專利名稱：一種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，具體地說，涉及一種應(yīng)用于電氣化鐵道的三相變兩相平衡變壓器。
最近的一篇文獻(張志文，劉福生等，阻抗匹配平衡變壓器的電量變換和運行計算，電工技術(shù)學(xué)報，Vo1.15，No.2，2000)在已有專利的基礎(chǔ)上，對 接線平衡變壓器進行了多方面的討論，反映了當前的技術(shù)現(xiàn)狀，有關(guān)的結(jié)論和計算公式已用于指導(dǎo)變壓器的設(shè)計制造和電氣化鐵道供電系統(tǒng)的分析計算。然而，變壓器的設(shè)計制造和運行實踐證明，當前的技術(shù)存在缺陷，實際制造的 接線平衡變壓器在二次側(cè)兩相等值阻抗相等和消除一次側(cè)中性點零序電流方面存在矛盾，不能兼顧。實測表明，一次側(cè)中性點接地運行時，中性點零序電流可達額定相電流的6％～8％，對電力系統(tǒng)繼電保護的正常運行造成不利影響，并且容易產(chǎn)生通信干擾。
設(shè)計制造 接線平衡變壓器的技術(shù)關(guān)鍵是實現(xiàn)一定的阻抗匹配，當前已有的阻抗匹配技術(shù)主要結(jié)論如下(1)一次側(cè)三相等值漏阻抗相等，即ZBI＝ZI，其中ZBI為B相一次側(cè)繞組等值漏阻抗，ZI為A相或C相一次側(cè)繞組等值漏阻抗；(2)B相二次側(cè)三角形繞組的等值漏阻抗ZBII=(3+1)ZII,]]>其中ZII為A相或C相二次側(cè)繞組等值漏阻抗；(3)B相兩延邊繞組的等值漏阻抗Zab＝Zeb＝σZII，兩者之間的等值互感漏阻抗ZP＝τZII，應(yīng)使σ=τ=(3-3)/6.]]>由于A相或C相的一次側(cè)繞組等值漏阻抗和二次側(cè)繞組等值漏阻抗是無法嚴格分開計算和測量的，并且在等值意義上，二者的劃分具有任意性，但二者之和所表示的短路阻抗固定不變，這使得這些已有結(jié)論對變壓器設(shè)計制造的指導(dǎo)意義受限。另外，結(jié)論(3)要求繞組ad和eb完全耦合，實際上不能做到，由此會得出不可能設(shè)計出理想的 接線平衡變壓器的結(jié)論。實踐也證明，按現(xiàn)有技術(shù)方案制造出的變壓器性能不夠理想，特別是二次側(cè)負荷引起的一次側(cè)中性點零序電流比較大。
本發(fā)明的技術(shù)方案一種三相變兩相平衡變壓器，稱為 接線平衡變壓器，由鐵心、一次側(cè)繞組、二次側(cè)繞組、油箱和散熱器構(gòu)成；鐵心為三相柱式或三相殼式；可以為升壓型，也可以為降壓型；一次側(cè)三相繞組AX、BY和CZ匝數(shù)相等，為星形連接，二次側(cè)為延邊三角形連接，三相繞組ax、by和cz匝數(shù)相等，匝數(shù)記為ω2，連接成三角形，B相外加兩延邊繞組ad和eb，匝數(shù)記為ω3和ω4，ω3=ω4=(3-1)ω2/2;]]>其特征在于，通過調(diào)整繞組之間，特別是B相四個繞組之間的徑向或軸向距離，使繞組之間的短路阻抗?jié)M足以下關(guān)系(3+1)Zby-BY+(6+23)Zad-BY-(3-3)Zby-ad=4Z]]>(3-1)Zby-BY+(14+63)Zad-BY-(3-1)Zby-ad-(6+23)Zad-eb=4Z]]>式中，Zby-BY表示繞組by與繞組BY之間的短路阻抗，且為向繞組by的折算值，其余類似，Z為折算到二次側(cè)的A相或C相短路阻抗。
接線平衡變壓器核心技術(shù)在于適當布置繞組實現(xiàn)阻抗匹配。 接線平衡變壓器實現(xiàn)一定阻抗匹配的目的是使其達到理想三相變兩相平衡變壓器的要求，即在一次側(cè)施加三相對稱電壓時，只要二次側(cè)兩相端口的負荷相等(幅值和功率因數(shù)都相等)，則二次側(cè)兩相端口電壓保持幅值相等、相位相差90°，并且一次側(cè)三相電流對稱。為使變壓器滿足這一要求，提出三個技術(shù)條件(1)一次側(cè)施加三相對稱電壓，二次側(cè)空載時，兩相端口電壓幅值相等、相位相差90°；(2)若一次側(cè)中性點抽出，則中性點接地運行時，二次側(cè)兩相端口的負荷不會在一次側(cè)引起零序電流；(3)從二次側(cè)兩相端口向變壓器看，兩相等值阻抗相等，并且兩相之間是解耦的，互阻抗為零。這三個技術(shù)條件適用于所有三相變兩相平衡變壓器。針對 接線平衡變壓器繞組的接線，對于條件(1)，要求實現(xiàn)繞組匝數(shù)關(guān)系的匹配，即，ω3=ω4=(3-1)ω2/2.]]>考慮到對稱性，采用三相柱式鐵心時，A相和C相對稱布置在兩邊的心柱上，B相四個繞組布置在中間的心柱上；A相和C相均為兩繞組結(jié)構(gòu)，使兩相一次側(cè)繞組同二次側(cè)繞組之間的短路阻抗相等；并且使繞組ad和eb關(guān)于BY對稱，關(guān)于by也對稱同時，為保證一次側(cè)勵磁特性相同，一次側(cè)三相繞組AX、BY和CZ匝到各自心柱的徑向距離相等。采用三相殼式鐵心時，A相和C相對稱布置在兩邊的窗口上，使兩相一次側(cè)繞組同二次側(cè)繞組之間的短路阻抗相等，同時B相四個繞組布置在中間的窗口上，并且使繞組ad和eb關(guān)于BY寸稱，關(guān)于by也對稱。對于條件(2)、(3)，本發(fā)明提供兩個基于繞組之間短路阻抗的阻抗匹配關(guān)系式，阻抗匹配關(guān)系式(1)(3+1)Zby-BY+(6+23)Zad-BY-(3-3)Zby-ad=4Z]]>和阻抗匹配關(guān)系式(2)(3-1)Zby-BY+(14+63)Zad-BY-(3-1)Zby-ad-(6+23)Zad-eb=4Z,]]>這兩個關(guān)系式中，Zby-BY表示繞組by與繞組BY之間的短路阻抗，且為向繞組by的折算值，其余類似，Z為折算到二次側(cè)的A相或C相短路阻抗。
下面給出得到這兩個阻抗匹配關(guān)系式的推導(dǎo)過程忽略勵磁電流時，描述變壓器運行特性的方程共有三組。第一組方程為磁勢平衡方程 式中， 定向為從端子A到端子X， 定向為從端子B到端子Y， 定向為從端子C到端子Z， 定向為從端子a到端子x， 定向為從端子b到端子y， 定向為從端子c到端子Z， 定向為從端子a到端子d， 定向為從端子e到端子b。第二組方程為繞組接線方程 第三組為以多繞組變壓器理論為基礎(chǔ)的電壓傳遞方程 式中Z213=12(Zby-BY+Zby-ad-ZBY-ad(2))]]>Z214=12(Zby-BY+Zby-eb-ZBY-eb(2))]]>Z312=12(Zad-BY+Zad-by-ZBY-by(3))]]>Z314=12(Zad-BY+Zad-eb-ZBY-eb(3))]]>Z412=12(Zeb-BY+Zeb-by-ZBY-by(4))]]>Z413=12(Zeb-BY+Zeb-ad-ZBY-ad(4))]]>ZAX-ax為繞組AX繞組ax之間的短路阻抗，且為向繞組AX的折算值；式(1)、(2)、(3)中，各電壓、電流和阻抗的上標(i)表示該物理量按繞組匝數(shù)向ωi進行折算，如，U·ax(1)=ω1ω2U·ax,I·ax(1)=ω2ω1I·ax,Z213(1)=ω12ω22Z213;]]>其余類似。
以上述三組方程為基礎(chǔ)，求解出一次側(cè)中性點零序電流同二次側(cè)兩相負荷電流之間的轉(zhuǎn)移系數(shù)，令其為零，得到阻抗匹配關(guān)系式(1)。以上述三組方程為基礎(chǔ)，求解二次側(cè)兩相端口之間的等值互阻抗，令其為零，得到阻抗匹配關(guān)系式(2)。
因此，本發(fā)明的效果是，阻抗匹配關(guān)系式(1)得到滿足時，即使一次側(cè)中性點接地運行，二次側(cè)兩相負荷也不會在一次側(cè)引起零序電流；阻抗匹配關(guān)系式(2)得到滿足時，二次側(cè)兩相之間是解耦的，互阻抗為零，一相負荷的變化，甚至短路，不會影響另一相的端口電壓。當 接線平衡變壓器，滿足阻抗匹配關(guān)系式(1)和(2)，其性能就是完美的。實際設(shè)計制造中，由于變壓器的繞組布置還受絕緣、散熱等方面的限制，即使不能做到完全阻抗匹配，也應(yīng)盡可能接近，讓阻抗匹配關(guān)系式(1)和(2)近似成立。
圖2中，采用三相柱式鐵心，三相高壓繞組AX、BY和CZ布置在外側(cè)，二次側(cè)三角形繞組ax、by和cz靠鐵心布置，B相兩延邊繞組ad和eb布置在繞組BY和by之間，繞組端子按

圖1進行連接。
圖3中，采用三相殼式鐵心，三相高壓繞組AX、BY和CZ布置在窗口中間，二次側(cè)三角形繞組ax、by和cz都分成兩個匝數(shù)相等的串聯(lián)線餅，靠兩側(cè)鐵心布置，B相兩延邊繞組ad和eb也都分成兩個匝數(shù)相等的串聯(lián)線餅，交錯布置在繞組BY兩邊，繞組端子按圖1進行連接。
下面就如何通過調(diào)整繞組之間的相對位置實現(xiàn)阻抗匹配進行說明。步驟1.由于三相一次側(cè)高壓繞組AX、BY和CZ安匝數(shù)相等，為使三相的勵磁阻抗也相等或近似相等，三相高壓繞組采用相同的繞組結(jié)構(gòu)，并且距離各自鐵心柱的徑向距離相等。步驟2.根據(jù)變壓器的總短路阻抗要求確定A相和C相二次側(cè)繞組的徑向位置，從而確定了阻抗匹配關(guān)系式(1)和(2)中的Z。步驟3.調(diào)整繞組by同BY以及ad和eb同BY的徑向距離，使阻抗匹配關(guān)系式(1)得到成立或近似成立。步驟4.調(diào)整繞組ad同eb之間的軸向距離，使阻抗匹配關(guān)系式(2)得到成立或近似成立。步驟5.返回步驟3和步驟4進行微調(diào)，直至兩個阻抗匹配關(guān)系式都成立或近似成立。若經(jīng)反復(fù)調(diào)整，效果仍不理想時，可改變繞組ad、eb的結(jié)構(gòu)，比如讓二者分段交錯布置。實際上，阻抗匹配關(guān)系式(1)和(2)是理論要求，在具體設(shè)計制造變壓器過程中，允許存在一定誤差。
下面結(jié)合采用三相殼式鐵心的降壓型 接線三相變兩相平衡變壓器進行進一步說明(圖3)。采用三相殼式鐵心，繞組一般為餅式；A相和C相對稱布置在兩邊的窗口上，兩相一次側(cè)繞組同二次側(cè)繞組之間的短路阻抗相等；B相四個繞組布置在中間的窗口上，繞組ad和eb關(guān)于BY對稱，關(guān)于by也對稱；一次側(cè)三相高壓繞組AX、BY和CZ布置在各自窗口中間，三個繞組均為一個線餅；二次側(cè)三角形繞組ax、by和cz都分成兩個匝數(shù)相等的線餅，靠各自窗口兩側(cè)鐵心布置，兩個線餅可以串聯(lián)連接，也可以并聯(lián)連接(在圖3的實施例中為串聯(lián)連接)；B相兩個延邊繞組ad和eb也都分成兩個匝數(shù)相等的線餅，交錯布置在繞組BY兩邊，兩個線餅可以串聯(lián)連接，也可以并聯(lián)連接(在圖3的實施例中為串聯(lián)連接)。采用三相殼式鐵心時，靠改變繞組線餅之間的軸向距離來改變繞組之間的短路阻抗，從而實現(xiàn)阻抗匹配關(guān)系式(1)和阻抗匹配關(guān)系式(2)。
權(quán)利要求
1.一種三相變兩相平衡變壓器，由鐵心、一次側(cè)繞組、二次側(cè)繞組、油箱和散熱器構(gòu)成；鐵心為三相柱式或三相殼式；可以為升壓型，也可以為降壓型；一次側(cè)三相繞組AX、BY和CZ匝數(shù)相等，為星形連接，二次側(cè)為延邊三角形連接，三相繞組ax、by和cz匝數(shù)相等，匝數(shù)記為ω2，連接成三角形，B相外加兩延邊繞組ad和eb，匝數(shù)記為ω3和ω4，ω3=ω4=(3-1)ω2/2;]]>其特征在于，通過調(diào)整繞組之間，特別是B相四個繞組之間的徑向或軸向距離，使繞組之間的短路阻抗?jié)M足以下關(guān)系(3+1)Zby-BY+(6+23)Zad-BY-(3-3)Zby-ad=4Z]]>(3-1)Zby-BY+(14+63)Zad-BY-(3-1)Zby-ad-(6+23)Zad-eb=4Z]]>式中，Zby-BY表示繞組by與繞組BY之間的短路阻抗，且為向繞組by的折算值，其余類似，Z為折算到二次側(cè)的A相或C相短路阻抗。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的三相變兩相平衡變壓器，其特征是，采用三相柱式鐵心，A相和C相對稱布置在兩邊的心柱上，B相四個繞組布置在中間的心柱上；一次側(cè)三相繞組AX、BY和CZ到各自心柱的徑向距離相等；A相和C相均為兩繞組結(jié)構(gòu)，兩相一次側(cè)繞組同二次側(cè)繞組之間的短路阻抗相等；繞組ad和eb關(guān)于BY對稱，關(guān)于by也對稱。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的三相變兩相平衡變壓器，其特征是，采用三相殼式鐵心，A相和C相對稱布置在兩邊的窗口上，兩相一次側(cè)繞組同二次側(cè)繞組之間的短路阻抗相等；B相四個繞組布置在中間的窗口上，繞組ad和eb關(guān)于BY對稱，關(guān)于by也對稱；一次側(cè)三相高壓繞組AX、BY和CZ布置在各自窗口中間，二次側(cè)三角形繞組ax、by和cz都分成兩個匝數(shù)相等的線餅，靠各自窗口兩側(cè)鐵心布置，兩個線餅可以串聯(lián)連接，也可以并聯(lián)連接；B相兩延邊繞組ad和eb也都分成兩個匝數(shù)相等的線餅，交錯布置在繞組BY兩邊，兩個線餅可以串聯(lián)連接，也可以并聯(lián)連接。
全文摘要
一種三相變兩相平衡變壓器，由鐵心、一次側(cè)三相星形連接繞組、二次側(cè)延邊三角形連接繞組、油箱和散熱器構(gòu)成；鐵心為三相心式或三相殼式；A相和C相對稱布置在兩邊的心柱或窗口上，兩相的一次側(cè)繞組同二次側(cè)繞組之間的短路阻抗相等，B相繞組ad和eb關(guān)于BY對稱，關(guān)于by也對稱；通過調(diào)整繞組之間，特別是B相四個繞組之間的徑向或軸向距離，使繞組之間的短路阻抗?jié)M足以下關(guān)系式中，Z
文檔編號H01F27/28GK1458655SQ0314852
公開日2003年11月26日 申請日期2003年7月2日 優(yōu)先權(quán)日2003年7月2日
發(fā)明者吳命利, 范瑜 申請人:北京交通大學(xué)