CN1819078A - 星形－三角形接线三相变两相和三相变三相平衡变压器 - Google Patents

Abstract

一种星形－三角形接线三相变两相和三相变三相平衡变压器，铁心为三相柱式或三相壳式；一次侧三相绕组采用星形接线，其中性点允许接地；二次侧绕组由A相绕组ad和dc，B相绕组ba，以及C相绕组eb和ce组成，采用三角形接线；绕组ad、ba、eb和ce依次相连构成一个闭合的三角形，其连接点依次为a、b、e、c和d；一次侧A、B和C构成三相系统；二次侧引出a、e和b、d构成两相系统；二次侧引出d、e和c构成三相系统；二次侧绕组中，ad和eb的匝数均为W₂，ba的匝数为W₃，dc和ce的匝数均为W₄；二次侧绕组的匝数关系为。绕组短路阻抗需满足一定关系。本变压器结构简单，制造方便，适合于同时需要两相电源和三相电源的应用场合。

Description

星形-三角形接线三相变两相和三相变三相平衡变压器

【技术领域】

本发明属电力变压器技术领域。具体涉及一种应用于电气化铁路或工频电炉等需要两相或单相供电电源及变电所用三相电源的三相变两相和三相变三相平衡变压器。

【背景技术】

传统的输配电系统为三相系统。但许多用户需要两相或单相供电电源，这势必造成三相系统的不对称运行，产生较大的负序电流和零序电流分量，使电网供电质量下降，影响其他用户的正常供电。在电气化铁路牵引网中，采用两相电源，其不对称运行尤为严重。对于110kV及以上三相电网，变压器高压侧一般均采用中性点接地运行方式，以降低变压器电压绝缘水平。这就要求变压器负载所产生的高压侧中性点接地电流(零序电流)必须在允许值以内。

在牵引变电所内需要三相供电电源。为降低成本，一般采用逆Scott变压器将变电所内两相电压(2×27.5kV)变换为三相电压(10.5kV或0.4kV)，变换出的三相电压只适合三相三线制。若需三相四线制电源，则需再采用一台三角形-星形接线变压器对三相电压加以变换。也有采用单相或三相变压器将27.5kV降为10.5kV或0.4kV的三相电压，但这属于不对称运行，增加了电网的负序电流。

由于电气化铁路牵引变压器的两相负载为整流性负载，它将产生大量的谐波电流，使电网电压波形产生畸变，不仅对通信线路产生干扰，而且还严重影响其它用户的正常供电，造成谐波污染。抑制谐波电流的常规方法是在变压器两馈线(27.5kV)出线端加装无源L-C滤波器，以滤除三次谐波电流为主，兼做无功补偿，以提高电网功率因数。该滤波器需承受27.5kV的电压，电抗器的绝缘等级较高，电容器需由多个8.4kV或6.3kV单台电容器级联构成，增加了保护设备投资，并增大了故障几率，降低了运行可靠性。

对于两相运行方式，减轻或消除负序电流和零序电流的重要方法是采用平衡变压器。国外变压器厂生产的平衡变压器采用Scott接线、LeBlanc接线或Woodbridge接线等多种形式。Scott接线变压器一次侧不能引出中性点接地，材料利用率也不高；LeBlanc接线变压器没有三角形回路，三次谐波电流不能流通；Woodbridge接线变压器需要两台所内自耦变压器，增加了设备投资，且这些变压器只能实现三相变两相的电压变换。国内研制的多功能平衡变压器，既能实现三相变两相的电压变换，也能实现三相变三相的电压变换。但该变压器以等值漏阻抗作为匹配参数，满足两相系统平衡条件和三相系统平衡条件即等值阻抗匹配关系不统一，阻抗匹配困难。该变压器二次侧有7个绕组，且部分绕组还需人为进行拆分，使绕组结构十分复杂，更增加了设计和制造难度，也增加了材料成本。YN/A三相变两相和三相变三相平衡变压器，其基本特征与多功能平衡变压器相似，当接入三相负载时，难以做到一次侧三相电流无零序分量。另外该变压器二次侧也有7个绕组，绕组结构同样复杂。

【发明内容】

本发明所要解决的技术问题是针对现有技术存在的上述缺陷，提供一种三相柱式或三相壳式铁芯结构的星形-三角形接线三相变两相和三相变三相平衡变压器，其绕组结构简单，制造方便，材料利用率高，特别适合于同时需要两相电源和三相电源的应用场合，如电气化铁路牵引变电所的主变压器和所用变压器的一体化设计，或同时需要三相无功补偿或滤波的主变压器。

本发明的技术方案：

一种星形-三角形接线三相变两相和三相变三相平衡变压器，包括铁心、一次侧绕组和二次侧绕组，铁心为三相柱式或三相壳式；一次侧绕组由三相绕组AN、BN和CN组成，采用星形接线；二次侧绕组由A相绕组ad和dc，B相绕组ba，以及C相绕组eb和ce组成，采用三角形接线；绕组ad、ba、eb和ce依次相连构成一个闭合的三角形，其连接点依次为a、b、e、c和d；一次侧A、B和C构成三相系统，其中性点N允许接地；二次侧引出a、e和b、d构成两相系统；二次侧引出d、e和c构成三相系统；一次侧三相绕组的匝数均为W₁；二次侧绕组中，ad和eb的匝数均为W₂，ba的匝数为W₃，dc和ce的匝数均为W₄；二次侧绕组的匝数关系为 $W_3=0.5(\sqrt{3}+1)W_2,W_4=0.5(\sqrt{3}-1)W_2.$

通过调整绕组之间距离，使之满足下列短路阻抗关系

${2Z}_{\mathrm{KB}12}^{\′}=Z_{\mathrm{KA}12}^{\′}+Z_{\mathrm{KA}13}^{\′}+(6\sqrt{3}-11)Z_{\mathrm{KA}23}^{\′}---\left(1\right)$

${2Z}_{\mathrm{KB}12}^{\′}={\sqrt{3}Z}_{\mathrm{KA}12}^{\′}+{(2-\sqrt{3})Z}_{\mathrm{KA}13}^{\′}-(2-\sqrt{3})Z_{\mathrm{KA}23}^{\′}$

式中，Z_KA12′为A相一次侧绕组AN与二次侧绕组ad之间的短路阻抗；Z_KA13′为A相一次侧绕组AN与二次侧绕组dc之间的短路阻抗；Z_KA23′为A相二次侧绕组ad与dc之间的短路阻抗；Z_KB12′为B相一次侧绕组BN与二次侧绕组ba之间的短路阻抗；C相短路阻抗与A相短路阻抗完全相等；所有阻抗值均折算到匝数为W₁的绕组一侧。

式(1)可以利用多绕组变压器理论，磁势平衡方程，本发明的接线方式及对应的电路方程，一次侧中性点电流为零的平衡条件，以及两相系统互不影响的解耦条件导出。

满足短路阻抗关系式之后，本平衡变压器具有以下性能：①二次侧同时带两相负载和三相负载时，无论负载电流如何变化，一次侧三相电流中始终无零序分量；②二次侧两相负载对称且三相负载也对称时，一次侧三相电流也对称，既无零序分量，也无负序分量；③二次侧两相出线端短路时，从一次侧各相看去的全短路阻抗相等；一次侧三相出线端对中性点短路时，从二次侧两相看去的全短路阻抗相等；④两相系统实现完全解耦，即一相电流或负荷的变化，不会影响另一相电压的变化。

式(1)具有普适意义。该式说明，通过调整各对绕组之间的短路阻抗值，使之满足平衡条件，则不管负载电流如何变化，总能保证一次侧电流中无零序分量，即保持电流平衡状态。由于需要考察和确定的量为短路阻抗，该值可以计算和测量，具有确定的物理意义，这给设计和制造带来了极大的方便。

如果以绕组的等值漏阻抗作为设计依据，则对于三绕组变压器可通过计算或测量两两之间的短路阻抗得出各绕组的等值漏阻抗。对于双绕组变压器，由于两绕组的等值漏阻抗不能直接分离和计算，需要人为将二次侧的单个绕组分为两个串联的绕组，以构成三绕组变压器，再计算各绕组的等值漏阻抗。绕组的拆分具有一定的随意性，并增加了绕组布置空间，使得绕组的平均直径加大，铁心柱之间的中心距离随之增大，由此铜材和铁材增多，使制造成本上升。

本平衡变压器不需要人为拆分绕组，最大限度地节省了空间布置，降低了制造成本。

本发明的两相系统空载电压大小相等，相位互差90°，其空载电压大小为

本发明的三相系统d、e和c引出的空载电压大小相等，相位互差120°，其空载电压大小为

$U_{\mathrm{dc}}=U_{\mathrm{ec}}=U_{\mathrm{de}}=\frac{\sqrt{3}-1}{\sqrt{6}}{U}_a$

当U_ae＝27.5kV时，三相输出电压为8.22kV。该电压仅为馈线电压的30％左右，可直接接入电压等级为8.5kV的滤波器，或动态无功补偿装置。从d、e和c三点也可接入三相变压器，将三相电压降为0.4kV的所用电电压。

故此，本发明既能实现三相变两相的功能，也能实现三相变三相的功能。

本发明的一次侧三相电流与二次侧两相负载电流和三相负载电流的关系如式(2)所示。

$\left[\begin{array}{c}{I}_A\\ I_B\\ I_C\end{array}\right]=K\frac{1}{6}\left[\begin{array}{cc}3+\sqrt{3}& -3+\sqrt{3}\\ -2\sqrt{3}& -2\sqrt{3}\\ -3+\sqrt{3}& 3+\sqrt{3}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{I}_{\mathrm{\α}}\\ I_{\mathrm{\β}}\end{array}\right]+K\frac{\sqrt{3}-1}{6}\left[\begin{array}{ccc}2& -1& -1\\ -1& 2& -1\\ -1& -1& 2\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{I}_{\mathrm{La}}\\ I_{\mathrm{Lb}}\\ I_{\mathrm{Lc}}\end{array}\right]---\left(2\right)$

式中，K＝W₁/W₂；I_A、I_B和I_C为一次侧三相电流，I_α和I_β为二次侧两相负载电流，I_La、I_Lb和I_Lc为二次侧三相负载电流。

式(2)表明，当两相系统电流对称(大小相等，相位互差90°)且三相系统电流也对称(大小相等，相位互差120°)时，一次侧三相电流完全对称，既无零序分量，也无负序分量。

本发明采用三相柱式结构时，A相和C相铁心柱上仅布置有3个绕组，B相铁心柱上仅布置有2个绕组，且不必对绕组作特殊布置，也不需要再对绕组进行拆分。

本发明结构简单，制造方便，材料成本显著降低，设计和制造难度下降，抗短路性和运行可靠性均有较大提高。

【附图说明】

图1为本发明的绕组接线图。

图2为本发明的二次绕组电压相量图。

图3为本发明采用三相柱式铁心结构实施例示意图。

图4为本发明采用三相壳式铁心结构实施例示意图。

【具体实施方式】

图1中，一次侧绕组由三相绕组AN、BN和CN组成，采用星形接线；二次侧绕组由A相绕组ad和dc，B相绕组ba，以及C相绕组eb和ce组成，采用三角形接线；绕组ad、ba、eb和ce依次相连构成一个闭合的三角形，其连接点依次为a、b、e、c和d；一次侧A、B和C构成三相系统，其中性点N允许接地；二次侧引出a、e和b、d构成两相系统；二次侧引出d、e和c构成三相系统；一次侧三相绕组的匝数均为W₁；二次侧绕组中，ad和eb的匝数均为W₂，ba的匝数为W₃，dc和ce的匝数均为W₄；二次侧绕组的匝数关系为

$W_3=0.5(\sqrt{3}+1)W_2,W_4=0.5(\sqrt{3}-1)W_2.$

本发明既可实现三相变两相的功能，也可实现三相变三相的功能：

若分别从A、B和C三点引入三相对称电压，从a、e和b、d引出两相对称电压，则可实现三相变两相的功能；

若分别从A、B和C三点引入三相对称电压，从d、e和c引出三相对称电压，则可实现三相变三相的功能；

若分别从a、e和b、d两对顶点引入两相对称电压，从A、B和C点引出三相对称电压，则可实现两相变三相的功能。

图2中，各边长既代表绕组的匝数，也代表绕组电压的大小。在三角形ace中，有

∠cae＝15°，∠cea＝105°，∠ace＝60°

同理，在三角形bcd中，也有类似关系。

由此可见，边ae和bd不仅大小相等，而且相互垂直，故由它们构成的两相电压大小相等，相位相差90°，即为一对称两相电压，可向两相负载供电。

在三角形dec中，三个角均为60°，三角形三条边相等，故由它们构成的三相电压大小相等，相位互差120°，即为一对称三相电压，可向三相负载供电。

图3是本发明采用三相柱式铁心结构的实施例。本实施例中，采用三相柱式铁心，A相和C相的3个绕组布置在两边的心柱上，B相的2个绕组布置在中间的心柱上；A相和C相的绕组布置及结构完全相同；对于A相，绕组AN在外侧，绕组ad在中间，绕组dc靠近心柱；对于C相，绕组CN在外侧，绕组eb在中间，绕组ce靠近心柱；对于B相，绕组BN在外侧，绕组ba靠近心柱。

对于图3所示的三相柱式结构变压器，为满足短路阻抗关系式(1)，需对绕组尺寸及相互位置进行适当调整。具体实施步骤如下：①根据绝缘要求确定二次侧绕组dc、ba和ce与心柱之间的距离，各距离保持一致；②根据全短路阻抗值的要求确定Z_KA12′的大小；③调整绕组之间的径向或轴向距离(必要时可改变线圈轴向高度或辐向厚度)，使各对绕组之间的短路阻抗满足式(1)。调整时保持图3的特征不变，且A、B和C三相的一次侧绕组与心柱的距离一致。

图4是本发明采用三相壳式铁心结构的实施例。本实施例中，采用三相壳式铁心，A相和C相的3个绕组对称布置在铁心两边的窗口上，B相的2个绕组布置在铁心中间的窗口上；A相和C相的绕组布置及结构完全相同；所有二次侧绕组均分为匝数相等的两个线饼，同一个绕组的两个线饼既可以串联，也可以并联(图4为串联)；对于A相，绕组AN在窗口的中央，对应于绕组dc的两个线饼靠近铁轭，对应于绕组ad的两个线饼在绕组AN和绕组dc的两个线饼之间；对于C相，绕组CN布置在窗口的中央，对应于绕组ce的两个线饼靠近铁轭，对应于绕组eb的两个线饼在绕组CN和绕组ce的两个线饼之间；对于B相，绕组BN在窗口的中央，对应于绕组ba的两个线饼靠近铁轭。

对于图4所示的三相壳式结构变压器，为满足短路阻抗关系式(1)，同样需对绕组尺寸及相互位置进行适当调整。具体实施步骤如下：①根据绝缘要求确定各绕组与心柱之间的距离，各距离保持一致；②根据全短路阻抗值的要求确定Z_KA12′的大小；③调整绕组之间的距离(必要时可改变线圈轴向高度或辐向厚度)，使各对绕组之间的短路阻抗满足式(1)。调整时保持图4的特征不变，且A、B和C三相的一次侧绕组与铁轭的距离一致。

Claims (4)

1、一种星形-三角形接线三相变两相和三相变三相平衡变压器，包括铁心、一次侧绕组和二次侧绕组，其特征在于：

(A)铁心为三相柱式或三相壳式；

(B)一次侧绕组由三相绕组AN、BN和CN组成，采用星形接线；二次侧绕组由A相绕组ad和dc，B相绕组ba，以及C相绕组eb和ce组成，采用三角形接线；绕组ad、ba、eb和ce依次相连构成一个闭合的三角形，其连接点依次为a、b、e、c和d；一次侧A、B和C构成三相系统，其中性点N允许接地；二次侧引出a、e和b、d构成两相系统；二次侧引出d、e和c构成三相系统；一次侧三相绕组的匝数均为W₁；二次侧绕组中，ad和eb的匝数均为W₂，ba的匝数为W₃，dc和ce的匝数均为W₄；二次侧绕组的匝数关系为

$W_3=0.5(\sqrt{3}+1)W_2,W_4=0.5(\sqrt{3}-1)W_2.$

2、根据权利要求1所述的三相变两相和三相变三相平衡变压器，其特征在于：

通过调整绕组之间距离，使之满足下列短路阻抗关系

$2Z_{\mathrm{KB}12}^{\′}=Z_{\mathrm{KA}12}^{\′}+Z_{\mathrm{KB}13}^{\′}+(6\sqrt{3}-11)Z_{\mathrm{KB}23}^{\′}$

$2Z_{\mathrm{KB}12}^{\′}=\sqrt{3}{Z}_{\mathrm{KA}12}^{\′}+(2-\sqrt{3})Z_{\mathrm{KA}13}^{\′}-(2-\sqrt{3})Z_{\mathrm{KA}23}^{\′}$

式中，Z_KA12′为A相一次侧绕组AN与二次侧绕组ad之间的短路阻抗；Z_KA13′为A相一次侧绕组AN与二次侧绕组dc之间的短路阻抗；Z_KA23′为A相二次侧绕组ad与dc之间的短路阻抗；Z_KB12′为B相一次侧绕组BN与二次侧绕组ba之间的短路阻抗；C相短路阻抗与A相短路阻抗完全相等；所有阻抗值均折算到匝数为W₁的绕组一侧。

3、根据权利要求2所述的三相变两相和三相变三相平衡变压器，其特征在于：采用三相柱式铁心，A相和C相的3个绕组布置在两边的心柱上，B相的2个绕组布置在中间的心柱上；A相和C相的绕组布置及结构完全相同；对于A相，绕组AN在外侧，绕组ad在中间，绕组dc靠近心柱；对于C相，绕组CN在外侧，绕组eb在中间，绕组ce靠近心柱；对于B相，绕组BN在外侧，绕组ba靠近心柱。

4、根据权利要求2所述的三相变两相和三相变三相平衡变压器，其特征在于：采用三相壳式铁心，A相和C相的3个绕组对称布置在铁心两边的窗口上，B相的2个绕组布置在铁心中间的窗口上；A相和C相的绕组布置及结构完全相同；所有二次侧绕组均分为匝数相等的两个线饼，同一个绕组的两个线饼串联或并联；对于A相，绕组AN在窗口的中央，对应于绕组dc的两个线饼靠近铁轭，对应于绕组ad的两个线饼在绕组AN和绕组dc的两个线饼之间；对于C相，绕组CN布置在窗口的中央，对应于绕组ce的两个线饼靠近铁轭，对应于绕组eb的两个线饼在绕组CN和绕组ce的两个线饼之间；对于B相，绕组BN在窗口的中央，对应于绕组ba的两个线饼靠近铁轭。

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