自耦补偿与谐波屏蔽换流变压器制造技术

一种自耦补偿与谐波屏蔽的换流变压器，是在供电变压器的副方绕组中间引出自耦抽头，该抽头把副方绕组分为两段，类似自耦变压器公共绕组与串联绕组，两者紧密耦合，该两段副方绕组与原绕组在铁心圆柱上构成三绕组的同心布置，其中公共绕组布置在原方绕组与串联绕组间，其等值阻抗为零，公共绕组的两端与外接滤波容感支路相接。本实用新型专利技术可对用户工频下的感性电流就近实行无功补偿，对谐波磁链利用抽头分开的两端绕组在相应谐波频率下感应电流的安匝平衡作用使之被迫抵消，疏导谐波电流经串联绕组就近返回负荷，阻止其越过气隙传送到原方电网，从源头对谐波根治，对原方电网实现谐波屏蔽和隔离时，也避免谐波电流和谐波磁通对变压器本身的损害。（*该技术在2015年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本技术涉及电力输送和供用电
，特别涉及到整流、换流与牵引和电弧炉变压器及其补偿和滤波设备。
技术介绍
现代城市供用电网接入的非线性用电设备不断增多，包括楼房和街道中的照明，无论是荧光灯和霓虹灯，多是由灯管中的气体放电形成光源，极间电流呈非线性电阻特性；还有不少家用电器，包括洗衣机、电冰箱和空调机等，广泛采用变频调速，以及建筑施工和机械加工广泛使用的电焊，对供电网形成不可忽视的谐波源，大量的谐波电流注入电网，促使电网的电压波形发生畸变，对邻近的通信讯号、保护控制和科研测试带来干扰，并增大相关电气设备的附加损耗和发热，引起相应的震动和噪音。虽家电设备的单台容量不大，但进入千家万户，数量多、分布广，难以对其谐波干扰作出限制和抑制。这些用户使用的供电变压器都是普通变压器，对谐波横行无阻。随着经济发展，这类负荷在电网中占有的比重和影响不断增加，采用什么方法加以治理和应用怎样的变压器供电，值得引为关注。电力电子的广泛应用，推进了工厂企业的生产发展，在供电行业出现的突出问题是大功率的整流、换流和电弧炉负荷，后者包括交流或直流炼钢，无论哪种炼钢，其电流如同整流供电一样，也是间隙性导通和开断，迫使供电网的电流波形发生畸变，除工频基波外，还有多种高次谐波含量，谐波电流从变压器输出侧注入，形成谐波电流源，经供电变压器绕组向原方电网侧流窜，对通过回路及相邻设备带来多方面的不良影响。传统的治理谐波的方法是无源滤波，常用CL元件串接的并联支路作调谐器，使之对注入的n次谐波电流予以分流，如滤波支路的等值阻抗ZF＝nXL-Xc/n＝0，即取XL＝Xc/n2，则在该次谐波频率下，其感抗与串接的容抗相抵消，并联支路的零阻抗把该次谐波电流全吸引过来分流掉，滤波效果最好。但为避免谐振过电压和谐波放大，实际选用的XL＝KSXc/n2，KS为大于1的安全系数，实际要求该系数取值不宜太小，这样便明显削弱了滤波效果。有源滤波器是以电力电子元器件组成的换流装置，将备有的直流或储存的惯性能源按跟踪检测的负荷电流波形并伴以与自动控制方式，实时逆变为等同于畸变波形但方向相反的补偿电流。该技术在工业发达国家早有应用，但其技术较复杂，配套设备多，成本费用高，至今未能得到广泛应用。企业部门对谐波源使用的滤波器，能滤去的谐波含量只能达50％左右，这是应积极探寻予以改进的。最近我国三峡建设，西电东送，对远距离输电和大区联网主干线采用高压直流(HVDC)输电，发现从国外引进的换流变压器，均是布置在换流器与滤波器之间，这样一来，由换流器引起的谐波电流和供给换流器所需的无功电流，都要通过该换流变压器的绕组，不仅要占用绕组的相当容量，还要在变压器的原副方绕组及其铁心中引起附加损耗和发热，加大震动与噪音，增大绕组的绝缘困难，这是明显不合理的。考虑我国地区辽阔，远距离输电和大区联网，跨世纪后HVDC要加大发展，应积极探寻换流变压器的国产化，改进滤波措施，摆脱对国外技术的依赖。
技术实现思路
本技术所要解决的技术问题是提供一种既能避免无源滤波器发生谐振过电压和谐波放大，又能达到有源滤波器相似效果的新型滤波技术，无需备有专用的补偿谐波发生源，而是利用供电变压器耦合绕组的安匝平衡作用，通过谐波时形成的自耦感应关系作滤波，构成多项技术集成的新产品，以利发挥变压器的潜能，达到自耦补偿与谐波屏蔽的综合效果。本技术所采用的技术方案是在供电变压器绕组的副方绕组中间引出自耦抽头，抽头将副方绕组分为两段类似自耦变压器的公共绕组与串联绕组，两者保持紧密耦合，该两段绕组与其同相的原方绕组在铁心圆柱上构成三绕组的同心布置，布置在中间层的绕组的两端与容抗XC和串有感抗XL的支路并联，且基波阻抗XL远小于XC，中间层绕组为屏蔽绕组，其等值阻抗为零，副方绕组的两端与供电负荷连接。本技术的原理设滤除谐波次数为n，在对应的n倍频率下，nXL-XC/n＝0，该零阻抗支路把n次谐波电流吸引到串联绕组通过，串联绕组因通过谐波产生的谐波磁通，必定穿链公共绕组即屏蔽绕组，后者随即感生反向电流并以容感支路为回路，该回路的内接绕组与外接支路的阻抗均为零，通过电流无降压，因而无需相应的电势来维持，则法两绕组的磁势相反迫使谐波磁通全抵消，故无剩余谐波磁通穿链外层的同相原方绕组，实现了对原方绕组的谐波屏蔽亦即磁耦的解耦作用，使谐波电流不能越过气隙窜到原方电网。本技术与现有技术相比具有明显的优点1、本技术是抓住谐波源头进行治理，在靠近整流变压器的阀侧和谐波电流入口处，利用副方自耦抽头引接的容感C-L支路对谐波频率构成的低阻抗作用，疏导谐波电流经串联绕组就近返回负荷，而串联绕组通过谐波电流产生的谐波磁通，又随即被屏蔽绕组感生的反向磁通所抵消，阻止了谐波电流向原绕组传送。这相当于在谐波注入处设置了一座屏障，从源头对谐波进行堵截，但对基波电流可照常通过。2、本技术开发了变压器的潜能，利用了变压器安匝平衡具有的滤波作用。虽自耦抽头引接的C-L元件与无源滤波的支路相似，但该电路的电流和电压受到抽头两端耦合绕组的电磁关系的制约，没有谐振过电压和谐波放大的顾虑，故可选用XL＝XC/n2(相当KS＝1)而不必避开谐振点，取得无源滤波达不到的滤波效果。本技术还利用屏蔽绕组的等值阻抗为零的条件，在感生电流通过环路时无压降，无需谐波磁通产生的电势来维持，使串联绕组产生的谐波磁通全部被屏蔽绕组感生的反向磁通所抵消，后者相似于有源滤波采用的谐波补偿作用，它是利用耦合绕组的自耦感应来完成，无需有源滤波备有的谐波发生源和控制系统来实现，取得同样效果，其技术难度和成本费用低廉得多。3、本技术是在治理电网谐波的同时，也制止了谐波在变压器绕组中的传送，使谐波对变压器的损害得到有效治理，从而改善了整流与换流变换的总体效益。正常工频电压下，补偿支路的容抗XC较感抗XL大得多，对负荷无功起着补偿作用。把无功补偿安排在引出抽头的低压侧，这不仅降低了补偿装置及其开关设备的电压等级，减少了通过变压器绕组的电流数值，并避免了网侧接入补偿要防止容性回路与电网感抗可能发生谐振的问题，如整流变压器的副方绕组没有中间抽头引接无功补偿和滤波设备时，便要在原方网侧高压母线上安装无源或有源滤波器，不论其滤波效果如何，负荷电流引起的无功和谐波分量都要通过该变压器进入高压母线，便要在绕组和铁心中增加附加损耗发热与噪音振动，导致材料和成本增大，相对比较，本技术排除了这些不良成分带来的有害影响。这对电网安全与补偿设备的自身安全都有好处。4、在多相整流器中，本技术弥补了单纯增加脉波数P的不足之处。增加整流器的脉波数P，是削弱谐波的重要方法之一，随P值的增大，特征谐波最大的谐波次数随之增大，谐波电流含量的相对值则与此成反比减小，这样做要增加换流器的数量及其控制的复杂性，还要调整变压器副方的接线组合及其邻相间的位移角度，这不仅要增大材料的消耗和成本费，而且很难做到全面消除谐波电流的效果，特别是存在的非特征谐波，是不能靠增大P值所能治理的。相对比较，本技术无上述缺点，这不仅改善了滤波效果，也带来经济节约，在技术上更胜一筹。附图说明图1为本技术的单相换流变压器原理接线图；图2为本技术的单相换流变压器绕组的布置示意图；图3为本技术的单相本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种自耦补偿与谐波屏蔽的换流变压器，包括原绕组（１）、副绕组、铁心（４），其特征在于：在供电变压器绕组的副方绕组中间引出自耦抽头，抽头将副方绕组分为两段类似自耦变压器的公共绕组（２）与串联绕组（３），公共绕组（２）与串联绕组（３）保持紧密耦合，并与其同相的原绕组（１）在圆柱铁心（４）上构成三绕组的同心布置，布置在中间层的公共绕组（２）的两端与容抗Ｘ↓［Ｃ］串有感抗Ｘ↓［Ｌ］的支路（７）并联，且基波下阻抗Ｘ↓［Ｃ］远大于Ｘ↓［Ｌ］，公共绕组（２）为屏蔽绕组，其等值阻抗为零，原绕组（１）的两端与电网电源相连，供电负荷（５）与公共绕组（２）和串联绕组（３）并联。

【技术特征摘要】
1.一种自耦补偿与谐波屏蔽的换流变压器，包括原绕组(1)、副绕组、铁心(4)，其特征在于在供电变压器绕组的副方绕组中间引出自耦抽头，抽头将副方绕组分为两段类似自耦变压器的公共绕组(2)与串联绕组(3)，公共绕组(2)与串联绕组(3)保持紧密耦合，并与其同相的原绕组(1)在圆柱铁心(4)上构成三绕组的同心布置，布置在中间层的公共绕组(2)的两端与容抗XC串有感抗XL的支路(7)并联，且基波下阻抗XC远大于XL，公共绕组(2)为屏蔽绕组，其等值阻抗为零，原绕组(1)的两端与电网电源相连，供电负荷(5)与公共绕组(2)和串联绕组(3)并联。2.根据权利要求1所述的自耦补偿与谐波屏蔽的换流变压器，其特征在于串联绕组(3)布置在靠近圆柱铁心(4)的内层，原绕组(1)排列在最外层，公共绕组(2)布置在串联绕组(3)和原绕组(1)之间。3.根据权利要求1所述的自耦补偿与谐波屏蔽的换流变压器，其特征在于原绕组(1)为星形或三角形，副绕组采用具有中间抽头分开的两段绕组串联构成的星形接线，三相输出端u、v、w与其中性点n引出并与供电负荷(5)相连，中间抽头a、b、c引出与外接的容感CL支路(7)连接，三抽头与中性点n之间的绕组便是屏蔽绕组，后者与串联绕组(3)紧密耦合，对通过的谐波电流起着安匝平衡作用，阻止谐波穿越气隙流窜到原方电网，三相绕组在三相铁心中各自同心布置，供电负荷(5)可以是三相或单相对中点n的非线性负荷，如果容量较大且计及三相负荷的不平衡，三相铁心也可改用五柱式结构，以便给零序磁通提供通路。4.根据权利要求1所述的自耦补偿与谐波屏蔽的换流变...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘福生，
申请(专利权)人：刘福生，
类型：实用新型
国别省市：43[中国|湖南]