阻抗匹配三相變四相平衡變壓器四相輸電的經(jīng)濟(jì)技術(shù)優(yōu)勢(shì)

我國(guó)電力事業(yè)的發(fā)展與一次能源主要是煤炭與水利資源的分布以及區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展的現(xiàn)狀密切相關(guān)，能源分布很不均勻，一次能源主要集中在西部地區(qū)，而東部地區(qū)的經(jīng)濟(jì)相對(duì)發(fā)達(dá)，這就必然形成電力資源的“西電東送”的基本格局，不僅送電距離長(zhǎng)，而且送電容量十分巨大，輸電線路地形結(jié)構(gòu)異常復(fù)雜。因此，研究遠(yuǎn)距離大容量輸電技術(shù)是一項(xiàng)十分重要和相當(dāng)緊迫的任務(wù)。目前，世界上國(guó)土遼闊的國(guó)家都在進(jìn)行遠(yuǎn)距離大容量輸電方式的研究。已 的輸電方案主要有特高壓交流輸電、超高壓緊湊型交流輸電、超高壓直流輸電、柔性交流輸電、激光輸電、微波輸電、分頻交流輸電、多相輸電以及四相輸電等。其中，四相輸電作為一種新型的輸電方式， 將對(duì)其經(jīng)濟(jì)技術(shù)優(yōu)勢(shì)作一簡(jiǎn)要介紹 。

四相輸電是基于多相輸電并受三相變兩相電氣化鐵路牽引供電系統(tǒng)的啟發(fā)而由湖南大學(xué)劉福生等人 來(lái)的一種新型輸電方式。四相輸電系統(tǒng)是最接近于三相的多相系統(tǒng)，也是最小可能的偶數(shù)相系統(tǒng)，它既具有多相輸電方式的優(yōu)點(diǎn)，又克服了多相輸電所存在的缺點(diǎn)，是一種優(yōu)勢(shì)十分明顯的輸電方式。

阻抗匹配平衡變壓器的概念首先是由湖南大學(xué)劉福生教授提出，主要應(yīng)用于需要將三相交流電源系統(tǒng)轉(zhuǎn)化為兩相或單相交流電源系統(tǒng)的領(lǐng)域。由于三相與兩相或單相電源之間的轉(zhuǎn)換不同于通用的三相電源之間的轉(zhuǎn)換，不僅有電壓、電流大小的變化，而且還存在相位之間的轉(zhuǎn)換。這種轉(zhuǎn)換有可能使得三相電源系統(tǒng)變?yōu)椴黄胶庀到y(tǒng)而對(duì)整個(gè)電網(wǎng)產(chǎn)生不良影響，為此，在三相與兩相系統(tǒng)之間的轉(zhuǎn)換過(guò)程中必須要求保持三相系統(tǒng)的平衡。阻抗匹配平衡變壓器通過(guò)調(diào)整繞組之間的阻抗匹配關(guān)系而保持各相應(yīng)繞組之間電氣關(guān)系平衡，實(shí)現(xiàn)三相系統(tǒng)平衡運(yùn)行。三相變四相與三相變兩相一樣也是一種不等相轉(zhuǎn)換，也只有通過(guò)調(diào)整繞組間阻抗匹配關(guān)系實(shí)現(xiàn)相應(yīng)繞組電磁關(guān)系平衡，以使三相電源系統(tǒng)保持平衡。首先對(duì)各種平衡變壓器特別是阻抗匹配平衡變壓器的接線特點(diǎn)及原理進(jìn)行分析，然后就阻抗匹配三相變四相平衡變壓器的接線方案、阻抗匹配關(guān)系的確定以及繞組之間各種電氣關(guān)系基本原理進(jìn)行系統(tǒng)研究，以建立阻抗匹配三相變四相平衡變壓器的理論體系。

三相變四相與三相變兩相一樣是一種不等相對(duì)稱(chēng)變換，電源相位由120度變?yōu)?0度。與其它平衡變壓器的基本要求一樣，三相變四相變壓器要求在四相側(cè)負(fù)載廣泛變化情況下能保持三相系統(tǒng)的平衡運(yùn)行。為此，根據(jù)三相變兩相阻抗匹配平衡變壓器繞組接線方案，將二次側(cè)繞組對(duì)稱(chēng)性地增加一倍并按照如圖2.8所示方式構(gòu)造成一新型的三相變四相阻抗匹配平衡變壓器。

支臂繞組匝數(shù)與磯的關(guān)系由滿足四相側(cè)構(gòu)成相位相差90°的電壓源確定，四相側(cè)電壓源相位關(guān)系如圖2.9所示。

根據(jù)四相側(cè)電壓源相位角度關(guān)系，繞組電壓幅值應(yīng)滿足:

當(dāng)四相側(cè)各繞組匝數(shù)滿足(2.33), (2.35)關(guān)系時(shí)，在一次側(cè)施加三相對(duì)稱(chēng)電壓，二次側(cè)d, e, f, g四相端口處就可以得到幅值相等、相位相差900的電壓源。圖2.10為阻抗匹配三相變四相平衡變壓器在三相側(cè)施加平衡對(duì)稱(chēng)電壓源時(shí)四相側(cè)的電壓相位關(guān)系，它們彼此相差90度，實(shí)現(xiàn)了由相位相差120度的三相電源向相位相差90度的四相電源轉(zhuǎn)換。

阻抗匹配三相變四相平衡變壓器與其它三相變四相電力變壓器相比其接線方式的根本區(qū)別是該變壓器是通過(guò)調(diào)整繞組間內(nèi)部阻抗關(guān)系以保持不同鐵心繞組間電磁關(guān)系的平衡，實(shí)現(xiàn)三相與四相的平衡對(duì)稱(chēng)轉(zhuǎn)換。由于三相變四相是一種非等相變換，各相的繞組結(jié)構(gòu)不可能一致。要使四相側(cè)輸出的四相電流相等時(shí)，換算到三相側(cè)的三相電流能保持對(duì)稱(chēng)，應(yīng)做到不同鐵心的各相繞組伏安值相等，只有通過(guò)內(nèi)部繞組間阻抗匹配，人為控制相關(guān)繞組的電流分布和相位關(guān)系才能實(shí)現(xiàn)。三相側(cè)可通過(guò)中性點(diǎn)接地，四相側(cè)有三角形繞組，上下兩套繞組的繞向及結(jié)構(gòu)布置完全一致，可采用通用三相三柱式鐵心。

容量:100kVA

相電壓比:0.220/0.269kV(1:邁萬(wàn))

頻率:50Hz

三相側(cè)額定相電壓:0.220kV

三相側(cè)額定相電流:151.5A

四相側(cè)額定相電壓:0.269kV

四相側(cè)額定相電流:92.77A

各繞組匝數(shù)以及繞組間的阻抗關(guān)系:滿足阻抗匹配三相變四相平衡變壓器原理要求。其它有關(guān)負(fù)載損耗，空載損耗以及空載電流可參照GB1094, GB6451有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。

阻抗匹配三相變四相平衡變壓器在四相輸電、AT牽引供電系統(tǒng)、四相整流系統(tǒng)以及所有單相或兩相負(fù)荷系統(tǒng)中具有廣闊的應(yīng)用前景。由于三相與四相交流系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換不僅存在電壓的變換而且存在相位的轉(zhuǎn)換，通過(guò)調(diào)整繞組間的空間布置及結(jié)構(gòu)關(guān)系使繞組間的電氣關(guān)系保持平衡從而實(shí)現(xiàn)三相與四相系統(tǒng)之間的平衡對(duì)稱(chēng)轉(zhuǎn)換。 對(duì)該變壓器的基本原理、各種電氣關(guān)系、阻抗約束關(guān)系以及運(yùn)行特性等方面進(jìn)行了一系列研究并對(duì)該變壓器應(yīng)于AT供電系統(tǒng)、四相整流等領(lǐng)域進(jìn)行了探討，取得了一定研究成果。為了使該變壓器能實(shí)現(xiàn)工程化，還有大量的理論研究和生產(chǎn)設(shè)計(jì)工作有待今后深入開(kāi)展:

(1)繞組間阻抗匹配關(guān)系的進(jìn)一步理論研究及工程實(shí)現(xiàn)。由于在變壓器設(shè)計(jì)中B相鐵心繞有7個(gè)繞組，相互電磁關(guān)系復(fù)雜，要實(shí)現(xiàn)完全的結(jié)構(gòu)對(duì)稱(chēng)是有一定困難，因此，建立多變量的有限元仿真模型以實(shí)現(xiàn)阻抗匹配關(guān)系是該變壓器設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。

(2)故障分析及繼電保護(hù)方案的研究。變壓器的外部短路故障理論分析結(jié)果與模擬仿真結(jié)果基本一致，但內(nèi)部故障理論分析結(jié)果與仿真結(jié)果存在一定誤差。為此，需進(jìn)一步完善內(nèi)部繞組匝間短路及各引出端子間短路故障電流的理論計(jì)算，以便為該變壓器繼電保護(hù)方案的制定提供理論指導(dǎo)。

(3)四相整流及AT供電系統(tǒng)應(yīng)用的進(jìn)一步研究。只是對(duì)該變壓器應(yīng)用于四相整流及AT供電系統(tǒng)的基本原理及性能特性做了一些初步的探討。從初步研究的結(jié)果來(lái)看，四相整流系統(tǒng)較三相整流系統(tǒng)有許多優(yōu)越性，但要全面掌握四相整流的性能特點(diǎn)還有許多理論研究工作有待進(jìn)一步研究;對(duì)于該變壓器應(yīng)用于AT供電系統(tǒng)，其運(yùn)行性能特點(diǎn)、對(duì)電網(wǎng)電壓的波動(dòng)、諧波以及對(duì)通訊干擾等方面都需要做進(jìn)一步的研究。

(4)完成阻抗匹配三相變四相平衡變壓器樣機(jī)的研制。希望能完成100kVA新型平衡變壓器樣機(jī)的制造，這是推動(dòng)阻抗匹配三相變四相平衡變壓器在四相輸電、牽引供電以及四相整流領(lǐng)域應(yīng)用的關(guān)鍵所在。在此基礎(chǔ)上開(kāi)展新型平衡變壓器樣機(jī)的試驗(yàn)研究，進(jìn)一步探索新型平衡變壓器性能特性及在不同應(yīng)用領(lǐng)域里的運(yùn)行特性，為其進(jìn)一步的工程化應(yīng)用提供理論指導(dǎo)。2100433B

二相變壓器該箱式變壓器鐵芯為三相三柱或三相四柱，線圈為T(mén)型接線，中部無(wú)載調(diào)壓，二次輸出互相獨(dú)立的單相電為0．23KV的三相變二相變壓器。兩個(gè)獨(dú)立輸出單相的電壓，無(wú)中性點(diǎn)位移，而三相輸入還是三相對(duì)稱(chēng)系統(tǒng)。與同容量變壓器相比損耗低10%～15%。過(guò)載能力強(qiáng)，允許超容25%可長(zhǎng)期運(yùn)行。

主權(quán)項(xiàng)

權(quán)利要求書(shū)1，三相變二相變壓器，由二臺(tái)單相變壓器組成，其特征在于將一臺(tái)變壓器壓繞組的末端聯(lián)接在另一臺(tái)變壓器高壓繞組的中央，組成T形聯(lián)接的三相高壓繞組，這樣聯(lián)接起來(lái)的兩個(gè)單相變壓器成了三相變二相的變壓器，高、低壓引出線在同-側(cè)，高低壓引出有配電間隔，一次繞組T接，二次輸出互差90°單相電源，具有無(wú)中性點(diǎn)位移，高壓引出采用直通套管肘型電纜插拔頭組成，變壓器鐵芯三相三柱，中柱截面等于邊柱的1.4倍，或四個(gè)等截面芯柱的鐵芯。

在三相變壓器建立新的中線-接地就可解除電網(wǎng)中共模干擾和其它中線的困擾，三相變壓器將三線△接線轉(zhuǎn)換為四線Y₀系統(tǒng)，加屏蔽就進(jìn)一步免除了由變壓器內(nèi)部耦合的高頻脈沖干擾和噪音，雖然有屏蔽的三相變壓器對(duì)各種N-G來(lái)的干擾（脈沖和高頻噪聲）能有效防止，但變壓器必須正確妥善接地否則抗共模干擾將無(wú)效果。

三相變壓器使用條件

1 、適用海拔高度：≤5000m。

2、 環(huán)境溫度：-15℃~ 45℃。

3 、相對(duì)濕度：≤90%。

4 、安裝場(chǎng)所應(yīng)無(wú)嚴(yán)重影響變壓器絕緣強(qiáng)度的氣體，蒸汽，化學(xué)性沉積，污垢，導(dǎo)電塵埃及無(wú)其他易爆易燃易腐蝕的物質(zhì)。

5 、凡不符合上述使用條件的，應(yīng)與我們協(xié)商確定。

6、可根據(jù)用戶(hù)的要求進(jìn)行精心的設(shè)計(jì)與制造。

三相變壓器特性?xún)?yōu)點(diǎn)

1、高度隔離；

2、N-G性能良好；

3、高度共模干擾抑制；

4 、將△轉(zhuǎn)換為Y或Y至△；

5、電壓抽頭容易轉(zhuǎn)換；

6、按用戶(hù)的特殊性能要求設(shè)計(jì)。

三相變壓器技術(shù)指標(biāo)

1、輸入額定電壓：三相380V或單相380V或單相220V；

2、工作頻率：50Hz-60Hz；

3、效率：≥95%；

4、溫升：<60；

5、波形畸變：<0.1%；

6、高壓測(cè)試：2500V， 1分鐘無(wú)擊穿。