专利名称：星形－双梯形接线三相变四相或三相变两相平衡变压器的制作方法
技术领域：
本实用新型属电力变压器技术领域。具体涉及一种应用于电气化铁道或工频电炉等需要四相或两相供电电源的三相变四相或三相变两相平衡变压器。
背景技术：
由于电力系统的发电机和电动机绝大多数采用三相电源供电，故变压器及输配电系统通常为三相制。但三相制中相与相之间的电压为线电压，其值为对地电压的倍，这就要求三相导线之间的空气绝缘距离较宽，造成架线走廊占用空间大，征地补偿费用高。同时由于三相导线不能对称布置在单柱杆塔的两侧，使得杆塔设计复杂，并增加了杆塔所用钢材。多相输电是一种提高功率密度的重要方法。已有的多相输电系统均为3的倍数相，但6相及以上多相输电系统由于结构复杂、故障组合类型显著增多，保护整定及设计困难等一系列原因，未获推广应用。
四相输电系统既能提高输送密度，又能克服6相及以上输电系统的缺点，具有十分广阔的应用前景。实现四相输电系统的重大关键设备是三相变四相电力变压器或四相变三相电力变压器。
在电气化铁道AT供电方式下，要求牵引变压器供电电压为55kV，变压器容量增加一倍，供电范围增大一倍。目前，可用于AT供电方式的平衡牵引变压器，国外有Scott接线、LeBlanc接线或Woodbridge接线等三相变两相平衡变压器。Scott接线平衡变压器铜材利用率为92.8％，铁芯材料利用率为87.9％，铜铁材综合利用率为81.6％。Scott接线变压器高压侧中性点不能接地，高压绕组要按全绝缘(线电压)设计，使成本升高；由于变压器高低压侧没有三角形回路，三次谐波电流不能流通，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。另外，绕组和铁芯结构复杂，材料利用率不高。Scott变压器用于AT供电时，其两相侧绕组须按55kV绝缘设计。LeBlanc接线平衡变压器材料利用率为84.5％。高压侧为三角形接法，消除了三次谐波磁通的影响，但高压侧需按全绝缘设计，增加了成本。Woodbridge及其变形接线高压侧中性点可以直接接地，高压绕组可按分级绝缘(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，故需增设两台容量为主变容量一半的自耦变压器(AT)，使整体固定投资增加。中国大陆目前用于电气化铁路的国产平衡牵引变压器主要有两种，即阻抗匹配平衡变压器和YN/A平衡变压器。阻抗匹配平衡变压器铜材利用率为91.95％。该变压器高压侧中性点可直接接地，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作上下交叉布置，既增加了一个径向主油道，又需要在绕组内部进行连线，使绕组结构复杂，可靠性降低。作交叉布置的绕组还要求耦合紧密，以降低两延边绕组间的相互影响。若b相两延边低压绕组仅作上下布置，则当两相系统中仅有一相有电流通过时，将造成严重的安匝不平衡。该变压器若用于AT供电设计或用作三相变四相平衡变压器，则A相或C相铁芯柱上各有3个绕组，而B相铁芯柱上将布置有7个绕组，即1个高压绕组，6个低压绕组，且6个低压绕组中的4个均需作交叉布置，使设计上难以实现。故该种变压器不适合于四相输电系统，也不适合于AT供电方式。YN/A平衡变压器铜材利用率在90.46％~91.57％之间变化，其基本特性和适用范围与阻抗匹配平衡变压器相似。另外，我国还提出一种四相铁芯柱结构的三相变四相电力变压器，其铜材利用率为92.8％。该变压器需要4个铁芯柱，6个铁轭(包括上下部分)，铁材消耗量较大。四相磁路中，每相的磁路需借助其他三相磁路闭合，增加了磁路长度，由此增大了空载损耗。四相磁路长度不相等，两个边相的磁路较长，两个中间相的磁路较短，四相磁阻不等，当各相施加对称空载电压时，各相空载电流也不相等。
实用新型内容本实用新型所要解决的技术问题是针对现有技术存在的上述缺陷，提供一种三相柱式或三相壳式铁芯结构的星形-双梯形接线三相变四相或三相变两相平衡变压器，其绕组结构简单，制造方便，材料利用率为100％，特别适合于作为四相输电系统及AT供电系统的主变压器。
本实用新型的技术方案一种星形-双梯形接线三相变四相或三相变两相平衡变压器，包括铁心、一次侧绕组和二次侧绕组；铁心为三相柱式或三相壳式；一次侧绕组由三相绕组AN、BN和CN组成，采用星形接线；二次侧绕组由A相绕组ae和fc，B相绕组ba、fe和cd，以及C相绕组fb和de组成，采用双梯形接线；绕组ae、ba、fb和fe依次相连构成一个闭合的倒置梯形，其连接点依次为a、b、f和e；绕组fc、cd、de和fe依次相连构成另一个闭合的正置梯形，其连接点依次为f、c、d和e；两个梯形形状完全相同，并以公共绕组fe作为共同的底边；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a、b、c和d构成四相系统，其公共点为fe的中点o；二次侧a、c和b、d构成两相系统；一次侧三相绕组的匝数均为W1；二次侧绕组中，ae、fc、fb和de的匝数均为W2；ba和cd的匝数均为W3；fe的匝数为W4；二次侧绕组的匝数关系为W3＝W2，W4＝(-1)W2。
通过调整绕组之间轴向或径向距离，使本实用新型各对绕组之间的短路阻抗满足下列关系4ZKA12′-ZKA23′＝(3+)ZKB12′+(1-)ZKB13′+(5-9)ZKB23′+1.5(1-)ZKB24′(1)4ZKA12′-ZKA23′＝(3-)ZKB12′+(1+)ZKB13′+(-3)ZKB23′式中，ZKA12′为A相一次侧绕组AN与二次侧绕组ae之间的短路阻抗；ZKA23′为A相二次侧绕组ae与fc之间的短路阻抗；ZKB12′为B相一次侧绕组BN与二次侧绕组ba之间的短路阻抗；ZKB13′为B相一次侧绕组BN与二次侧绕组fe之间的短路阻抗；ZKB23′为B相二次侧绕组ba与fe之间的短路阻抗；ZKB24′为B相二次侧绕组ba与cd之间的短路阻抗；C相短路阻抗与A相短路阻抗完全相等；所有阻抗值均折算到匝数为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，本实用新型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，以及四相系统互不影响的解耦条件导出。
满足短路阻抗关系式(1)之后，本实用新型具有以下性能①二次侧带四相(或两相)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；②二次侧四相(或两相)负载电流对称时，一次侧三相电流也对称，既无零序分量，也无负序分量；③二次侧四相(或两相)出线端对公共点短路时，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，从二次侧四相(或两相)看去的全短路阻抗相等。
本实用新型的四相系统空载电压大小相等，相位互差90°，其空载电压大小为Uao=Ubo=Uco=Udo=1.5Uae]]>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Uac=2Uao=6Uae]]>Ubd=2Ubo=6Uae]]>本实用新型的一次侧三相电流与二次侧四相负载电流之间的关系如式(2)所示。
IAIBIC=13K3+3-3+3-3-33-3-232323-233-3-3-3-3+33+3IaIbIcId---(2)]]>式中，K＝W1/W2由式(2)可见，不管二次侧四相负载电流如何变化，一次侧三相电流中始终无零序分量；当二次侧四相负载电流对称时(大小相等，相位互差90°)，一次侧三相电流亦对称，既无零序分量，也无负序分量。
本实用新型的A相或C相二次侧两个绕组的电流同相位，B相二次侧三个绕组的电流也同相位。由于电流没有产生任何相移，故本实用新型的变压器材料利用率可达100％。
本实用新型采用三相柱式结构时，A相和C相铁心柱上布置有3个绕组，B相铁心柱上布置有4个绕组。在径向方向，A相和C相只有两个主油道，B相只有3个主油道，铁心柱之间的中心距离MO较短。在轴向方向，对于上下布置的绕组，其匝数和电流相等，故结构完全相同，既简化了制造工艺，又保证了在任何情况下铁心柱内磁势的安匝平衡。本实用新型不需对绕组作特殊布置，也不需要再对绕组进行拆分，故本实用新型结构简单，材料成本显著降低，设计和制造难度下降，抗短路性和运行可靠性均有较大提高。
图1为本实用新型的绕组接线图。
图2为本实用新型的二次侧绕组电压相量图。
图3为本实用新型采用三相柱式铁心结构的实施例示意图。
图4为本实用新型采用三相壳式铁心结构的实施例示意图。
具体实施方式
图1中，本实用新型的一次侧绕组由三相绕组AN、BN和CN组成，采用星形连接；二次侧绕组由A相绕组ae和fc，B相绕组ba、fe和cd，以及C相绕组fb和de组成，采用双梯形连接；绕组ae、ba、fb和fe依次相连构成一个闭合的倒置梯形，其连接点依次为a、b、f和e；绕组fc、cd、de和fe依次相连构成另一个闭合的正置梯形，其连接点依次为f、c、d和e；两个梯形形状完全相同，并以公共绕组fe作为共同的底边；一次侧A、B和C构成三相系统，其中性点为N；二次侧a、b、c和d构成四相系统，其公共点为fe的中点o；二次侧a、c和b、d构成两相系统；一次侧三相绕组的匝数均为W1；二次侧绕组中，ae、fc、fb和de的匝数均为W2；ba和cd的匝数均为W3；fe的匝数为W4；二次侧绕组的匝数关系为W3＝W2，W4＝(-1)W2。
本实用新型既可实现三相变四相的功能，也可实现三相变两相的功能，或者实现它们的逆变换若分别从A、B和C三点引入三相对称电压，从a、b、c和d四点引出四相对称电压，则可实现三相变四相的功能；若分别从A、B和C三点引入三相对称电压，从a、c和b、d两对顶点引出两相对称电压，则可实现三相变两相的功能；若分别从a、b、c和d四点引入四相对称电压，从A、B和C点引出三相对称电压，则可实现四相变三相的功能；若分别从a、c和b、d两对顶点引入两相对称电压，从A、B和C点引出三相对称电压，则可实现两相变三相的功能。
图2中，各边长既代表二次侧绕组电压的大小，也代表绕组的匝数。满足二次侧绕组的匝数关系之后，在三角形aeo中，有Wae＝W2Weo=12Wef=3-12W2]]> 故有∠aeo＝120°，∠eao＝15°，∠aoe＝45°同理在三角形bfo中，有Wbo=32W2]]>∠bfo＝120°，∠fbo＝15°，∠bof＝45°故边ao与bo大小相等，且相互垂直，由它们所表示的电压大小相等，相位相差90°。
在三角形cfo和deo中，也有类似的结论。
由此可见，边ao、bo、co和do大小相等且相互垂直。故分别从a、b、c和d四点引出的电压大小相等，相位互差90°，构成四相对称系统，其中o为四相系统的公共点。
若从ac和bd引出两相对称电压，其大小为ao的两倍，可用于电气化铁路AT供电系统。
图3是本实用新型采用三相柱式铁心结构的实施例。本实施例中，采用三相柱式铁心，A相和C相的3个绕组布置在两边的心柱上，B相的4个绕组布置在中间的心柱上；A相和C相的绕组布置及结构完全相同；对于A相，绕组AN在外侧，绕组ae和fc靠近心柱，且与心柱和AN的距离相等，并关于AN作上下对称布置；对于C相，绕组CN在外侧，绕组fb和de靠近心柱，且与心柱和CN的距离相等，并关于CN作上下对称布置；对于B相，绕组BN在最外侧，绕组fe靠近心柱，绕组ba和cd在fe和BN之间，且与fe和BN的距离相等，并关于fe和BN作上下对称布置；fe的中点o作为四相系统的公共点。
对于图3所示的三相柱式结构变压器，为满足短路阻抗关系式(1)，需对绕组尺寸及相互位置进行适当调整。具体实施步骤如下①根据绝缘要求确定二次侧绕组ae、fc、fe、fb和de与心柱之间的距离，各距离保持一致；②根据全短路阻抗值的要求确定ZKA12′的大小；③调整绕组之间的径向或轴向距离(必要时可改变线圈轴向高度或辐向厚度)，使各对绕组之间的短路阻抗满足式(1)。调整时保持图3的特征不变，且A、B和C三相的一次侧绕组与心柱的距离一致。
图4是本实用新型采用三相壳式铁心结构的实施例。本实施例中，采用三相壳式铁心，A相和C相的3个绕组对称布置在两边的窗口上，B相的4个绕组布置在中间的窗口上；A相和C相的绕组布置及结构完全相同；所有二次侧绕组均分为匝数相等的两个线饼，同一个绕组的两个线饼既可以串联，也可以并联；对于A相，绕组AN布置在窗口的中央，对应于绕组ae和fc的两个线饼布置在AN的两旁，并关于AN作左右交错对称布置；对于C相，绕组CN布置在窗口的中央，对应于绕组fb和de的两个线饼布置在CN的两旁，并关于CN作左右交错对称布置；对于B相，绕组BN布置在窗口的中央，对应于绕组fe的两个线饼靠近左右铁轭，并关于BN作左右对称布置，对应于绕组ba和cd的两个线饼处于BN和fe的两个线饼之间，并关于BN作左右交错对称布置；绕组fe的中点o作为四相系统的公共点。
对于图4所示的三相壳式结构变压器，为满足短路阻抗关系式(1)，同样需对绕组尺寸及相互位置进行适当调整。具体实施步骤如下①根据绝缘要求确定各绕组与心柱之间的距离，各距离保持一致；②根据全短路阻抗值的要求确定ZKA12′的大小；③调整绕组之间的距离(必要时可改变线圈轴向高度或辐向厚度)，使各对绕组之间的短路阻抗满足式(1)。调整时保持图4的特征不变，且A、B和C三相的一次侧绕组与铁轭的距离一致。
权利要求1.一种星形-双梯形接线三相变四相或三相变两相平衡变压器，包括铁心、一次侧绕组和二次侧绕组，其特征在于(A)铁心为三相柱式或三相壳式；(B)一次侧绕组由三相绕组AN、BN和CN组成，采用星形接线；二次侧绕组由A相绕组ae和fc，B相绕组ba、fe和cd，以及C相绕组fb和de组成，采用双梯形接线；绕组ae、ba、fb和fe依次相连构成一个闭合的倒置梯形，其连接点依次为a、b、f和e；绕组fc、cd、de和fe依次相连构成另一个闭合的正置梯形，其连接点依次为f、c、d和e；两个梯形形状完全相同，并以公共绕组fe作为共同的底边；一次侧A、B和C构成三相系统，其中性点N允许接地；二次侧引出a、b、c和d构成四相系统，其公共点为fe的中点o；二次侧引出a、c和b、d构成两相系统；一次侧三相绕组的匝数均为W1；二次侧绕组中，ae、fc、fb和de的匝数均为W2，ba和cd的匝数均为W3，fe的匝数为W4；二次侧绕组的匝数关系为W3＝W2，W4＝(-1)W2。
2.根据权利要求1所述的三相变四相或三相变两相平衡变压器，其特征是通过调整绕组之间轴向或径向距离，使各对绕组之间的短路阻抗满足下列关系4ZKA12′-ZKA23′＝(3+)ZKB12′+(1-)ZKB13′+(5-9)ZKB23′+1.5(1-)ZKB24′4ZKA12′-ZKA23′＝(3-)ZKB12′+(1+)ZKB13′+(-3)ZKB23′式中，ZKA12′为A相一次侧绕组AN与二次侧绕组ae之间的短路阻抗；ZKA23′为A相二次侧绕组ae与fc之间的短路阻抗；ZKB12′为B相一次侧绕组BN与二次侧绕组ba之间的短路阻抗；ZKB13′为B相一次侧绕组BN与二次侧绕组fe之间的短路阻抗；ZKB23′为B相二次侧绕组ba与fe之间的短路阻抗；ZKB24′为B相二次侧绕组ba与cd之间的短路阻抗；C相短路阻抗与A相短路阻抗完全相等；所有阻抗值均折算到匝数为W1的绕组一侧。
3.根据权利要求2所述的三相变四相或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相的3个绕组布置在两边的心柱上，B相的4个绕组布置在中间的心柱上；A相和C相的绕组布置及结构完全相同；对于A相，绕组AN在外侧，绕组ae和fc靠近心柱，且与心柱和AN的距离相等，并关于AN作上下对称布置；对于C相，绕组CN在外侧，绕组fb和de靠近心柱，且与心柱和CN的距离相等，并关于CN作上下对称布置；对于B相，绕组BN在最外侧，绕组fe靠近心柱，绕组ba和cd在fe和BN之间，且与fe和BN的距离相等，并关于fe和BN作上下对称布置；fe的中点o作为四相系统的公共点。
4.根据权利要求2所述的三相变四相或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相的3个绕组对称布置在两边的窗口上，B相的4个绕组布置在中间的窗口上；A相和C相的绕组布置及结构完全相同；所有二次侧绕组均分为匝数相等的两个线饼，同一个绕组的两个线饼既可以串联，也可以并联；对于A相，绕组AN布置在窗口的中央，对应于绕组ae和fc的两个线饼布置在AN的两旁，并关于AN作左右交错对称布置；对于C相，绕组CN布置在窗口的中央，对应于绕组fb和de的两个线饼布置在CN的两旁，并关于CN作左右交错对称布置；对于B相，绕组BN布置在窗口的中央，对应于绕组fe的两个线饼靠近左右铁轭，并关于BN作左右对称布置，对应于绕组ba和cd的两个线饼处于BN和fe的两个线饼之间，并关于BN作左右交错对称布置；绕组fe的中点o作为四相系统的公共点。
专利摘要一种星形－双梯形接线三相变四相或三相变两相平衡变压器，铁心为三相柱式或三相壳式；一次侧三相绕组采用星形接线，其中性点允许接地；二次侧绕组采用双梯形接线，由A相绕组ae和fc，B相绕组ba、fe和cd，以及C相绕组fb和de组成；ae、ba、fb和fe构成一个闭合的倒置梯形，fc、cd、de和fe构成另一个闭合的正置梯形，两个梯形以fe作为共同的底边；双梯形的两条长底边对应的顶点分别为a、b、c和d，它们构成四相系统，其公共点为fe的中点o；a、c和b、d构成两相系统；ae、fc、fb和de的匝数均为W
文档编号H01F27/28GK2899061SQ20062004993
公开日2007年5月9日 申请日期2006年1月25日 优先权日2006年1月25日
发明者张志文 申请人:张志文