CN1665112A - 自耦补偿与谐波屏蔽换流变压器 - Google Patents

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Abstract

一种自耦补偿与谐波屏蔽的换流变压器，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，对谐波磁链利用抽头分开的两端绕组在相应谐波频率下感应电流的安匝平衡作用使之被迫抵消，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，从源头对谐波根治，对原方电网实现谐波屏蔽和隔离时，也避免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换流变压器
【技术领域】
本发明涉及电力输送和供用电技术领域，特别涉及到整流、换流与牵引和电弧炉变压器及其补偿和滤波设备。
【背景技术】
现代城市供用电网接入的非线性用电设备不断增多，包括楼房和街道中的照明，无论是荧光灯和霓虹灯，多是由灯管中的气体放电形成光源，极间电流呈非线性电阻特性；还有不少家用电器，包括洗衣机、电冰箱和空调机等，广泛采用变频调速，以及建筑施工和机械加工广泛使用的电焊，对供电网形成不可忽视的谐波源，大量的谐波电流注入电网，促使电网的电压波形发生畸变，对邻近的通信讯号、保护控制和科研测试带来干扰，并增大相关电气设备的附加损耗和发热，引起相应的震动和噪音。虽家电设备的单台容量不大，但进入千家万户，数量多、分布广，难以对其谐波干扰作出限制和抑制。这些用户使用的供电变压器都是普通变压器，对谐波横行无阻。随着经济发展，这类负荷在电网中占有的比重和影响不断增加，采用什么方法加以治理和应用怎样的变压器供电，值得引为关注。
电力电子的广泛应用，推进了工厂企业的生产发展，在供电行业出现的突出问题是大功率的整流、换流和电弧炉负荷，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ZF＝nXL-Xc/n＝0，即取XL＝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过来分流掉，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XL＝KSXc/n2，KS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，将备有的直流或储存的惯性能源按跟踪检测的负荷电流波形并伴以与自动控制方式，实时逆变为等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，但其技术较复杂，配套设备多，成本费用高，至今未能得到广泛应用。企业部门对谐波源使用的滤波器，能滤去的谐波含量只能达50％左右，这是应积极探寻予以改进的。
最近我国三峡建设，西电东送，对远距离输电和大区联网主干线采用高压直流(HVDC)输电，发现从国外引进的换流变压器，均是布置在换流器与滤波器之间，这样一来，由换流器引起的谐波电流和供给换流器所需的无功电流，都要通过该换流变压器的绕组，不仅要占用绕组的相当容量，还要在变压器的原副方绕组及其铁心中引起附加损耗和发热，加大震动与噪音，增大绕组的绝缘困难，这是明显不合理的。考虑我国地区辽阔，远距离输电和大区联网，跨世纪后HVDC要加大发展，应积极探寻换流变压器的国产化，改进滤波措施，摆脱对国外技术的依赖。
【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相似效果的新型滤波技术，无需备有专用的补偿谐波发生源，而是利用供电变压器耦合绕组的安匝平衡作用，通过谐波时形成的自耦感应关系作滤波，构成多项技术集成的新产品，以利发挥变压器的潜能，达到自耦补偿与谐波屏蔽的综合效果。
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XC和串有感抗XL的支路并联，且基波阻抗XL远小于XC，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，nXL-XC/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C-L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的滤波作用。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XL＝XC/n2(相当KS＝1)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采用的谐波补偿作用，它是利用耦合绕组的自耦感应来完成，无需有源滤波备有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，从而改善了整流与换流变换的总体效益。正常工频电压下，补偿支路的容抗XC较感抗XL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波数P的不足之处。增加整流器的脉波数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为本发明的单相换流变压器原理接线图；
图2为本发明的单相换流变压器绕组的布置示意图；
图3为本发明的单相换流变压器的等值电路图；
图4为本发明的三相换流变压器原理接线图；
图5为本发明的三相六脉波整流变压器的原理接线图；
图6为本发明换流变压器的延边绕组电压相量图；
图7为本发明的六相十二脉波换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换流变压器，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将该副绕组分成公共绕组2和串联绕组3，三个绕组共同布置在圆铁心柱4上，串联绕组3布置在靠近圆柱铁心4的内层，原绕组1排列在在最外层，公共绕组2布置在串联绕组3和原绕组1之间，公共绕组2的两端与容抗XC串感抗XL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公共绕组2和串联绕组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级的等值阻抗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ZS代表系统的等值阻抗，该支路Z1+ZS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。屏蔽谐波的n值取3或5。
实施例2：
如图4所示，本实施例为三相自耦补偿与谐波屏蔽换流变压器，原方可采用星形或三角形接线(图中未画出)，副方绕组采用具有中间抽头分开的两段绕组串联构成的星型接线，三相输出端u、v、w与其中性点n，引出与其供电负荷5相连，中间抽头a、b、c引出与外接的容感CL支路7连接，三抽头与n之间的绕组便是屏蔽绕组，后者与串联绕组3和原绕组1在铁心4中同心布置，其中公共绕组2布置在同心绕组的中间层，其等值阻抗为零，可对谐波起到屏蔽作用。供电负荷5可以是三相负荷，也可给单相负荷供电。铁心可用三柱结构，如容量较大，三相负荷不平衡，也可改用五柱铁心，以便为零序磁通提供通路。现代城市电网，受谐波污染严重，电网三相电压不对称，电压波形非正弦，以致企业厂家做产品测试和科技实验时，不能以地区电网为电源，否则结果很难准确，只好在夜深人静时进行或开动专用的发电机作电源供电，表明对城网的谐波治理是不应疏忽的。而城网受谐波污染，在很大程度上与众多的家电非线性负荷有关。考虑家用电器的分散性，不可能在各个接入点分别滤波，对非线性负荷较集中的地区，如大型商场、高楼用户和建筑施工工地等，应积极推荐采用具有谐波屏蔽的变压器供电，这可以阻塞谐波电流的窜扰，以利改善电网的供电质量。
实施例3：
本实施例为自耦补偿与谐波屏蔽的三相整流供电变压器，原绕组可为星形或三角形(图中未画出)，副绕组采用具有中间引出抽头的延边三角形，如图5所示，延边端点u、v、w分别与阀侧的三相整流桥6连接，构成六脉波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LC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，与上述单相和三相输出的换流变压器相似，要被同相屏蔽绕组感生的反向磁通所抵消。图6示出延边绕组相电压Ue与同相的角形绕组相电压Ud、邻相延边绕组相压Ue和输出相间电压U2构成的相量关系，图中θ为延边绕组产生的相位移角度，由相量的几何关系可得：
              Ue/Sinθ＝(Ue+Ud)/Sin(60°-θ)＝U2/Sin120°
                            Ue/U2＝2 Sinθ/√3
上式代表延边绕组相电压Ue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。如延边绕组与三角形接线的绕组匝数相等，当有谐波电流通过时，则Ue与Ud两绕组的谐波电流相等而方向相反，迫使谐波磁通相抵消。有三角形的闭合回路，为励磁的三次谐波接供通路。屏蔽谐波的n值可选为5或7。本图例可用来给企业部门的整流负荷供电。
实施例4：
本实施例为由副方两个延边三角形组成6相12脉波的自耦补偿与谐波屏蔽换流变压器。如图7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组成的换流器，由12个晶闸管组成的组件构成，形成12个脉波相，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C-L相连。
12脉波相角位移θ的确定：12脉波相的相间电位差为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Ue/U2＝Sin15°/Sin120°＝0.2988，Ud/U2＝0.5177，(Ue+Ud)/U2＝Sin(60°-15°)/Sin120°＝0.8165，故保持延边绕组与三角形绕组的匝比为Ue/Ud＝0.2988/0.5177＝0.5773的关系，便必然得出相位移θ＝15°的效果，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°，才能取得传统直流输电换流变压器副方以星形和三角形接线构成的12相脉动的同样的依次换流效果。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成分通过变压器和电网系统引起的附加损耗。对12脉波相的最大特征谐波次数按P±1计，故n值可取为11或13。
12脉波相的直流输出，可作为城市交通轻轨机车的供电电源，通常直流输出的电压不高而电流较大，可将图7中的整流设备6的串联改为并联。原有城轨交通常采用24脉波整流变压器供电，后者要以两合变压器的原副方绕组经多种移相组合而成，不仅换流器的晶闸管要成倍增加，且其变压器台数也多一倍，还要加大占地面积，相对比较本12脉波构成的新型整流变压器，在经济上明显较省，且加设了谐波屏蔽绕组，在抑制谐波的技术性能上，也不会比脉波多加一倍的老产品为差。至于输出侧的直流电压，以Ud表直流空载电压的平均值，U表交流空载电压的有效值，当P从12改为24时，Ud/U的比值从1.4变为1.41，得失对比很不合算，从而推动了相应产品的创新发展和技术进步。
12脉波相用作直流输电的换流(包括首端的整流和末端的逆变)变压器，远距离输电电压高，两换流器应按图7串通。如HVDC的传输容量大，制成三相变压器结构困难且不便于运输，可用三个单相变压器产品接成三相变压器组的组合方式，两组三相变压器组的副方绕组，同样应按图7使其邻相之间形成30°的相位差，则抽头两端的绕组匝数同样应保持Ue/Ud＝0.5773的关系。这样一来，按本实施例构成的HVDC换流变压器，虽变压器产品结构与传统的换流变压器有所不同，但完成的12个脉波相应是一样的。所不同的是把原接于网侧高压母线上的滤波器，移到靠近阀侧的副方引出抽头上，滤波支路的容感设备只是靠近而不是与换流器直接相连，中间要通过变压器副方大功率的延边绕组隔离开，抽头引出支路的电流电压要受到延边绕组及三角形接线绕组的电磁关系制约，不必担心外接容感元件出现异常对换流器造成的不良影响。这既可消除上述传统接线的全部缺点，并可使进入变压器绕组的无功和谐波电流立即得到补偿和清除。相对比较，这不仅可取得重大经济效益，且降低了通过变压器绕组的无功和谐波含量，减少了通过线路压降，利于缩小换流时的换流重叠角，对改善换流的技术性能也有好处。

Claims (7)

1、一种自耦补偿与谐波屏蔽的换流变压器，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XC串有感抗XL的支路(7)并联，且基波下阻抗XC远大于XL，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的换流变压器，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的换流变压器，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抽头分开的两段绕组串联构成的星形接线，三相输出端u、v、w与其中性点n引出并与供电负荷(5)相连，中间抽头a、b、c引出与外接的容感CL支路(7)连接，三抽头与中性点n之间的绕组便是屏蔽绕组，后者与串联绕组(3)紧密耦合，对通过的谐波电流起着安匝平衡作用，阻止谐波穿越气隙流窜到原方电网，三相绕组在三相铁心中各自同心布置，供电负荷(5)可以是三相或单相对中点n的非线性负荷，如果容量较大且计及三相负荷的不平衡，三相铁心也可改用五柱式结构，以便给零序磁通提供通路。
4、根据权利要求1所述的自耦补偿与谐波屏蔽的换流变压器，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，构成六脉波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CL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、角形绕组与原绕组(1)在圆柱铁心(4)上同心布置。
5、根据权利要求4所述的自耦补偿与谐波屏蔽换流变压器，其特征在于：延边绕组相电压Ue、延边绕组输出的相电压U2、三角形绕组相电压为Ud，三者的关系为：
Ue/Sinθ＝(Ue+Ud)/Sin(60°-θ)＝U2/Sin120°，即Ue/U2＝2 Sinθ/√3，“θ”为延边绕组产生的相位移角度。
6、根据权利要求4所述的自耦补偿与谐波屏蔽的换流变压器，其特征在于：副方为两个延边三角形，分别与各自的三相整流设备(6)连接，两个整流设备(6)含有12组晶闸管组成的换流器，构成12个脉波相，相间电位相差30°，两个延边三角形接线中的角形顶点，分别引出自耦补偿与谐波屏蔽的自耦抽头，与外加的补偿和滤波容感C-L支路(7)相连。
7、根据权利要求4或5或6所述的自耦补偿与谐波屏蔽的换流变压器，其特征在于：副方绕组的一个延边三角形相位前移15°，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Ue/U2＝0.2988，Ud/U2＝0.5177，(Ue+Ud)/U2＝0.8165。
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