专利名称：不对称接线平衡变压器及其实现方法
技术领域：
本发明属于电力变压器领域，涉及一种不对称接线平衡变压器及其实现方法，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kott接线、LeBlanc接线或Woodbridge接线三种基本的形式。DScott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；^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。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提出一种不对称接线平衡变压器及其实现方法，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。本发明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be绕组，C相绕组由ca和dc两个绕组组成；ab、ca、dc和be绕组的匝数均为W2，ea绕组的匝数为W3,炉3= (V3-1) *W2；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be以b点为公共点连接；ab、ca、dc.ea和be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Ueb和Udb相等，且相位相差90°，Ueb和Udb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ο ；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al、bl、cl和 dl ；二次侧绕组由al、cl和bl、dl引出两相大小相等、相位相差90°的对称电压=Ualcl 和Ubldl，构成两相系统；或由alo、bio、clo和dlo得到四相大小相同的对称电压。一种不对称接线平衡变压器的实现方法，所述的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；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be绕组，C相绕组由ca和dc两个绕组组成；ab、ca、dc和be绕组的匝数均为W2，ea绕组的匝数为W3,炉3= (V3-1) *W2；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be以b点为公共点连接；ab、ca、dc、ea和be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Ueb和Udb相等，且相位相差90°，Ueb和Udb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。
—种不对称接线平衡变压器的实现方法，所述的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，二次侧绕组由两个权利要求3或4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ο点；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al、bl、cl和dl ；二次侧绕组由al、cl和bl、dl引出两相大小相等、相位相差90°的对称电压=Ualcl 和Ubldl，构成两相系统；或由alo、bio、clo和dlo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。本发明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be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, be, ca, dc绕组匝数均为W2，ea 的匝数为W3。其中仏=(W-I) *炉2。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
Zkbu _ Zc = 0
IZkbu ~2Za + ^~s) Za2 + Zc2 = O
2Za- (2λ/3 - 4) Zfl3 - ZfiJi2-Zc-Zc3 = O
(1)
A
A侧为g
式中，ζ' m2为B相一次侧绕组BN与二次侧绕组be之间的短路阻抗；Z' 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' 32为八相绕组ab的等值阻抗，Z'。2为(相二次侧绕组ca的等值阻抗；Z'相二次侧绕组ea
的等值阻抗；Z'。3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，本发明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。本发明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
权利要求
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be绕组，C相绕组由ca 和dc两个绕组组成；ab、ca、dc和be绕组的匝数均为W2，ea绕组的匝数为W3,炉3= (V3-1) *W2； ab、ca和ea绕组以a点为公共点连接；ca、be和dc绕组以c点为公共点连接；ab和 be以b点为公共点连接；ab、ca、dc.ea和be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Ueb和Udb相等，且相位相差90°，Ueb和Udb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ο ；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al、bl、cl和dl ；二次侧绕组由al、cl和bl、dl引出两相大小相等、相位相差90°的对称电压=Ualcl和 Ubldl，构成两相系统；或由al0、bl0、cl0和dlo得到四相大小相同的对称电压。
4.一种不对称接线平衡变压器的实现方法，其特征在于，所述的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；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be绕组，C相绕组由ca 和dc两个绕组组成；ab、ca、dc和be绕组的匝数均为W2，ea绕组的匝数为W3,炉3= (V3-1) *W2； ab、ca和ea绕组以a点为公共点连接；ca、be和dc绕组以c点为公共点连接；ab和 be以b点为公共点连接；ab、ca、dc.ea和be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Ueb和Udb相等，且相位相差90°，Ueb和Udb中任一个或两个作为二次侧绕组的电压输入或电压输出。
5.根据权利要求4所述的不对称接线平衡变压器的实现方法，其特征在于，铁芯为三相柱式铁芯或者三相壳式铁芯。
6.一种不对称接线平衡变压器的实现方法，其特征在于，所述的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，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ο点；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al、bl、cl和dl ；二次侧绕组由al、cl和bl、dl引出两相大小相等、相位相差90°的对称电压=Ualcl和Ubldl，构成两相系统；或由al0、bl0、cl0和dlo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。
全文摘要
本发明公开了一种不对称接线平衡变压器及其实现方法，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Ueb和Udb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。
文档编号H01F27/24GK102163493SQ20111002518
公开日2011年8月24日 申请日期2011年1月24日 优先权日2011年1月24日
发明者张志文, 罗隆福, 许加柱, 许志伟 申请人:湖南大学