專利名稱：星形－三角形接線三相變兩相和三相變三相平衡變壓器的制作方法
技術領域：
本發(fā)明屬電力變壓器技術領域。具體涉及一種應用于電氣化鐵路或工頻電爐等需要兩相或單相供電電源及變電所用三相電源的三相變兩相和三相變三相平衡變壓器。
背景技術：
傳統(tǒng)的輸配電系統(tǒng)為三相系統(tǒng)。但許多用戶需要兩相或單相供電電源，這勢必造成三相系統(tǒng)的不對稱運行，產生較大的負序電流和零序電流分量，使電網(wǎng)供電質量下降，影響其他用戶的正常供電。在電氣化鐵路牽引網(wǎng)中，采用兩相電源，其不對稱運行尤為嚴重。對于110kV及以上三相電網(wǎng)，變壓器高壓側一般均采用中性點接地運行方式，以降低變壓器電壓絕緣水平。這就要求變壓器負載所產生的高壓側中性點接地電流(零序電流)必須在允許值以內。
在牽引變電所內需要三相供電電源。為降低成本，一般采用逆Scott變壓器將變電所內兩相電壓(2×27.5kV)變換為三相電壓(10.5kV或0.4kV)，變換出的三相電壓只適合三相三線制。若需三相四線制電源，則需再采用一臺三角形-星形接線變壓器對三相電壓加以變換。也有采用單相或三相變壓器將27.5kV降為10.5kV或0.4kV的三相電壓，但這屬于不對稱運行，增加了電網(wǎng)的負序電流。
由于電氣化鐵路牽引變壓器的兩相負載為整流性負載，它將產生大量的諧波電流，使電網(wǎng)電壓波形產生畸變，不僅對通信線路產生干擾，而且還嚴重影響其它用戶的正常供電，造成諧波污染。抑制諧波電流的常規(guī)方法是在變壓器兩饋線(27.5kV)出線端加裝無源L-C濾波器，以濾除三次諧波電流為主，兼做無功補償，以提高電網(wǎng)功率因數(shù)。該濾波器需承受27.5kV的電壓，電抗器的絕緣等級較高，電容器需由多個8.4kV或6.3kV單臺電容器級聯(lián)構成，增加了保護設備投資，并增大了故障幾率，降低了運行可靠性。
對于兩相運行方式，減輕或消除負序電流和零序電流的重要方法是采用平衡變壓器。國外變壓器廠生產的平衡變壓器采用Scott接線、LeBlanc接線或Woodbridge接線等多種形式。Scott接線變壓器一次側不能引出中性點接地，材料利用率也不高；LeBlanc接線變壓器沒有三角形回路，三次諧波電流不能流通；Woodbridge接線變壓器需要兩臺所內自耦變壓器，增加了設備投資，且這些變壓器只能實現(xiàn)三相變兩相的電壓變換。國內研制的多功能平衡變壓器，既能實現(xiàn)三相變兩相的電壓變換，也能實現(xiàn)三相變三相的電壓變換。但該變壓器以等值漏阻抗作為匹配參數(shù)，滿足兩相系統(tǒng)平衡條件和三相系統(tǒng)平衡條件即等值阻抗匹配關系不統(tǒng)一，阻抗匹配困難。該變壓器二次側有7個繞組，且部分繞組還需人為進行拆分，使繞組結構十分復雜，更增加了設計和制造難度，也增加了材料成本。YN/A三相變兩相和三相變三相平衡變壓器，其基本特征與多功能平衡變壓器相似，當接入三相負載時，難以做到一次側三相電流無零序分量。另外該變壓器二次側也有7個繞組，繞組結構同樣復雜。

發(fā)明內容本發(fā)明所要解決的技術問題是針對現(xiàn)有技術存在的上述缺陷，提供一種三相柱式或三相殼式鐵芯結構的星形-三角形接線三相變兩相和三相變三相平衡變壓器，其繞組結構簡單，制造方便，材料利用率高，特別適合于同時需要兩相電源和三相電源的應用場合，如電氣化鐵路牽引變電所的主變壓器和所用變壓器的一體化設計，或同時需要三相無功補償或濾波的主變壓器。
本發(fā)明的技術方案一種星形-三角形接線三相變兩相和三相變三相平衡變壓器，包括鐵心、一次側繞組和二次側繞組，鐵心為三相柱式或三相殼式；一次側繞組由三相繞組AN、BN和CN組成，采用星形接線；二次側繞組由A相繞組ad和dc，B相繞組ba，以及C相繞組eb和ce組成，采用三角形接線；繞組ad、ba、eb和ce依次相連構成一個閉合的三角形，其連接點依次為a、b、e、c和d；一次側A、B和C構成三相系統(tǒng)，其中性點N允許接地；二次側引出a、e和b、d構成兩相系統(tǒng)；二次側引出d、e和c構成三相系統(tǒng)；一次側三相繞組的匝數(shù)均為W1；二次側繞組中，ad和eb的匝數(shù)均為W2，ba的匝數(shù)為W3，dc和ce的匝數(shù)均為W4；二次側繞組的匝數(shù)關系為W3=0.5(3+1)W2,W4=0.5(3-1)W2.]]>通過調整繞組之間距離，使之滿足下列短路阻抗關系2ZKB12′=ZKA12′+ZKA13′+(63-11)ZKA23′---(1)]]>2ZKB12′=3ZKA12′+(2-3)ZKA13′-(2-3)ZKA23′]]>式中，ZKA12′為A相一次側繞組AN與二次側繞組ad之間的短路阻抗；ZKA13′為A相一次側繞組AN與二次側繞組dc之間的短路阻抗；ZKA23′為A相二次側繞組ad與dc之間的短路阻抗；ZKB12′為B相一次側繞組BN與二次側繞組ba之間的短路阻抗；C相短路阻抗與A相短路阻抗完全相等；所有阻抗值均折算到匝數(shù)為W1的繞組一側。
式(1)可以利用多繞組變壓器理論，磁勢平衡方程，本發(fā)明的接線方式及對應的電路方程，一次側中性點電流為零的平衡條件，以及兩相系統(tǒng)互不影響的解耦條件導出。
滿足短路阻抗關系式之后，本平衡變壓器具有以下性能①二次側同時帶兩相負載和三相負載時，無論負載電流如何變化，一次側三相電流中始終無零序分量；②二次側兩相負載對稱且三相負載也對稱時，一次側三相電流也對稱，既無零序分量，也無負序分量；③二次側兩相出線端短路時，從一次側各相看去的全短路阻抗相等；一次側三相出線端對中性點短路時，從二次側兩相看去的全短路阻抗相等；④兩相系統(tǒng)實現(xiàn)完全解耦，即一相電流或負荷的變化，不會影響另一相電壓的變化。
式(1)具有普適意義。該式說明，通過調整各對繞組之間的短路阻抗值，使之滿足平衡條件，則不管負載電流如何變化，總能保證一次側電流中無零序分量，即保持電流平衡狀態(tài)。由于需要考察和確定的量為短路阻抗，該值可以計算和測量，具有確定的物理意義，這給設計和制造帶來了極大的方便。
如果以繞組的等值漏阻抗作為設計依據(jù)，則對于三繞組變壓器可通過計算或測量兩兩之間的短路阻抗得出各繞組的等值漏阻抗。對于雙繞組變壓器，由于兩繞組的等值漏阻抗不能直接分離和計算，需要人為將二次側的單個繞組分為兩個串聯(lián)的繞組，以構成三繞組變壓器，再計算各繞組的等值漏阻抗。繞組的拆分具有一定的隨意性，并增加了繞組布置空間，使得繞組的平均直徑加大，鐵心柱之間的中心距離隨之增大，由此銅材和鐵材增多，使制造成本上升。
本平衡變壓器不需要人為拆分繞組，最大限度地節(jié)省了空間布置，降低了制造成本。
本發(fā)明的兩相系統(tǒng)空載電壓大小相等，相位互差90°，其空載電壓大小為 本發(fā)明的三相系統(tǒng)d、e和c引出的空載電壓大小相等，相位互差120°，其空載電壓大小為Udc=Uec=Ude=3-16Ua]]>當Uae＝27.5kV時，三相輸出電壓為8.22kV。該電壓僅為饋線電壓的30％左右，可直接接入電壓等級為8.5kV的濾波器，或動態(tài)無功補償裝置。從d、e和c三點也可接入三相變壓器，將三相電壓降為0.4kV的所用電電壓。
故此，本發(fā)明既能實現(xiàn)三相變兩相的功能，也能實現(xiàn)三相變三相的功能。
本發(fā)明的一次側三相電流與二次側兩相負載電流和三相負載電流的關系如式(2)所示。
IAIBIC=K163+3-3+3-23-23-3+33+3IαIβ+K3-162-1-1-12-1-1-12ILaILbILc---(2)]]>式中，K＝W1/W2；IA、IB和IC為一次側三相電流，Iα和Iβ為二次側兩相負載電流，ILa、ILb和ILc為二次側三相負載電流。
式(2)表明，當兩相系統(tǒng)電流對稱(大小相等，相位互差90°)且三相系統(tǒng)電流也對稱(大小相等，相位互差120°)時，一次側三相電流完全對稱，既無零序分量，也無負序分量。
本發(fā)明采用三相柱式結構時，A相和C相鐵心柱上僅布置有3個繞組，B相鐵心柱上僅布置有2個繞組，且不必對繞組作特殊布置，也不需要再對繞組進行拆分。
本發(fā)明結構簡單，制造方便，材料成本顯著降低，設計和制造難度下降，抗短路性和運行可靠性均有較大提高。

圖1為本發(fā)明的繞組接線圖。
圖2為本發(fā)明的二次繞組電壓相量圖。
圖3為本發(fā)明采用三相柱式鐵心結構實施例示意圖。
圖4為本發(fā)明采用三相殼式鐵心結構實施例示意圖。
具體實施方式圖1中，一次側繞組由三相繞組AN、BN和CN組成，采用星形接線；二次側繞組由A相繞組ad和dc，B相繞組ba，以及C相繞組eb和ce組成，采用三角形接線；繞組ad、ba、eb和ce依次相連構成一個閉合的三角形，其連接點依次為a、b、e、c和d；一次側A、B和C構成三相系統(tǒng)，其中性點N允許接地；二次側引出a、e和b、d構成兩相系統(tǒng)；二次側引出d、e和c構成三相系統(tǒng)；一次側三相繞組的匝數(shù)均為W1；二次側繞組中，ad和eb的匝數(shù)均為W2，ba的匝數(shù)為W3，dc和ce的匝數(shù)均為W4；二次側繞組的匝數(shù)關系為W3=0.5(3+1)W2,W4=0.5(3-1)W2.]]>本發(fā)明既可實現(xiàn)三相變兩相的功能，也可實現(xiàn)三相變三相的功能若分別從A、B和C三點引入三相對稱電壓，從a、e和b、d引出兩相對稱電壓，則可實現(xiàn)三相變兩相的功能；若分別從A、B和C三點引入三相對稱電壓，從d、e和c引出三相對稱電壓，則可實現(xiàn)三相變三相的功能；若分別從a、e和b、d兩對頂點引入兩相對稱電壓，從A、B和C點引出三相對稱電壓，則可實現(xiàn)兩相變三相的功能。
圖2中，各邊長既代表繞組的匝數(shù)，也代表繞組電壓的大小。在三角形ace中，有∠cae＝15°，∠cea＝105°，∠ace＝60°
同理，在三角形bcd中，也有類似關系。
由此可見，邊ae和bd不僅大小相等，而且相互垂直，故由它們構成的兩相電壓大小相等，相位相差90°，即為一對稱兩相電壓，可向兩相負載供電。
在三角形dec中，三個角均為60°，三角形三條邊相等，故由它們構成的三相電壓大小相等，相位互差120°，即為一對稱三相電壓，可向三相負載供電。
圖3是本發(fā)明采用三相柱式鐵心結構的實施例。本實施例中，采用三相柱式鐵心，A相和C相的3個繞組布置在兩邊的心柱上，B相的2個繞組布置在中間的心柱上；A相和C相的繞組布置及結構完全相同；對于A相，繞組AN在外側，繞組ad在中間，繞組dc靠近心柱；對于C相，繞組CN在外側，繞組eb在中間，繞組ce靠近心柱；對于B相，繞組BN在外側，繞組ba靠近心柱。
對于圖3所示的三相柱式結構變壓器，為滿足短路阻抗關系式(1)，需對繞組尺寸及相互位置進行適當調整。具體實施步驟如下①根據(jù)絕緣要求確定二次側繞組dc、ba和ce與心柱之間的距離，各距離保持一致；②根據(jù)全短路阻抗值的要求確定ZKA12′的大??；③調整繞組之間的徑向或軸向距離(必要時可改變線圈軸向高度或輻向厚度)，使各對繞組之間的短路阻抗?jié)M足式(1)。調整時保持圖3的特征不變，且A、B和C三相的一次側繞組與心柱的距離一致。
圖4是本發(fā)明采用三相殼式鐵心結構的實施例。本實施例中，采用三相殼式鐵心，A相和C相的3個繞組對稱布置在鐵心兩邊的窗口上，B相的2個繞組布置在鐵心中間的窗口上；A相和C相的繞組布置及結構完全相同；所有二次側繞組均分為匝數(shù)相等的兩個線餅，同一個繞組的兩個線餅既可以串聯(lián)，也可以并聯(lián)(圖4為串聯(lián))；對于A相，繞組AN在窗口的中央，對應于繞組dc的兩個線餅靠近鐵軛，對應于繞組ad的兩個線餅在繞組AN和繞組dc的兩個線餅之間；對于C相，繞組CN布置在窗口的中央，對應于繞組ce的兩個線餅靠近鐵軛，對應于繞組eb的兩個線餅在繞組CN和繞組ce的兩個線餅之間；對于B相，繞組BN在窗口的中央，對應于繞組ba的兩個線餅靠近鐵軛。
對于圖4所示的三相殼式結構變壓器，為滿足短路阻抗關系式(1)，同樣需對繞組尺寸及相互位置進行適當調整。具體實施步驟如下①根據(jù)絕緣要求確定各繞組與心柱之間的距離，各距離保持一致；②根據(jù)全短路阻抗值的要求確定ZKA12′的大??；③調整繞組之間的距離(必要時可改變線圈軸向高度或輻向厚度)，使各對繞組之間的短路阻抗?jié)M足式(1)。調整時保持圖4的特征不變，且A、B和C三相的一次側繞組與鐵軛的距離一致。
權利要求
1.一種星形-三角形接線三相變兩相和三相變三相平衡變壓器，包括鐵心、一次側繞組和二次側繞組，其特征在于(A)鐵心為三相柱式或三相殼式；(B)一次側繞組由三相繞組AN、BN和CN組成，采用星形接線；二次側繞組由A相繞組ad和dc，B相繞組ba，以及C相繞組eb和ce組成，采用三角形接線；繞組ad、ba、eb和ce依次相連構成一個閉合的三角形，其連接點依次為a、b、e、c和d；一次側A、B和C構成三相系統(tǒng)，其中性點N允許接地；二次側引出a、e和b、d構成兩相系統(tǒng)；二次側引出d、e和c構成三相系統(tǒng)；一次側三相繞組的匝數(shù)均為W1；二次側繞組中，ad和eb的匝數(shù)均為W2，ba的匝數(shù)為W3，dc和ce的匝數(shù)均為W4；二次側繞組的匝數(shù)關系為W3=0.5(3+1)W2,W4=0.5(3-1)W2.]]>
2.根據(jù)權利要求1所述的三相變兩相和三相變三相平衡變壓器，其特征在于通過調整繞組之間距離，使之滿足下列短路阻抗關系2ZKB12′=ZKA12′+ZKB13′+(63-11)ZKB23′]]>2ZKB12′=3ZKA12′+(2-3)ZKA13′-(2-3)ZKA23′]]>式中，ZKA12′為A相一次側繞組AN與二次側繞組ad之間的短路阻抗；ZKA13′為A相一次側繞組AN與二次側繞組dc之間的短路阻抗；ZKA23′為A相二次側繞組ad與dc之間的短路阻抗；ZKB12′為B相一次側繞組BN與二次側繞組ba之間的短路阻抗；C相短路阻抗與A相短路阻抗完全相等；所有阻抗值均折算到匝數(shù)為W1的繞組一側。
3.根據(jù)權利要求2所述的三相變兩相和三相變三相平衡變壓器，其特征在于采用三相柱式鐵心，A相和C相的3個繞組布置在兩邊的心柱上，B相的2個繞組布置在中間的心柱上；A相和C相的繞組布置及結構完全相同；對于A相，繞組AN在外側，繞組ad在中間，繞組dc靠近心柱；對于C相，繞組CN在外側，繞組eb在中間，繞組ce靠近心柱；對于B相，繞組BN在外側，繞組ba靠近心柱。
4.根據(jù)權利要求2所述的三相變兩相和三相變三相平衡變壓器，其特征在于采用三相殼式鐵心，A相和C相的3個繞組對稱布置在鐵心兩邊的窗口上，B相的2個繞組布置在鐵心中間的窗口上；A相和C相的繞組布置及結構完全相同；所有二次側繞組均分為匝數(shù)相等的兩個線餅，同一個繞組的兩個線餅串聯(lián)或并聯(lián)；對于A相，繞組AN在窗口的中央，對應于繞組dc的兩個線餅靠近鐵軛，對應于繞組ad的兩個線餅在繞組AN和繞組dc的兩個線餅之間；對于C相，繞組CN布置在窗口的中央，對應于繞組ce的兩個線餅靠近鐵軛，對應于繞組eb的兩個線餅在繞組CN和繞組ce的兩個線餅之間；對于B相，繞組BN在窗口的中央，對應于繞組ba的兩個線餅靠近鐵軛。
全文摘要
一種星形－三角形接線三相變兩相和三相變三相平衡變壓器，鐵心為三相柱式或三相殼式；一次側三相繞組采用星形接線，其中性點允許接地；二次側繞組由A相繞組ad和dc，B相繞組ba，以及C相繞組eb和ce組成，采用三角形接線；繞組ad、ba、eb和ce依次相連構成一個閉合的三角形，其連接點依次為a、b、e、c和d；一次側A、B和C構成三相系統(tǒng)；二次側引出a、e和b、d構成兩相系統(tǒng)；二次側引出d、e和c構成三相系統(tǒng)；二次側繞組中，ad和eb的匝數(shù)均為W
文檔編號H01F27/28GK1819078SQ20061003128
公開日2006年8月16日 申請日期2006年3月2日 優(yōu)先權日2006年3月2日
發(fā)明者張志文, 王耀南 申請人:湖南大學