專利名稱：星形－梯形接線三相變兩相平衡變壓器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬電力變壓器技術(shù)領(lǐng)域。具體涉及一種應(yīng)用于電氣化鐵道或工頻電爐等需要兩相或單相供電電源的三相變兩相平衡變壓器。
背景技術(shù)：
傳統(tǒng)的輸配電系統(tǒng)為三相系統(tǒng)。但許多用戶需要單相或兩相供電電源。這勢必造成三相系統(tǒng)的不對稱運行，產(chǎn)生較大的負序電流和零序電流分量，使電網(wǎng)供電質(zhì)量下降，影響其他用戶的正常供電。在電氣化鐵道牽引網(wǎng)中，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(cè)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(chǎn)生的高壓側(cè)中性點接地電流(零序電流)必須在允許值以內(nèi)。
減輕或消除負序電流和零序電流的重要方法是采用三相-兩相平衡變壓器接線方式。國外變壓器廠生產(chǎn)的平衡變壓器采用Scott接線、LeBlanc接線或Woodbridge接線等多種形式。Scott接線平衡變壓器銅材利用率為92.8％，鐵芯材料利用率為87.9％，銅鐵材綜合利用率為81.6％。Scoot接線變壓器高壓側(cè)中性點不能接地，高壓繞組要按全絕緣(線電壓)設(shè)計，使成本升高；由于變壓器高低壓側(cè)沒有三角形回路，因此磁通及電壓中含有三次諧波分量，影響電壓波形，并給沿線通信帶來干擾。另外，繞組和鐵芯結(jié)構(gòu)復雜，材料利用率不高，使其應(yīng)用受到很大限制。LeBlanc接線平衡變壓器材料利用率為84.5％。高壓側(cè)為三角形接法，消除了三次諧波磁通的影響，但高壓側(cè)需按全絕緣設(shè)計，增加了成本。Woodbridge及其變形接線高壓側(cè)中性點可以直接接地，高壓繞組可按分級絕緣(相電壓)設(shè)計，在低壓側(cè)有三角形回路。但低壓側(cè)兩相出線無公共點，故需增設(shè)兩臺所內(nèi)自耦變壓器(AT)，使整體固定投資增加。國內(nèi)目前用于電氣化鐵路的國產(chǎn)平衡牽引變壓器主要有兩種，即阻抗匹配平衡變壓器和YN/A平衡變壓器。阻抗匹配平衡變壓器銅材利用率為91.95％。該變壓器高壓側(cè)中性點可直接接地，低壓側(cè)有三角形回路，兩相出線有公共點，可引出接鐵軌，但該變壓器阻抗匹配較困難，需人為將a相低壓繞組進行拆分，以滿足等值阻抗的匹配關(guān)系。b相兩延邊低壓繞組需作交叉布置，并要求耦合緊密，以降低兩延邊繞組間的相互影響，故繞組結(jié)構(gòu)復雜。若用于AT供電設(shè)計，則B相鐵芯柱上將布置有7個繞組，即1個高壓繞組，6個低壓繞組。低壓繞組中的4個均需作交叉布置，使設(shè)計上難以實現(xiàn)。故該種變壓器只能用于直供和BT供電方式。YN/A平衡變壓器銅材利用率在90.46％～91.57％之間變化，其基本特性與阻抗匹配平衡變壓器相同，也只能用于直供和BT供電方式。另外，尚有多種接線方式的三相變兩相平衡變壓器，因為繞組復雜，材料利用率低等原因未見產(chǎn)品實施和應(yīng)用。

發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是針對現(xiàn)有技術(shù)存在的上述缺陷，提供一種綜合性能優(yōu)良，結(jié)構(gòu)簡單，制造方便，材料利用率為100％，適合于需要兩相或單相電源的星形-梯形接線三相變兩相平衡變壓器。
本發(fā)明的技術(shù)方案為一種星形-梯形接線三相變兩相平衡變壓器，包括鐵心、一次側(cè)繞組和二次側(cè)繞組，鐵心為三相柱式或三相殼式；一次側(cè)繞組由三相繞組AN、BN和CN組成，采用星形接線；二次側(cè)繞組由A相繞組ad，B相繞組ba和ed，以及C相繞組eb組成，采用梯形接線；繞組ad、ba、eb和ed依次相連構(gòu)成一個閉合的梯形，其連接點依次為a、b、e和d；一次側(cè)A、B和C構(gòu)成三相系統(tǒng)，其中性點N允許接地；二次側(cè)引出a、e和b、d構(gòu)成兩相系統(tǒng)，可同時或單獨向外供電；一次側(cè)三相繞組的匝數(shù)均為W1；二次側(cè)繞組中，ad和eb的匝數(shù)均為W2，ba的匝數(shù)為W3，ed的匝數(shù)為W4；二次側(cè)繞組的匝數(shù)關(guān)系為W3=0.5(3+1)W2,]]>W4=0.5(3-1)W2.]]>通過調(diào)整繞組之間距離，使之滿足下列短路阻抗關(guān)系ZKA12′=2+34ZKB12′+2-34ZKB13′-14ZKB23′---(1)]]>ZKA12′=34ZKB12′+14ZKB13′-14ZKB23′]]>式中，ZKA12′為A相一次側(cè)繞組AN與二次側(cè)繞組ad之間的短路阻抗；ZKB12′為B相一次側(cè)繞組BN與二次側(cè)繞組ba之間的短路阻抗；ZKB13′為B相一次側(cè)繞組BN與二次側(cè)繞組ed之間的短路阻抗；ZKB23′為B相二次側(cè)繞組ba與ed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(cè)。
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(yīng)的電路方程，一次側(cè)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(guān)系式之后，本平衡變壓器具有以下性能①二次側(cè)帶兩相負載時，無論負載電流如何變化，一次側(cè)三相電流中始終無零序分量；②二次側(cè)兩相負載對稱時，一次側(cè)三相電流也對稱，既無零序分量，也無負序分量；③二次側(cè)兩相出線端短路時，從一次側(cè)各相看去的全短路阻抗相等；一次側(cè)三相出線端對中性點短路時，從二次側(cè)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(diào)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(cè)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(shè)計和制造帶來了極大的方便。
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)明的一次側(cè)三相電流與二次側(cè)兩相負載電流的關(guān)系如式(2)所示。
IAIBIC=16K3+33-3-23-233-33+3IαIβ---(2)]]>式中，K＝W1/W2由式(2)可知，當兩相電流對稱(大小相等，相位相差90°)時，一次側(cè)三相電流也對稱，既無零序分量，亦無負序分量。
本發(fā)明二次側(cè)同相繞組的電流同相位。由于電流沒有產(chǎn)生任何相移，故本發(fā)明材料利用率可達100％。
本發(fā)明采用三相柱式結(jié)構(gòu)時，A相和C相鐵心柱上僅布置有2個繞組，B相鐵心柱上僅布置有3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)明綜合性能優(yōu)良、結(jié)構(gòu)簡單，材料成本顯著降低，設(shè)計和制造難度下降，抗短路性和運行可靠性均有很大提高。
本發(fā)明特別適合于用在電氣化鐵路牽引變電所作為主變壓器，或其他需要兩相或單相工頻電源的場合，如工頻電爐供電電源等。

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(jié)構(gòu)實施例示意圖。
圖4為本發(fā)明采用三相殼式鐵心結(jié)構(gòu)實施例示意圖。
具體實施方式圖1中，一次側(cè)繞組由三相繞組AN、BN和CN組成，采用星形接線；二次側(cè)繞組由A相繞組ad，B相繞組ba和ed，以及C相繞組eb組成，采用梯形接線；繞組ad、ba、eb和ed依次相連構(gòu)成一個閉合的梯形，其連接點依次為a、b、e和d；一次側(cè)A、B和C構(gòu)成三相系統(tǒng)，其中性點N允許接地；二次側(cè)引出a、e和b、d構(gòu)成兩相系統(tǒng)，可同時或單獨向外供電；一次側(cè)三相繞組的匝數(shù)均為W1；二次側(cè)繞組中，ad和eb的匝數(shù)均為W2，ba的匝數(shù)為W3，ed的匝數(shù)為W4；二次側(cè)繞組的匝數(shù)關(guān)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)兩相變?nèi)嗟墓δ苋舴謩e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、e和b、d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?nèi)嗟墓δ堋?br> 圖2中，各邊長既代表繞組的匝數(shù)，也代表繞組空載電壓的大小。
從圖2可見，在三角形ade中，∠dae＝15°，∠dea＝45，∠ade＝120°且對應(yīng)于邊ae的電壓為 同理，在三角形bed中，對應(yīng)邊bd的電壓為 且邊ae垂直于邊bd。這說明從ae和bd所引出的兩相電壓大小相等，相位相差90°，為一兩相對稱電壓。
圖3是本發(fā)明采用三相柱式鐵心結(jié)構(gòu)的實施例。本實施例中，采用三相柱式鐵心，A相和C相的2個繞組布置在鐵心兩邊的心柱上，B相的3個繞組布置在中間的心柱上；A相和C相的繞組布置及結(jié)構(gòu)完全相同；對于A相，繞組AN在外側(cè)，繞組ad靠近心柱；對于C相，繞組CN在外側(cè)，繞組eb靠近心柱；對于B相，繞組BN在外側(cè)，繞組ba和ed靠近心柱，并關(guān)于繞組BN作上下對稱布置。
對于圖3所示的三相柱式結(jié)構(gòu)變壓器，為滿足短路阻抗關(guān)系式(1)，需對繞組尺寸及相互位置進行適當調(diào)整。具體實施步驟如下①根據(jù)絕緣要求確定二次側(cè)繞組ad、ba、ed和eb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(diào)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(diào)整時保持圖3的特征不變，且A、B和C三相的一次側(cè)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(jié)構(gòu)的實施例。本實施例中，A相和C相的2個繞組對稱布置在鐵心兩邊的窗口上，B相的3個繞組布置在中間的窗口上；A相和C相的繞組布置及結(jié)構(gòu)完全相同；所有二次側(cè)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(yīng)于繞組ad的兩個線餅靠近鐵軛，并關(guān)于繞組AN對稱；對于B相，繞組BN在窗口的中央，對應(yīng)于繞組ba和ed的兩個線餅布置在繞組BN的兩旁，并關(guān)于繞組BN作左右交錯對稱布置；對于C相，繞組CN在窗口的中央，對應(yīng)于繞組eb的兩個線餅靠近鐵軛，并關(guān)于繞組CN對稱。
對于圖4所示的三相殼式結(jié)構(gòu)變壓器，為滿足短路阻抗關(guān)系式(1)，同樣需對繞組尺寸及相互位置進行適當調(diào)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?。虎壅{(diào)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(diào)整時保持圖4的特征不變，且A、B和C三相的一次側(cè)繞組與鐵軛的距離一致。
權(quán)利要求
1.一種星形-梯形接線三相變兩相平衡變壓器，包括鐵心、一次側(cè)繞組和二次側(cè)繞組，其特征在于(A)鐵心為三相柱式或三相殼式；(B)一次側(cè)繞組由三相繞組AN、BN和CN組成，采用星形接線；二次側(cè)繞組由A相繞組ad，B相繞組ba和ed，以及C相繞組eb組成，采用梯形接線；繞組ad、ba、eb和ed依次相連構(gòu)成一個閉合的梯形，其連接點依次為a、b、e和d；一次側(cè)A、B和C構(gòu)成三相系統(tǒng)，其中性點N允許接地；二次側(cè)引出a、e和b、d構(gòu)成兩相系統(tǒng)，可同時或單獨向外供電；一次側(cè)三相繞組的匝數(shù)均為W1；二次側(cè)繞組中，ad和eb的匝數(shù)均為W2，ba的匝數(shù)為W3，ed的匝數(shù)為W4；二次側(cè)繞組的匝數(shù)關(guān)系為W3=0.5(3+1)W2,W4=0.5(3-1)W2.]]>
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的三相變兩相平衡變壓器，其特征在于通過調(diào)整繞組之間距離，使之滿足下列短路阻抗關(guān)系ZKA12′=2+34ZKB12′+2-34ZKB13′-14ZKB23′]]>ZKA12′=34ZKB12′+14ZKB13′-14ZKB23′]]>式中，ZKA12′為A相一次側(cè)繞組AN與二次側(cè)繞組ad之間的短路阻抗；ZKB12′為B相一次側(cè)繞組BN與二次側(cè)繞組ba之間的短路阻抗；ZKB13′為B相一次側(cè)繞組BN與二次側(cè)繞組ed之間的短路阻抗；ZKB23′為B相二次側(cè)繞組ba與ed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(cè)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的三相變兩相平衡變壓器，其特征在于采用三相柱式鐵心，A相和C相的2個繞組布置在鐵心兩邊的心柱上，B相的3個繞組布置在中間的心柱上；A相和C相的繞組布置及結(jié)構(gòu)完全相同；對于A相，繞組AN在外側(cè)，繞組ad靠近心柱；對于C相，繞組CN在外側(cè)，繞組eb靠近心柱；對于B相，繞組BN在外側(cè)，繞組ba和ed靠近心柱，并關(guān)于繞組BN作上下對稱布置。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的三相變兩相平衡變壓器，其特征在于采用三相殼式鐵心，A相和C相的2個繞組對稱布置在鐵心兩邊的窗口上，B相的3個繞組布置在中間的窗口上；A相和C相的繞組布置及結(jié)構(gòu)完全相同；所有二次側(cè)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(yīng)于繞組ad的兩個線餅靠近鐵軛，并關(guān)于繞組AN對稱；對于B相，繞組BN在窗口的中央，對應(yīng)于繞組ba和ed的兩個線餅布置在繞組BM的兩旁，并關(guān)于繞組BN作左右交錯對稱布置；對于C相，繞組CN在窗口的中央，對應(yīng)于繞組eb的兩個線餅靠近鐵軛，并關(guān)于繞組CN對稱。
全文摘要
一種星形－梯形接線三相變兩相平衡變壓器，鐵心為三相柱式或三相殼式；一次側(cè)繞組由三相繞組AN、BN和CN組成，采用星形接線，允許中性點接地；二次側(cè)繞組由A相繞組ad，B相繞組ba和ed，以及C相繞組eb組成，采用梯形接線；繞組ad、ba、eb和ed依次相連構(gòu)成一個閉合的梯形，其連接點依次為a、b、e和d；一次側(cè)A、B和C構(gòu)成三相系統(tǒng)；二次側(cè)引出a、e和b、d構(gòu)成兩相系統(tǒng)，可同時或單獨向外供電；二次側(cè)繞組中，ad和eb的匝數(shù)均為W
文檔編號H01F27/30GK1812017SQ20061003126
公開日2006年8月2日 申請日期2006年2月23日 優(yōu)先權(quán)日2006年2月23日
發(fā)明者張志文, 王耀南 申請人:湖南大學