自耦補償與諧波屏蔽整流變壓器的製作方法

2023-10-10 20:22:59

專利名稱：自耦補償與諧波屏蔽整流變壓器的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及電力輸送技術領域，特別涉及到整流、換流和牽引與電弧爐變壓器及其補償和濾波設備。
背景技術：
現代電力系統非線性負荷的比重逐步增多，較突出的是整流負荷和電弧爐負荷，後者包括交流或直流煉鋼，無論哪種煉鋼，其電流如同整流供電一樣，也是間隙性導通和開斷，迫使供電網的電流波形發生畸變，除工頻基波外，還有多種高次諧波含量，諧波電流從變壓器輸出側注入，形成諧波電流源，經供電變壓器繞組向原方電網側流竄，對通過迴路及相鄰設備帶來多方面的不良影響。傳統的治理諧波的方法是無源濾波，常用CL元件串接的並聯支路作調諧器，使之對注入的n次諧波電流予以分流，如濾波支路的等值阻抗ZF＝nXL-Xc/n2＝0，即取XL＝Xc/n2，則在該次諧波頻率下，其感抗與串接的容抗相抵消，並聯支路的零阻抗把該次諧波電流全吸引分流掉，濾波效果最好。但為避免諧振過電壓和諧波放大，實際選用的XL＝KSXc/n2，KS為大於1的安全係數，實際要求該係數取值不宜太小，這樣便明顯削弱了濾波效果。有源濾波器是以電力電子元器件組成的換流裝置，將備有的直流源提供的直流電流按跟蹤檢測與自動控制方式，實時逆變為同於畸變波形但方向相反的補償電流。該技術在工業發達國家早有應用，但其技術困難多，成本費用高，至今未能得到廣泛應用。

實用新型內容本實用新型所要解決的技術問題是提供一種既能避免無源濾波器發生諧振過電壓和諧波放大，又能達到有源濾波器的諧波補償作用的利用供電變壓器繞組的安匝平衡關係作濾波器的自耦補償與諧波屏蔽整流變壓器。
本實用新型所採用的技術方案是在供電變壓器繞組的副方繞組中間引出自耦抽頭，抽頭將副方繞組分為兩段類似自耦變壓器的公共繞組與串聯繞組，兩者保持緊密耦合，該兩段繞組與其同相的原方繞組在鐵心圓柱上構成三繞組的同心布置，布置在中間層的繞組的兩端與容抗XC串感抗XL支路並聯，且基波阻抗XL遠小於XC，中間層繞組為屏蔽繞組，其等值阻抗為零，副方繞組的兩端與供電負荷連接。
本實用新型的原理設濾除諧波次數為n，在對應的n倍頻率下，nXL-XC/n＝0，該零阻抗支路把n次諧波電流吸引到串聯繞組通過，串聯繞組因通過諧波產生的諧波磁通，必定穿鏈公共繞組即屏蔽繞組，後者隨即感生反向電流並以容感支路為迴路，該迴路的內接繞組與外接支路的阻抗均為零，通過電流無降壓，因而無需相應的電勢來維持，則該兩繞組的磁勢相反迫使諧波磁通全抵消，故無剩餘諧波磁通穿鏈外層的同相原方繞組，實現了對原方繞組的諧波屏蔽亦即磁耦的解耦作用，使諧波電流不能越過氣隙竄到原方電網。
本實用新型與現有技術相比具有明顯的優點1、本實用新型是抓住諧波源頭進行治理，在靠近整流變壓器的閥側和諧波電流入口處，利用副方自耦抽頭引接的容感L-C支路對諧波頻率構成的低阻抗作用，疏導諧波電流經串聯繞組就近返回負荷，而串聯繞組通過諧波電流產生的諧波磁通，又隨即被屏蔽繞組感生的反向磁通所抵消，阻止了諧波電流向原繞組傳送。這相當於在諧波注入處設置了一座屏障，從源頭對諧波進行堵截，但對基波電流可照常通過。
2、本實用新型開發了變壓器的潛能，利用了變壓器安匝平衡具有濾波作用。雖自耦抽頭引接的C-L元件與無源濾波的支路相似，但該電路的電流和電壓受到抽頭兩端耦合繞組的電磁關係的制約，沒有諧振過電壓和諧波放大的顧慮，故可選用XL＝XC/n2而不必避開諧振點，取得無源濾波達不到的濾波效果。本實用新型還利用屏蔽繞組的等值阻抗為零的條件，在感生電流通過環路時無壓降，無需諧波磁通產生的電勢來維持，使串聯繞組產生的諧波磁通全部被屏蔽繞組感生的反向磁通所抵消，後者相似於有源濾波的諧波補償作用，它是利用耦合繞組的自耦感應來完成，無需有源濾波的諧波發生源和控制系統來實現，取得同樣效果，其技術難度和成本費用低廉得多。
3、本實用新型是在治理電網諧波的同時，也制止了諧波在變壓器繞組中的傳送，使諧波對變壓器的損害得到有效治理，從而改善了整流變換的總體效益。正常工頻電壓下，補償支路的容抗XC較感抗XL大得多，對負荷無功起著補償作用。把無功補償安排在引出抽頭的低壓側，這不僅降低了補償裝置及其開關設備的電壓等級，減少了通過變壓器繞組的電流數值，並避免了網側接入補償要防止容性迴路與電網感抗可能發生諧振的影響問題，如整流變壓器的副方繞組沒有中間抽頭引接無功補償和濾波設備時，便要在原方網側高壓母線上安裝無源或有源濾波器，不論其濾波效果如何，負荷電流引起的無功和諧波分量都要通過該變壓器進入高壓母線，便要在繞組和鐵心中增加附加損耗發熱與噪音振動，導致材料和成本增大，相對比較，本實用新型排除了這些不良成分帶來的有害影響。這對電網安全與補償設備的自身安全都有好處。
4、在多相整流器中，本實用新型彌補了單純增加脈動數P的不足之處。增加整流器的脈動數P，是削弱諧波的重要方法之一，隨P值的增大，特徵諧波最大的諧波次數隨之增大，諧波電流含量的相對值則與此成反比減小，這樣做要增加換流器的數量及其控制的複雜性，還要調整變壓器副方的接線組合及其鄰相間的位移角度，這不僅要增大材料的消耗和成本費，而且很難做到全面消除諧波電流的效果，特別是存在的非特徵諧波，是不能靠增大P值所能治理的。相對比較，本實用新型無上述缺點，這不僅改善了濾波效果，也帶來經濟節約，在技術上更勝一籌。

圖1為本實用新型的單相整流變壓器原理接線圖圖2為本實用新型的單相整流變壓器繞組的布置示意圖圖3為本實用新型的單相整流變壓器的等值電路圖圖4為本實用新型的三相六脈動整流變壓器的原理接線圖圖5為本實用新型的三相六脈動整流變壓器的電壓相量圖圖6為本實用新型的六相十二脈動整流變壓器的原理接線圖具體實施方式下面結合本實用新型的實施例進一步說明本實用新型的具體結構實施例1如圖1-3所示，本實施例為單相自耦補償與諧波屏蔽整流變壓器，包括原繞組1、副繞組和圓柱鐵心4，在副繞組的中間引出自耦抽頭而將副繞組分成繞組2和3，三個繞組共同布置在圓鐵心柱4上，副繞組3布置在靠近圓柱鐵心4的內層，原繞組1排列在在最外層，副繞組2布置在副繞組3和原繞組1之間，副繞組2的兩端與容抗XC串感抗XL的支路相接，原繞組1的兩端與電網電源相連，供電負荷5與串聯的兩個副繞組2和3並聯。
本實施例可為單相的整流負荷或電弧爐負荷供電，也可為電氣化鐵路的單相牽引變壓器或兩臺單相變壓器組合為V形接線的牽引變壓器應用，後者的輸出側雖不直接與換流器相連接，但供電的負荷性質相類似，可利用副方繞組中間引出抽頭改善無功補償與濾波。依兩繞組間的分別短路測知的短路阻抗並換算成同一電壓的等值阻抗Z12、Z13、Z23，圖3中的各等值阻抗可按下式求得Z1＝0.5(Z12+Z13-Z23)Z2＝0.5(Z12+Z23-Z13)Z3＝0.5(Z13+Z23-Z12)兩繞組間的短路阻抗與兩者中線間的距離成正比，則Z12、Z13和Z23分別與其下標繞組間的幅向距離a12、a23和a13成比例，由圖2看出，a12+a23＝a13，則中間繞組Z2＝0.5(Z12+Z23-Z13)，應與a12+a23-a13成比例，按對應的距離關係式，不難得知Z2＝0，故同心布置三繞組的中間繞組等值阻抗必定為零。這樣，處於外層與內層之間的中間層繞組即為屏蔽繞組。
圖3中ZS代表系統的等值阻抗，該支路Z1+ZS與Z2並聯，因Z2＝0，故原方繞組與系統電網不可能對諧波電流起分流作用，這進一步顯示Z2＝0的重要性。
實施例2
本實施例為自耦補償與諧波屏蔽三相整流器，原繞組可為星形或三角形(圖中未畫出)，副繞組採用延邊具有中間引出抽頭的延邊三角形，如圖4所示，延邊端點u、v、w分別與閥側的三相整流橋6連接，構成六脈動的整流輸出並與供電負荷5相連；三角形的三相引出端a、b、c分別與補償容感LC元件相接。其三角形的相繞組相當於自耦變壓器的公共繞組2，在濾波中起著屏蔽作用，延邊繞組相當於自耦變壓器的串聯繞組3；同一相的延邊繞組、角形繞組與原方繞組1在圓柱鐵心4上同心布置。通過諧波電流產生磁通，與上述單相整流變壓器相似，要被同相屏蔽繞組感生的反向磁通所抵消。延邊繞組相電壓Ue與同相的角形繞組相電壓Ud、鄰相延邊繞組相壓Ue和輸出相間電壓U2構成的相量關係如圖5所示，θ為延邊產生的相位移角度，由相量的幾何關係可得Ue/Sinθ＝(Ue+Ud)/Sin(60°-θ)＝U2/Sin120°Ue/U2=2sin/3]]>上式代表延邊繞組相電壓Ue與延邊輸出的合成電壓U2和位移角θ的相應關係，據此可用以協調與相關接線的相位，屏蔽諧波的n值可選為5或7。
實施例3本實施例為由副方兩個延邊三角形組成6相12脈的自耦補償與諧波屏蔽整流變壓器。如圖6所示，副方繞組的兩組三相輸出分別與各自的三相整流設備6連接，兩個整流設備6含有可形成12個脈動相的晶閘管，相間電位差為30°，兩個延邊三角形繞組中引出的自耦補償和屏蔽濾波的自耦抽頭，與外加的補償和濾波設備7即容感支路L-C相連；原有整流變壓器按傳統接線常將補償和濾波設備裝在網側高壓母線上，本實用新型把補償和濾波設備7從網側移到靠近網閥側，以使進入變壓器繞組的無功和諧波電流可立即得到補償和清除。
12脈動角位移θ的確定12脈動相的相間電位差為360°/12＝30°；為此，應使副方繞組的一個延邊三角形前移15°，另一個後移15°，按上述關係知，取θ＝15°，則得Ue/U2＝Sin15°/Sin120°＝0.2989，Ud/U2＝0.5176，(Ue+Ud)/U2＝Sin(60°-15°)/Sin120°＝0.8165，故保持延邊繞組與三角形繞組的匝比為Ue/Ud＝0.2989/0.5176＝0.5775，取得相位移為15°，但要注意角度前移與後移的區別，以使兩者間相位差值為30°，才能取得原有直流輸電換流變壓器副方以星形和三角形接線構成的12相脈動的同樣的整流效果。副方繞組引出的中間抽頭與外加的補償設備相連接，有利於清除負荷電流中無功和諧波等有害成分對變壓器和電網系統的不良幹擾。對12脈動相的最大特徵諧波次數按P±1計，故n值可取為11或13。
權利要求1.一種自耦補償與諧波屏蔽整流變壓器，包括原繞組(1)、副繞組、鐵心(4)，其特徵在於在供電變壓器繞組的副方繞組中間引出自耦抽頭，抽頭將副方繞組分為兩段類似自耦變壓器的公共繞組(2)與串聯繞組(3)，公共繞組(2)與串聯繞組(3)保持緊密耦合，並與其同相的原方繞組(1)在圓柱鐵心(4)上構成三繞組的同心布置，布置在中間層的公共繞組(2)的兩端與容抗XC串感抗XL支路(7)並聯，且基波阻抗XC遠大於XL，公共繞組(2)為屏蔽繞組，其等值阻抗為零，原繞組(1)的兩端與電網電源相連，供電負荷(5)與串聯的公共繞組(2)和串聯繞組(3)並聯。
2.根據權利要求1所述的自耦補償與諧波屏蔽整流變壓器，其特徵在於串聯繞組(3)布置在靠近圓柱鐵心(4)的內層，原繞組(1)排列在最外層，公共繞組(2)布置在串聯繞組(3)和原繞組(1)之間。
3.根據權利要求1所述的自耦補償與諧波屏蔽整流變壓器，其特徵在於原繞組(1)為星形或三角形，副繞組採用具有中間引出抽頭的延邊三角形，延邊三相端點u、v、w分別與閥側的三相整流設備(6)連接，構成六脈動的整流輸出並與供電負荷(5)相連；延邊三角形的三相引出端a、b、c分別與外接的補償容感LC支路(7)相接；其三角形的相繞組相當於自耦變壓器的公共繞組(2)，對相應諧波起著屏蔽作用，延邊繞組相當於自耦變壓器的串聯繞組(3)；同一相的延邊繞組、角形繞組與原方繞組(1)在圓柱鐵心(4)上同心布置。
4.根據權利要求3所述的自耦補償與諧波屏蔽整流變壓器，其特徵在於延邊繞組相電壓Ue、延邊繞組輸出的相電壓U2、三角形繞組相電壓為Ud，三者的關係為Ue/Sinθ＝(Ue+Ud)/Sin(60°-θ)＝U2/Sin120°，即Ue/U2=2Sin/3,]]>「θ」為延邊產生的相位移角度。
5.根據權利要求3所述的自耦補償與諧波屏蔽整流變壓器，其特徵在於副方為由兩個延邊三角形組成的6相12脈動自耦補償與諧波屏蔽整流器，副方繞組的兩組三相輸出分別與各自的三相整流設備(6)連接，兩個整流設備(6)含有形成12個脈動相的晶閘管，相間電位差為30°，兩個延邊三角形繞組中引出自耦補償和屏蔽濾波的自耦抽頭，與外加的補償和濾波容感C-L支路(7)相連。
6.根據權利要求3或4或5所述的自耦補償與諧波屏蔽整流變壓器，其特徵在於副方繞組的一個延邊三角形相位前移，另一個後移15°；實現位移15°的延邊繞組相電壓相對三相輸出電壓的比值為Ue/U2＝0.2989，Ud/U2＝0.5176，(Ue+Ud)/U2＝0.8165。
專利摘要一種自耦補償與諧波屏蔽的整流變壓器，是在供電變壓器的副方繞組中間引出自耦抽頭，該抽頭把副方繞組分為兩段，類似自耦變壓器公共繞組與串聯繞組，兩者緊密耦合，該兩段副方繞組與原繞組在鐵芯圓柱上構成三繞組的同心布置，其中公共繞組布置在原方繞組與串聯繞組間，其等值阻抗為零，公共繞組的兩端與外接濾波容感支路相接。本實用新型可對用戶工頻下的感性電流就近實行無功補償，對諧波電流利用抽頭分開的兩端繞組在相應諧波頻率下的安匝平衡作用使之被迫抵消，從而疏導諧波電流經串聯繞組就近返回負荷，阻止其越過氣隙傳送到原方電網，從源頭對諧波進行根治，對原方電網實現諧波屏蔽和隔離時也避免了諧波電流和諧波磁通對變壓器本身的損害。
文檔編號H01F30/00GK2669334SQ20032012401
公開日2005年1月5日 申請日期2003年12月19日 優先權日2003年12月19日
發明者劉福生 申請人:劉福生