CN1202538C - 一种三相变两相平衡变压器 - Google Patents

Abstract

一种三相变两相平衡变压器，由铁心、一次侧三相星形连接绕组、二次侧延边三角形连接绕组、油箱和散热器构成；铁心为三相心式或三相壳式；A相和C相对称布置在两边的心柱或窗口上，两相的一次侧绕组同二次侧绕组之间的短路阻抗相等，B相绕组ad和eb关于BY对称，关于by也对称；通过调整绕组之间，特别是B相四个绕组之间的径向或轴向距离，使绕组之间的短路阻抗满足以下关系：(+1)Z_by-BY+(6+2)Z_ad-BY-(3-)Z_by-ad＝4Z，(-1)Z_by-BY+(14+6)Z_ad-BY-(-1)Z_by-ad-(6+2)Z_ad-eb＝4Z。式中，Z_by-BY表示绕组by与绕组BY之间的短路阻抗，且为向绕组by的折算值，其余类似，Z为折算到二次侧的A相或C相短路阻抗。

Description

一种三相变两相平衡变压器

技术领域

本发明属电力变压器技术领域，具体地说，涉及一种应用于电气化铁道的三相变两相平衡变压器。

背景技术

我国近年来研制了一种三相变两相平衡变压器(专利申请号：92107152.3)，文献中称为阻抗匹配平衡变压器或

接线平衡变压器。因为阻抗匹配并不是这种变压器所特有的，任何接线形式的平衡变压器要达到理想的技术要求一般都需要阻抗满足一定的关系式，即，实现一定的阻抗匹配，本发明称这种三相变两相平衡变压器为

接线平衡变压器。 接线平衡变压器采用三相柱式铁心，一次侧绕组为三相星形连接，二次侧绕组为延边三角形连接，一次侧绕组AX、BY和CZ的匝数相等，匝数记为ω₁，二次侧三角形连接绕组ax、by和cz匝数相等，匝数记为ω₂，二次侧B相外加的两延边绕组ad和eb的匝数分别记为ω₃和ω₄。这种平衡变压器已由云南变压器电气股份有限公司生产，并在我国电气化铁道上投入使用。

最近的一篇文献(张志文，刘福生等，阻抗匹配平衡变压器的电量变换和运行计算，电工技术学报，Vol.15，No.2，2000)在已有专利的基础上，对

接线平衡变压器进行了多方面的讨论，反映了当前的技术现状，有关的结论和计算公式已用于指导变压器的设计制造和电气化铁道供电***的分析计算。然而，变压器的设计制造和运行实践证明，当前的技术存在缺陷，实际制造的

接线平衡变压器在二次侧两相等值阻抗相等和消除一次侧中性点零序电流方面存在矛盾，不能兼顾。实测表明，一次侧中性点接地运行时，中性点零序电流可达额定相电流的6％～8％，对电力***继电保护的正常运行造成不利影响，并且容易产生通信干扰。

设计制造 接线平衡变压器的技术关键是实现一定的阻抗匹配，当前已有的阻抗匹配技术主要结论如下：(1)一次侧三相等值漏阻抗相等，即Z_BI＝Z_I，其中Z_BI为B相一次侧绕组等值漏阻抗，Z_I为A相或C相一次侧绕组等值漏阻抗；(2)B相二次侧三角形绕组的等值漏阻抗 $Z_{\mathrm{BII}}=(\sqrt{3}+1)Z_{\mathrm{II}},$ 其中Z_II为A相或C相二次侧绕组等值漏阻抗；(3)B相两延边绕组的等值漏阻抗Z_ad＝Z_eb＝σZ_II，两者之间的等值互感漏阻抗Z_P＝τZ_II，应使 $\mathrm{\σ}=\mathrm{\τ}=(3-\sqrt{3})/6.$ 由于A相或C相的一次侧绕组等值漏阻抗和二次侧绕组等值漏阻抗是无法严格分开计算和测量的，并且在等值意义上，二者的划分具有任意性，但二者之和所表示的短路阻抗固定不变，这使得这些已有结论对变压器设计制造的指导意义受限。另外，结论(3)要求绕组ad和eb完全耦合，实际上不能做到，由此会得出不可能设计出理想的

接线平衡变压器的结论。实践也证明，按现有技术方案制造出的变压器性能不够理想，特别是二次侧负荷引起的一次侧中性点零序电流比较大。

发明内容

本发明针对已有技术的缺陷，提供 接线平衡变压器的阻抗匹配技术，设计制造出性能更加完美的

接线平衡变压器，并把这种接线平衡变压器扩展到包括壳式铁心变压器，已有的技术仅包括心式铁心变压器。

本发明的技术方案：

一种三相变两相平衡变压器，称为 接线平衡变压器，由铁心、一次侧绕组、二次侧绕组、油箱和散热器构成；铁心为三相柱式或三相壳式；可以为升压型，也可以为降压型；一次侧三相绕组AX、BY和CZ匝数相等，为星形连接，二次侧为延边三角形连接，三相绕组ax、by和cz匝数相等，匝数记为ω₂，连接成三角形，B相外加两延边绕组αd和eb，匝数记为ω₃和ω₄， ${\mathrm{\ω}}_3={\mathrm{\ω}}_4=(\sqrt{3}-1){\mathrm{\ω}}_2/2;$ 其特征在于，通过调整B相四个绕组之间的径向或轴向距离，使绕组之间的短路阻抗满足以下关系：

$(\sqrt{3}+1)Z_{\mathrm{by}-\mathrm{BY}}+(6+2\sqrt{3})Z_{\mathrm{ad}-\mathrm{BY}}-(3-\sqrt{3})Z_{\mathrm{by}-\mathrm{ad}}=4Z$

$(\sqrt{3}-1)Z_{\mathrm{by}-\mathrm{BY}}+(14+6\sqrt{3})Z_{\mathrm{ad}-\mathrm{BY}}-(\sqrt{3}-1)Z_{\mathrm{by}-\mathrm{ad}}-(6+2\sqrt{3})Z_{\mathrm{ad}-\mathrm{eb}}=4Z$

式中，Z_by-BY表示绕组by与绕组BY之间的短路阻抗，且为向绕组by的折算值；Z_ad-BY表示绕组ad与绕组BY之间的短路阻抗，且为向绕组ad的折算值；Z_by-ad表示绕组by与绕组ad之间的短路阻抗，且为向绕组by的折算值；Z_ad-eb表示绕组ad与绕组eb之间的短路阻抗，且为向绕组ad的折算值；Z为折算到二次侧的A相或C相短路阻抗。

接线平衡变压器核心技术在于适当布置绕组实现阻抗匹配。

接线平衡变压器实现一定阻抗匹配的目的是使其达到理想三相变两相平衡变压器的要求，即：在一次侧施加三相对称电压时，只要二次侧两相端口的负荷相等(幅值和功率因数都相等)，则二次侧两相端口电压保持幅值相等、相位相差90°，并且一次侧三相电流对称。为使变压器满足这一要求，提出三个技术条件：(1)一次侧施加三相对称电压，二次侧空载时，两相端口电压幅值相等、相位相差90°；(2)若一次侧中性点抽出，则中性点接地运行时，二次侧两相端口的负荷不会在一次侧引起零序电流；(3)从二次侧两相端口向变压器看，两相等值阻抗相等，并且两相之间是解耦的，互阻抗为零。这三个技术条件适用于所有三相变两相平衡变压器。针对

接线平衡变压器绕组的接线，对于条件(1)，要求实现绕组匝数关系的匹配，即， ${\mathrm{\ω}}_3={\mathrm{\ω}}_4=(\sqrt{3}-1){\mathrm{\ω}}_2/2.$ 考虑到对称性，采用三相柱式铁心时，A相和C相对称布置在两边的心柱上，B相四个绕组布置在中间的心柱上；A相和C相均为两绕组结构，使两相一次侧绕组同二次侧绕组之间的短路阻抗相等；并且使绕组ad和eb关于BY对称，关于by也对称；同时，为保证一次侧励磁特性相同，一次侧三相绕组AX、BY和CZ匝到各自心柱的径向距离相等。采用三相壳式铁心时，A相和C相对称布置在两边的窗口上，使两相一次侧绕组同二次侧绕组之间的短路阻抗相等，同时B相四个绕组布置在中间的窗口上，并且使绕组ad和eb关于BY对称，关于by也对称。对于条件(2)、(3)，本发明提供两个基于绕组之间短路阻抗的阻抗匹配关系式，阻抗匹配关系式 $\left(1\right)---(\sqrt{3}+1)Z_{\mathrm{by}-\mathrm{BY}}+(6+2\sqrt{3})Z_{\mathrm{ad}-\mathrm{BY}}-(3-\sqrt{3})Z_{\mathrm{by}-\mathrm{ad}}=4Z$ 和阻抗匹配关系式 $\left(2\right)---(\sqrt{3}-1)Z_{\mathrm{by}-\mathrm{BY}}+(14+6\sqrt{3})Z_{\mathrm{ad}-\mathrm{BY}}-(\sqrt{3}-1)Z_{\mathrm{by}-\mathrm{ad}}-(6+2\sqrt{3})Z_{\mathrm{ad}-\mathrm{eb}}=4Z,$ 这两个关系式中，Z_by-BY表示绕组by与绕组BY之间的短路阻抗，且为向绕组by的折算值，其余类似，Z为折算到二次侧的A相或C相短路阻抗。

下面给出得到这两个阻抗匹配关系式的推导过程：忽略励磁电流时，描述变压器运行特性的方程共有三组。第一组方程为磁势平衡方程

式中， 定向为从端子A到端子X，

定向为从端子B到端子Y， 定向为从端子C到端子Z，

定向为从端子a到端子x， 定向为从端子b到端子y， 定向为从端子c到端子z， 定向为从端子a到端子d，

定向为从端子e到端子b。第二1组方程为绕组接线方程

第三组为以多绕组变压器理论为基础的电压传递方程

式中

$Z_{213}=\frac{1}{2}(Z_{\mathrm{by}-\mathrm{BY}}+Z_{\mathrm{by}-\mathrm{ad}}-Z_{\mathrm{BY}-\mathrm{ad}}^{\left(2\right)})$

$Z_{214}=\frac{1}{2}(Z_{\mathrm{by}-\mathrm{BY}}+Z_{\mathrm{by}-\mathrm{eb}}-Z_{\mathrm{BY}-\mathrm{eb}}^{\left(2\right)})$

$Z_{312}=\frac{1}{2}(Z_{\mathrm{ad}-\mathrm{BY}}+Z_{\mathrm{ad}-\mathrm{by}}-Z_{\mathrm{BY}-\mathrm{by}}^{\left(3\right)})$

$Z_{314}=\frac{1}{2}(Z_{\mathrm{ad}-\mathrm{BY}}+Z_{\mathrm{ad}-\mathrm{eb}}-Z_{\mathrm{BY}-\mathrm{eb}}^{\left(3\right)})$

$Z_{412}=\frac{1}{2}(Z_{\mathrm{eb}-\mathrm{BY}}+Z_{\mathrm{eb}-\mathrm{by}}-Z_{\mathrm{BY}-\mathrm{by}}^{\left(4\right)})$

$Z_{413}=\frac{1}{2}(Z_{\mathrm{eb}-\mathrm{BY}}+Z_{\mathrm{eb}-\mathrm{ad}}-Z_{\mathrm{BY}-\mathrm{ad}}^{\left(4\right)})$

Z_AX-ax为绕组AX与绕组ax之间的短路阻抗，且为向绕组AX的折算值；式(1)、(2)、(3)中，各电压、电流和阻抗的上标(i)表示该物理量按绕组匝数向ω_i进行折算，如，

${\stackrel{\·}{U}}_{\mathrm{ax}}^{\left(1\right)}=\frac{{\mathrm{\ω}}_1}{{\mathrm{\ω}}_2}{\stackrel{\·}{U}}_{\mathrm{ax}},$ ${\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{ax}}^{\left(1\right)}=\frac{{\mathrm{\ω}}_2}{{\mathrm{\ω}}_1}{\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{ax}},$ $Z_{213}^{\left(1\right)}=\frac{{\mathrm{\ω}}_1^2}{{\mathrm{\ω}}_2^2}{Z}_{213;}$ 其余类似。

以上述三组方程为基础，求解出一次侧中性点零序电流同二次侧两相负荷电流之间的转移系数，令其为零，得到阻抗匹配关系式(1)。以上述三组方程为基础，求解二次侧两相端口之间的等值互阻抗，令其为零，得到阻抗匹配关系式(2)。

因此，本发明的效果是，阻抗匹配关系式(1)得到满足时，即使一次侧中性点接地运行，二次侧两相负荷也不会在一次侧引起零序电流；阻抗匹配关系式(2)得到满足时，二次侧两相之间是解耦的，互阻抗为零，一相负荷的变化，甚至短路，不会影响另一相的端口电压。当 接线平衡变压器，满足阻抗匹配关系式(1)和(2)，其性能就是完美的。实际设计制造中，由于变压器的绕组布置还受绝缘、散热等方面的限制，即使不能做到完全阻抗匹配，也应尽可能接近，让阻抗匹配关系式(1)和(2)近似成立。

附图说明

图1为

接线平衡变压器的绕组接线图

图2为采用三相柱式铁心的 接线平衡变压器

图3为采用三相壳式铁心的

接线平衡变压器

图1中，AX为A相一次侧绕组，ax为A相二次侧绕组，BY为B相一次侧绕组，by为B相二次侧三角形绕组，ad和eb为B相二次侧两延边绕组，CZ为C相一次侧绕组，cz为C相二次侧绕组，一次侧AX、BY、CZ连接成星形，X、Y和Z连接在一起构成中性点O，二次侧ax、by和cz连接成三角形，其中a与y相连，b与z相连，c与x相连。

图2中，采用三相柱式铁心，三相高压绕组AX、BY和CZ布置在外侧，二次侧三角形绕组ax、by和cz靠铁心布置，B相两延边绕组ad和eb布置在绕组BY和by之间，绕组端子按图1进行连接。

图3中，采用三相壳式铁心，三相高压绕组AX、BY和CZ布置在窗口中间，二次侧三角形绕组ax、by和cz都分成两个匝数相等的串联线饼，靠两侧铁心布置，B相两延边绕组ad和eb也都分成两个匝数相等的串联线饼，交错布置在绕组BY两边，绕组端子按图1进行连接。

具体实施方式

图2是采用三相柱式铁心的

接线三相变两相平衡变压器，为实现阻抗匹配关系式(1)和阻抗匹配关系式(2)，要求对变压器的绕组进行合理布置：A相和C相对称布置在两边的心柱上，B相四个绕组布置在中间的心柱上；一次侧三相绕组AX、BY和CZ到各自心柱的径向距离相等；A相和C相均为两绕组结构，A相绕组AX同绕组ax之间的径向距离与C相绕组CZ同绕组cz之间的径向距离相等，两相一次侧绕组同二次侧绕组之间的短路阻抗相等；B相两延边绕组ad和eb布置在绕组BY和by之间，绕组ad和eb关于BY对称，关于by也对称。

下面就如何通过调整绕组之间的相对位置实现阻抗匹配进行说明。步骤1.由于三相一次侧高压绕组AX、BY和CZ安匝数相等，为使三相的励磁阻抗也相等或近似相等，三相高压绕组采用相同的绕组结构，并且距离各自铁心柱的径向距离相等。步骤2.根据变压器的总短路阻抗要求确定A相和C相二次侧绕组的径向位置，从而确定了阻抗匹配关系式(1)和(2)中的Z。步骤3.调整绕组by同BY以及ad和eb同BY的径向距离，使阻抗匹配关系式(1)得到成立或近似成立。步骤4.调整绕组ad同eb之间的轴向距离，使阻抗匹配关系式(2)得到成立或近似成立。步骤5.返回步骤3和步骤4进行微调，直至两个阻抗匹配关系式都成立或近似成立。若经反复调整，效果仍不理想时，可改变绕组ad、eb的结构，比如让二者分段交错布置。实际上，阻抗匹配关系式(1)和(2)是理论要求，在具体设计制造变压器过程中，允许存在一定误差。

下面结合采用三相壳式铁心的降压型 接线三相变两相平衡变压器进行进一步说明(图3)。采用三相壳式铁心，绕组一般为饼式；A相和C相对称布置在两边的窗口上，两相一次侧绕组同二次侧绕组之间的短路阻抗相等；B相四个绕组布置在中间的窗口上，绕组ad和eb关于BY对称，关于by也对称；一次侧三相高压绕组AX、BY和CZ布置在各自窗口中间，三个绕组均为一个线饼；二次侧三角形绕组ax、by和cz都分成两个匝数相等的线饼，靠各自窗口两侧铁心布置，两个线饼可以串联连接，也可以并联连接(在图3的实施例中为串联连接)；B相两个延边绕组ad和eb也都分成两个匝数相等的线饼，交错布置在绕组BY两边，两个线饼可以串联连接，也可以并联连接(在图3的实施例中为串联连接)。采用三相壳式铁心时，靠改变绕组线饼之间的轴向距离来改变绕组之间的短路阻抗，从而实现阻抗匹配关系式(1)和阻抗匹配关系式(2)。

Claims (3)

1.一种三相变两相平衡变压器，由铁心、一次侧绕组、二次侧绕组、油箱和散热器构成；铁心为三相柱式或三相壳式；可以为升压型，也可以为降压型；一次侧三相绕组AX、BY和CZ匝数相等，为星形连接，二次侧为延边三角形连接，三相绕组ax、by和cz匝数相等，匝数记为ω₂，连接成三角形，B相外加两延边绕组ad和eb，匝数记为ω₃和 ${\mathrm{\ω}}_4,{\mathrm{\ω}}_3={\mathrm{\ω}}_4=(\sqrt{3}-1){\mathrm{\ω}}_2/2;$ 其特征在于，通过调整B相四个绕组之间的径向或轴向距离，使绕组之间的短路阻抗满足以下关系：

$(\sqrt{3}+1)Z_{\mathrm{by}-\mathrm{BY}}+(6+2\sqrt{3})Z_{\mathrm{ad}-\mathrm{BY}}-(3-\sqrt{3})Z_{\mathrm{by}-\mathrm{ad}}=4Z$

$(\sqrt{3}-1)Z_{\mathrm{by}-\mathrm{BY}}+(14+6\sqrt{3})Z_{\mathrm{ad}-\mathrm{BY}}-(\sqrt{3}-1)Z_{\mathrm{by}-\mathrm{ad}}-(6+2\sqrt{3})Z_{\mathrm{ad}-\mathrm{eb}}=4Z$

式中，Z_by-BY表示绕组by与绕组BY之间的短路阻抗，且为向绕组by的折算值；Z_ad-NY表示绕组ad与绕组BY之间的短路阻抗，且为向绕组ad的折算值；Z_by-ad表示绕组by与绕组ad之间的短路阻抗，且为向绕组by的折算值；Z_ad-eb表示绕组ad与绕组eb之间的短路阻抗，且为向绕组ad的折算值；Z为折算到二次侧的A相或C相短路阻抗。

2.根据权利要求1所述的三相变两相平衡变压器，其特征是，采用三相柱式铁心，A相和C相对称布置在两边的心柱上，B相四个绕组布置在中间的心柱上；一次侧三相绕组AX、BY和CZ到各自心柱的径向距离相等；A相和C相均为两绕组结构，两相一次侧绕组同二次侧绕组之间的短路阻抗相等；绕组ad和eb关于BY对称，关于by也对称。

3.根据权利要求1所述的三相变两相平衡变压器，其特征是，采用三相壳式铁心，A相和C相对称布置在两边的窗口上，两相一次侧绕组同二次侧绕组之间的短路阻抗相等；B相四个绕组布置在中间的窗口上，绕组ad和eb关于BY对称，关于by也对称；一次侧三相高压绕组AX、BY和CZ布置在各自窗口中间，二次侧三角形绕组ax、by和cz都分成两个匝数相等的线饼，靠各自窗口两侧铁心布置，两个线饼可以串联连接，也可以并联连接；B相两延边绕组ad和eb也都分成两个匝数相等的线饼，交错布置在绕组BY两边，两个线饼可以串联连接，也可以并联连接。

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