CN201975222U - 不对称接线平衡变压器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种不对称接线平衡变压器，该变压器包括铁芯、一次侧绕组和二次侧绕组，其特征在于，一次侧绕组采用Y型接线，其中性点N允许接地，一次侧匝数均为W₁；二次侧绕组中，A相绕组由ea和ab两个绕组组成，B相绕组由bc一个绕组组成，C相绕组由dc和ca两个绕组组成；ab、bc、ca和dc绕组的匝数均为W₂，ea绕组的匝数为W₃，

ab、ca和ea绕组以a点为公共点连接；ca、bc和dc绕组以c点为公共点连接；ab和bc以b点为公共点连接；2个空载电压U_eb和U_db相等，且相位相差90°。该不对称接线平衡变压器的二次侧采用互不对称的绕组结构，生产实施方便，综合性能优良，结构简单，材料利用率高。

Description

不对称接线平衡变压器

技术领域

本实用新型属于电力变压器领域，涉及一种不对称接线平衡变压器，应用于电气化铁路或工频电炉等领域。

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者单相供电电源，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，从而使电网供电质量下降，影响其他用户正常供电。在电气化铁路牵引网中，由于也采用两相电源，其不对称运行尤为严重。对于110KV及以上的三相电网，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。

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就是采用平衡变压器。目前生产的平衡变压器，国外有Scott接线、LeBlanc接线或Woodbridge接线三种基本的形式。

1)Scott接线变压器高压侧不能引出中性接地点，材料利用率也不高，由于变压器高低压侧没有三角形回路，因此磁通及电压中含有三次谐波分量，影响电压波形，并给沿线通信带来干扰。Scott接线用于AT连接时，其两相侧需按55KV设计，使成本升高。另外，绕组和铁芯结构复杂；

2)LeBlanc接线变压器一次侧接成三角形，消除了三次谐波磁通的影响，但高压侧没有中性点，需要按全绝缘设计，增加了成本，用于AT供电时，由于低压侧两相没有公共点，需要增加两台容量为主变压器容量一半的自耦变压器，使整体投资增加。

3)对于Woodbridge接线，高压侧中性点可以直接接地，高压绕组可以按分级绝缘(相电压)设计，在低压侧有三角形回路，但低压侧两相出线，无公共点，故需两台所内自耦变压器(AT)，从而极大地增加了设备投资。

国产的平衡变压器主要有阻抗匹配平衡变压器和YN/A变压器两种形式。阻抗匹配平衡变压器高压侧中性点可以直接接地，低压侧有三角形回路，两相出线有公共点，可引出接铁轨。但该变压器阻抗匹配较困难，需人为将a相(或c相)低压绕组进行拆分，以满足等值阻抗的匹配关系，b相两延边低压绕组需做交叉布置，并要求耦合紧密，以降低两延边绕组间的相互影响，故绕组结构复杂。若用于AT供电设计，则b相铁芯柱上将布置7个绕组，即一个高压绕组，6个低压绕组。低压绕组中4个均要作交叉布置，使设计上难以实现，故该种变压器只能用于直供和BT供电方式【BT供电方式是指吸流变压器供电。AT供电方式是指自耦变压器供电方式。AT供电相比BT供电和直供有优势：主要是供电电压等级高，对通讯的干扰少等。这是通用的专有名词。】。YN/A平衡变压器其基本特性与阻抗匹配平衡变压器相同，也只能用于直供和BT供电方式。

值得注意的是，现有的三相变两相平衡变压器都要求二次侧绕组为两相或三相绕组对称(本文所提的对称是指绕组匝数、阻抗和布置形式都相同)，这给生产实施带来了难度，而且实际运行中，特别是短路时绕组受到很大的电动力的作用而产生形变，实际上生产和运行中很难保证对称性，因此产品的最终应用性能受到很大的影响。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题是提出一种不对称接线平衡变压器，该不对称接线平衡变压器的二次侧采用互不对称的绕组结构，生产实施方便，综合性能优良，结构简单，材料利用率高。

本实用新型的技术解决方案如下：

一种不对称接线平衡变压器，包括铁芯、一次侧绕组和二次侧绕组，一次侧绕组采用Y型接线，其中性点N允许接地，一次侧绕组匝数均为W₁；

二次侧绕组中，A相绕组由ab和ea两个绕组组成，B相绕组为bc绕组，C相绕组由ca和dc两个绕组组成；

ab、ca、dc和bc绕组的匝数均为W₂，ea绕组的匝数为W₃，

ab、ca和ea绕组以a点为公共点连接；ca、bc和dc绕组以c点为公共点连接；ab和bc以b点为公共点连接；

ab、ca、dc、ea和bc绕组按照上述连接方式形成一个不对称绕组模块，b点为不对称绕组模块的模块公共点；

2个空载电压U_eb和U_db相等，且相位相差_90°，U_eb和U_db中任一个或两个作为二次侧绕组的电压输入或电压输出。

铁芯为三相柱式铁芯或者三相壳式铁芯。

一种不对称接线平衡变压器，包括铁芯、一次侧绕组和二次侧绕组，其特征在于，二次侧绕组由两个权利要求1或2所述的不对称绕组模块对顶连接而成，所述的对顶连接为2个不对称绕组模块的2个模块公共点相接；2个模块公共点的连接点记为o；两个所述的不对称绕组模块对顶连接后，在二次侧绕组的外围形成4个接线点，依次为：a1、b1、c1和d1；

二次侧绕组由a1、c1和b1、d1引出两相大小相等、相位相差_90°的对称电压：U_a1c1和U_b1d1，构成两相系统；或由a1o、b1o、c1o和d1o得到四相大小相同的对称电压。

或者采用另一种方式实现三相变两相或三相变四项平衡变压器：采用两台权利要求1或2所述的不对称接线平衡变压器即基本型三相变两相平衡变压器，将2个基本型三相变两相平衡变压器的二次侧绕组从外部对顶连接，所述的对顶连接是指2个基本型三相变两相平衡变压器二次侧绕组的2个公共点b相连。

本实用新型的技术路线如下：

一种新型不对称接线牵引平衡变压器，包括铁芯、一次侧绕组和二次侧绕组，铁芯为三相柱式或者三相壳式；一次侧绕组由三相绕组AN，BN，CN组成，采用星形接线；二次侧绕组由A相绕组ea和ab，B相绕组bc以及C相绕组dc和ca组成，接线简单。绕组ab、bc、ca构成闭合的三角形，构成三次谐波电流的通路；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e、b和d、b构成两相系统，b点为两相系统的公共点。可同时或单独向外供电；一次侧三相绕组的匝数均为W₁；二次侧绕组中，ab，bc，ca，dc绕组匝数均为W₂，ea的匝数为W₃。其中

可以看出，A相二次侧两个绕组，匝数分别为W₂，W₃；B相二次侧只有一个绕组，匝数为W₂，C相二次侧两个绕组，匝数都为W₂。二次绕组匝数和结构互不对称。

通过调整绕组之间的距离(关于通过调整绕组满足以下公式的阻抗关系，为现有技术中的常用技术手段，这一点在变压器设计时完全可以保证)，使之满足下列阻抗关系

$\left\{\begin{array}{c}{Z}_{\mathrm{KB}12}^{\′}-Z_C^{\′}=0\\ 2Z_{\mathrm{KB}12}^{\′}-2Z_A^{\′}+(1-\sqrt{3})Z_{a2}^{\′}+Z_{c2}^{\′}=0\\ 2Z_A^{\′}-\frac{\sqrt{3}-3}{3}{Z}_{a2}^{\′}-(2\sqrt{3}-4)Z_{a3}^{\′}-Z_{\mathrm{KB}12}^{\′}-Z_C^{\′}-Z_{c3}^{\′}=0\end{array}\right.---\left(1\right)$

式中，Z′_KB12为B相一次侧绕组BN与二次侧绕组bc之间的短路阻抗；Z′_A为A相一次侧绕组AN的等值阻抗；Z′_C为C相一次侧绕组CN的等值阻抗；Z′_a2为A相二次侧绕组ab的等值阻抗，Z′_c2为C相二次侧绕组ca的等值阻抗；Z′_a3为A相二次侧绕组ea的等值阻抗；Z′_c3为C相二次侧绕组dc的等值阻抗，所有阻抗值均归算到匝数为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，本实用新型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。

满足阻抗关系式(1)之后，本平衡变压器具有以下性能：①二次侧带两相负载时，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。通过调整各绕组之间的等值阻抗值或者全短路阻抗值，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。对于B相绕组，虽然为双绕组，但只需得到其短路阻抗，无需人为拆分，最大限度的节省了空间布置，降低了制造成本。对于A相和C相，等值阻抗可以通过短路阻抗计算得到，设计和计算十分方便。而且，生产加工时无需考虑绕组对称的问题，给实施带来方便。

本实用新型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

$U_{\mathrm{eb}}=(1+\sqrt{3}-1)U_{\mathrm{ab}}=\sqrt{3}{U}_{\mathrm{ab}}$

本实用新型的一次侧三相电流与二次侧两相负载电流的关系如式(2)所示。

$\left[\begin{array}{c}{\stackrel{\·}{I}}_A\\ {\stackrel{\·}{I}}_B\\ {\stackrel{\·}{I}}_C\end{array}\right]=\frac{1}{K}\left[\begin{array}{cc}\frac{-\sqrt{3}}{3}& 1\\ \frac{2\sqrt{3}}{3}& 0\\ \frac{-\sqrt{3}}{3}& -1\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{\α}}\\ {\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{\β}}\end{array}\right]---\left(2\right)$

其中， $K=\frac{W_1}{W_2}$

由式(2)可知，当两相电流对称(大小相等，相位相差_90°)时，一次侧三相电流也对称，既无零序分量，亦无负序分量。

有益效果：

本实用新型的不对称接线平衡变压器，巧妙地利用二次侧三相绕组的匝数比例关系，在二次侧获得了2相大小相同，且相差90度的电压输出(或反过来作为电压输入)，对其进行进一步扩展，即采用2个不对称绕组模块对顶连接的接线方式，或者采用两台三相变两相平衡变压器，外部对顶连接的接线方式，可以同时得到4个对称的单相电压。一次侧有中性接地点，二次侧有三次谐波电流回路【即二次侧中ab、bc和ca三个绕组形成的三角形接线回路】，消除了三次谐波磁通的影响，改善了电压波形。本实用新型的综合铜材料利用率能达到94.57％。

本实用新型采用三相柱式结构时，B相铁芯柱上仅布置有2个绕组，A相铁芯柱C相铁芯柱上仅布置3个绕组，且不必对绕组做特殊布置，也不需要对绕组进行人为拆分，因此易于生产实施。

本实用新型综合性能优良、结构简单，材料成本低，生产时无需考虑二次侧绕组结构和参数的对称，设计和制作难度低，抗短路性和运行可靠性均有很大提高。

本实用新型特别适合用于在电气化铁路牵引变电所作为主变压器，或其他需要两相或单相工频电源的场合，如工频电炉供电电源等。

本实用新型的不对称接线平衡变压器，其二次侧采用互不对称的绕组结构，使得产品最终性能得到保障，既能用于BT供电和直供方式，又能用于AT供电方式和四相输电系统，生产实施方便，综合性能优良，结构简单，材料利用率高，适合于需要四相、两相或单相电源。

附图说明

图1为本实用新型的绕组接线图；其中，图a为一次侧绕组接线图，图b为二次侧绕组接线图。

图2为本实用新型的二次侧绕组电压相量图。

图3为本实用新型采用三相柱式铁芯结构实施示意图。

图4为本实用新型采用三相壳式铁芯结构实施示意图。

图5为本实用新型二次侧绕组对顶连接适用于AT供电方式的绕组接线图，其中，图a为一次侧绕组接线图，图b为二次侧绕组接线图。

图6为二次侧绕组对顶连接方式二次侧绕组电压相量图。

图7为图1连接方式下二次侧带两相平衡负载时一次侧三相电流波形图，图a为一次侧三相电流波形，图b为三相电流的零序分量，图c为三相电流的负序分量。

图8为图1连接方式下二次侧带两相不平衡负载时一次侧三相电流波形图，图a为一次侧三相电流波形，图b为三相电流的零序分量。

图9为图5连接方式下二次侧带四相平衡负载时一次侧三相电流波形图，图a为一次侧三相电流波形，图b三相电流的零序分量，图c为三相电流的负序分量。

图10为图5连接方式下二次侧带四相不平衡负载时一次侧三相电流波形图，图a为一次侧三相电流波形，图b为三相电流的零序分量。

具体实施方式

以下将结合附图和具体实施例对本实用新型做进一步详细说明：

实施例1：

在图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ab和ea，B相绕组bc，以及C相绕组ca和dc组成。其中ab，bc，ca连接成闭合的三角形，构成三次谐波电流的通路。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e、b和d、b构成两相系统，可同时或单独向外供电；【单相供电直接在e、b两点接电阻性负责；两相供电则d、b两点同时也接上负载。b点是公共点，不叫接地点。】一次侧三相绕组的匝数均为W₁，二次侧绕组ab、bc、ca和dc的匝数均为W₂，ea的匝数为W₃。二次侧绕组的匝数关系为

本实用新型既可以实现三相变两相的功能，也可实现两相变三相的功能；若分别从A、B和C三点引入三相对称电压，从e、b和d、b引出两相对称电压，则可实现三相变两相的功能；

若从e、b和d、b引入两相对称电压，从A、B和C三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，也代表绕组空载电压的大小。

从图2可见，eb和db垂直，且

$U_{\mathrm{eb}}=(1+\sqrt{3}-1)U_{\mathrm{bc}}=\sqrt{3}{U}_{\mathrm{ab}}$

这说明从eb和db引出的两相电压大小相等，相位相差_90°，为一两相对称电压。

图3是本实用新型采用三相柱式铁芯结构的实施例。本实施例中，采用三相柱式铁芯，A相和C相的3个绕组布置在铁芯两边的芯柱上，B相的2个绕组布置在中间的芯柱上；A相、B相和C相互不对称；对于A相，绕组AN在外侧，绕组ea和ab靠近芯柱，并关于绕组AN作上下布置；对于C相，绕组CN在外侧，绕组dc和ca靠近芯柱，并关于绕组CN作上下布置；对于B相，绕组BN在外侧，绕组bc靠近芯柱。

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)，可以对绕组尺寸及相互位置进行适当调整，无需考虑三相之间绕组结构和参数的对称性。具体实施步骤如下：①根据绝缘要求确定二次侧绕组ea，ab，bc，ca和dc与芯柱之间的距离；②根据全短路阻抗值的要求确定Z′_KB12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)，使各绕组的等值阻抗满足式(1)。调整时保持图3的特征不变。

图4是本实用新型采用三相壳式铁芯结构的实施例。在本实施例中，B相的2个绕组对称布置在中间的窗口上，A相和C相的3个绕组布置在铁芯两边的窗口上。A相、B相和C相的二次侧绕组互不对称，所有的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ea的两个线饼靠近铁轭，对应于绕组ab的两个线饼在绕组AN和绕组ea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bc的两个线饼靠近铁轭，并关于绕组BN对称；对于C相，绕组CN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ca的两个线饼在绕组CN和绕组dc的两个线饼之间。

对于图4所示的三相壳式结构变压器，为满足阻抗关系式(1)，同样需要对绕组尺寸及相互位置进行适当调整，无需考虑三相之间绕组结构和参数的对称性。具体实施步骤如下：①根据绝缘要求确定各绕组和芯柱之间的距离；②根据全短路阻抗值的要求确定Z′_KB12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)，使各绕组的等值阻抗满足式(1)。调整时保持图4的特征不变。

图7是本接线两相侧带平衡负载时一次侧电流波形图。图7.a表明三相电流波形均匀，为对称三相波形，图7.b和图7.c表明三相电流既无零序电流分量，也无负序电流分量。

图8是本接线两相侧带不平衡负载时一次侧电流波形图。图8.a表明三相电流因为存在负序电流分量而不再对称，图8.b表明虽然负载不平衡，但三相电流中零序电流分量依然为零。

实施例2：

若将二次侧绕组对顶连接，其中点为o点。则可以从a1、c1和b1、d1得到对称的两相系统。还可以从a1o、b1o、c1o和d1o得到对称的四相系统。

参见图5和图6，一次侧中性点允许接地，二次侧由a1、c1和b1、d1引出两相大小相等，相位相差_90°的对称电压，构成两相系统。同时也能由a1o、b1o、c1o和d1o得到四相对称电压，实现三相变四相的功能。

图9为本接线四相侧带平衡负载时一次侧三相电流波形图。图9.a表明三相电流波形均匀，为对称三相波形，图9.b和图9.c表明三相电流既无零序电流分量，也无负序电流分量

图10是本接线四相侧带不平衡负载时一次侧电流波形图。图10.a表明三相电流因为存在负序电流分量而不再对称，图10.b表明虽然负载不平衡，但三相电流中零序电流分量依然为零。

Claims (3)

1.一种不对称接线平衡变压器，包括铁芯、一次侧绕组和二次侧绕组，其特征在于，一次侧绕组采用Y型接线，其中性点N允许接地，一次侧绕组匝数均为W₁；

二次侧绕组中，A相绕组由ab和ea两个绕组组成，B相绕组为bc绕组，C相绕组由ca和dc两个绕组组成；

ab、ca、dc和bc绕组的匝数均为W₂，ea绕组的匝数为W₃，

ab、ca和ea绕组以a点为公共点连接；ca、bc和dc绕组以c点为公共点连接；ab和bc以b点为公共点连接；

ab、ca、dc、ea和bc绕组按照上述连接方式形成一个不对称绕组模块，b点为不对称绕组模块的模块公共点；

2个空载电压U_eb和U_db相等，且相位相差_90°，U_eb和U_db中任一个或两个作为二次侧绕组的电压输入或电压输出。

2.根据权利要求1所述的不对称接线平衡变压器，其特征在于，铁芯为三相柱式铁芯或者三相壳式铁芯。

3.一种不对称接线平衡变压器，包括铁芯、一次侧绕组和二次侧绕组，其特征在于，二次侧绕组由两个权利要求1或2所述的不对称绕组模块对顶连接而成，所述的对顶连接为2个不对称绕组模块的2个模块公共点相接；2个模块公共点的连接点记为o；两个所述的不对称绕组模块对顶连接后，在二次侧绕组的外围形成4个接线点，依次为：a1、b1、c1和d1；

二次侧绕组由a1、c1和b1、d1引出两相大小相等、相位相差90°的对称电压：Ua1c1和Ub1d1，构成两相系统；或由a1o、b1o、c1o和d1o得到四相大小相同的对称电压。

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