边具有中间引出抽头的延边三角形，如图4所示，延边端点u、v、w分别与阀侧的三相整流桥6连接，构成六脉动的整流输出并与供电负荷5相连；三角形的三相引出端a、b、c分别与补偿容感L_C元件相接。其三角形的相绕组相当于自耦变压器的公共绕组2，在滤波中起着屏蔽作用，延边绕组相当于自耦变压器的串联绕组3；同一相的延边绕组、角形绕组与原方绕组1在圆柱铁心4上同心布置。通过谐波电流产生磁通，与上述单相整流变压器相似，要被同相屏蔽绕组感生的反向磁通所抵消。延边绕组相电压U_e与同相的角形绕组相电压U_d、邻相延边绕组相压U_e和输出相间电压U₂构成的相量关系如图5所示，θ为延边产生的相位移角度，由相量的几何关系可得：

           U_e/Sinθ＝(U_e+U_d)/Sin(60°-θ)＝U₂/Sin120°

$U_e/U_2=2\sin \mathrm{\θ}/\sqrt{3}$

上式代表延边绕组相电压U_e与延边输出的合成电压U₂和位移角θ的相应关系，据此可用以协调与相关接线的相位，屏蔽谐波的n值可选为5或7。

实施例3：本实施例为由副方两个延边三角形组成6相12脉的自耦补偿与谐波屏蔽整流变压器。如图6所示，副方绕组的两组三相输出分别与各自的三相整流设备6连接，两个整流设备6含有可形成12个脉动相的晶闸管，相间电位差为30°，两个延边三角形绕组中引出的自耦补偿和屏蔽滤波的自耦抽头，与外加的补偿和滤波设备7即容感支路L-C相连；原有整流变压器按传统接线常将补偿和滤波设备装在网侧高压母线上，本发明把补偿和滤波设备7从网侧移到靠近网阀侧，以使进入变压器绕组的无功和谐波电流可立即得到补偿和清除。

12脉动角位移θ的确定：12脉动相的相间电位差为360°/12＝30°；为此，应使副方绕组的一个延边三角形前移15°，另一个后移15°，按上述关系知，取θ＝15°，则得U_e/U₂＝Sin15°/Sin120°＝0.2989，U_d/U₂＝0.5176，(U_e+U_d)/U₂＝Sin(60°-15°)/Sin120°＝0.8165，故保持延边绕组与三角形绕组的匝比为U_e/U_d＝0.2989/0.5176＝0.5775，取得相位移为15°，但要注意角度前移与后移的区别，以使两者间相位差值为30°，才能取得原有直流输电换流变压器副方以星形和三角形接线构成的12相脉动的同样的整流效果。副方绕组引出的中间抽头与外加的补偿设备相连接，有利于清除负荷电流中无功和谐波等有害成分对变压器和电网系统的不良干扰。对12脉动相的最大特征谐波次数按P±1计，故n值可取为11或13。

Claims (6)

1、一种自耦补偿与谐波屏蔽整流变压器，包括原绕组(1)、副绕组、铁心(4)，其特征在于：在供电变压器绕组的副方绕组中间引出自耦抽头，抽头将副方绕组分为两段类似自耦变压器的公共绕组(2)与串联绕组(3)，公共绕组(2)与串联绕组(3)保持紧密耦合，并与其同相的原方绕组(1)在圆柱铁心(4)上构成三绕组的同心布置，布置在中间层的公共绕组(2)的两端与容抗X_C串感抗X_L支路(7)并联，且基波阻抗X_C远大于X_L，公共绕组(2)为屏蔽绕组，其等值阻抗为零，原绕组(1)的两端与电网电源相连，供电负荷(5)与串联的公共绕组(2)和串联绕组(3)并联。

2、根据权利要求1所述的自耦补偿与谐波屏蔽整流变压器，其特征在于：串联绕组(3)布置在靠近圆柱铁心(4)的内层，原绕组(1)排列在最外层，公共绕组(2)布置在串联绕组(3)和原绕组(1)之间。

3、根据权利要求1所述的自耦补偿与谐波屏蔽整流变压器，其特征在于：原绕组(1)为星形或三角形，副绕组采用具有中间引出抽头的延边三角形，延边三相端点u、v、w分别与阀侧的三相整流设备(6)连接，构成六脉动的整流输出并与供电负荷(5)相连；延边三角形的三相引出端a、b、c分别与外接的补偿容感LC支路(7)相接；其三角形的相绕组相当于自耦变压器的公共绕组(2)，对相应谐波起着屏蔽作用，延边绕组相当于自耦变压器的串联绕组(3)；同一相的延边绕组、角形绕组与原方绕组(1)在圆柱铁心(4)上同心布置。

4、根据权利要求3所述的自耦补偿与谐波屏蔽整流变压器，其特征在于：延边绕组相电压U_e、延边绕组输出的相电压U₂、三角形绕组相电压为U_d，三者的关系为：U_e/Sinθ＝(U_e+U_d)/Sin(60°-θ)＝U₂/Sin120°，即 $U_e/U_2=2\mathrm{Sin\θ}/\sqrt{3},$ “θ”为延边产生的相位移角度。

5、根据权利要求3所述的自耦补偿与谐波屏蔽整流变压器，其特征在于：副方为由两个延边三角形组成的6相12脉动自耦补偿与谐波屏蔽整流器，副方绕组的两组三相输出分别与各自的三相整流设备(6)连接，两个整流设备(6)含有形成12个脉动相的晶闸管，相间电位差为30°，两个延边三角形绕组中引出自耦补偿和屏蔽滤波的自耦抽头，与外加的补偿和滤波容感C-L支路(7)相连。

6、根据权利要求3或4或5所述的自耦补偿与谐波屏蔽整流变压器，其特征在于：副方绕组的一个延边三角形相位前移，另一个后移15°；实现位移15°的延边绕组相电压相对三相输出电压的比值为U_e/U₂＝0.2989，U_d/U₂＝0.5176，(U_e+U_d)/U₂＝0.8165。

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