平衡绕组在自耦变压器中的作用|浙江新航电气有限公司-凯时官网

平衡绕组在自耦变压器中的作用

发布时间:2020-05-14 15:22:00来源:浙江新航电气有限公司

为了提高自耦变压器的供电质量和减少零序漏磁通在自耦变压器结构件中所产生的局部过热现象,在节约自耦变压器制造成本的同时,确保自耦变压器能够经济、安全、可靠地运行。为此三角形(d)绕组在自耦变压器(尤其在大容量自耦变压器)内部的应用是必不可少的,三角形绕组在自耦变压器中即可充当工作绕组也可作为平衡绕组。当作为工作绕组时,如果系统电网三相不对称时容易使工作绕组的虚拟中性点漂移,需另外配置接地自耦变压器以稳定其中性点,这样做不经济。因此,工作绕组最好采用中性点引出的星形连接的绕组(yn)。补偿绕组也叫平衡绕组,三角形连接,可以对外输出功率,也可以不对外输出功率。主要为三次谐波电流提供通路,消除三次谐波磁通,从而消除电压中的三次谐波分量。

国家标准中未对平衡绕组的容量作出明确的规定,一般按自耦变压器额定容量的50%进行选取。目前,结合平衡绕组在自耦变压器运行中的多年经验、运行方式及平衡绕组的结构形式,在确保自耦变压器能够满足使用要求的情况下,当其仅充当平衡绕组时,一般设计成10kv级,容量大约为自耦变压器额定容量的1/3或30%。

1、平衡绕组在自耦变压器中的作用:

1.1、提供高次谐波通道,改善感应电动势波形:

三相自耦变压器绕组的连接方式对空载损耗和空载电流有一定的影响,自耦变压器运行中的三相电压对称性、电压谐波分量和电流谐波分量取决于三相自耦变压器的连接方式。铁心的磁性连接决定了自耦变压器能否得到与电网电压变化相对应的磁通密度变化所需的励磁电流的所有高次谐波。

如果三相自耦变压器一次绕组中性点不接地、星形连接,二次是三角形连接,那么一次不能得到3n(n=1,2,3…)的电流谐波,所需的3n(n=1,2,3…)的电流谐波在三角形的绕组内流通。

如果三相自耦变压器绕组均是星形连接,中性点与三相供电电网的中性点连接,零序电流仅在一次侧流动,自耦变压器处于自由状态。若星形连接的绕组中性点不与三相供电电网的中性点连接(或不接地),由于 3n(n=1,2,3…)的电流谐波不能在一次绕组中通过,因此,在自耦变压器中增设平衡绕组是首选方案。平衡绕组作为三角形连接的绕组同样能为3n(n=1,2,3…)次谐波电流提供通路,改善感应电动势波形,进而保证自耦变压器的输出电压接近于正弦波,确保供电质量,防止电力系统中的继电保护误动作,避免造成不必要的损失。在自耦变压器试验过程中,也能保证测量结果的正确性。

目前自耦变压器的铁心是由晶格取向的冷轧硅钢片叠积而成的,在自耦变压器绕组外加励磁电压的作用下,铁心中将产生磁通,磁通的大小不仅与自耦变压器的励磁电压有关,还与硅钢片的励磁特性有关,即硅钢片材质所决定的磁化曲线(见图1)。从图 1 中可以看出,该曲线为非线性曲线。对于联结组为yyn0 的自耦变压器,当在高压侧施加三相正弦波电压时,空载电流的3n 次谐波分量没有通路,再加上没有三角形连接的绕组,所产生的空载励磁电流为正弦波形,在铁心中的磁通必然会是非正弦波经傅立叶级数变换后,可分解为基波和高次谐波分量(而且越接近或超过膝点a 其含量越大),其中 3、5、7 及 9 次谐波含量最大。根据电磁感应原理,自耦变压器二次侧输出的电压将是非正弦波电压,这不是我们所希望的。如果将上述联结组标号变为yyn0 d,在给自耦变压器开始励磁的瞬间,平衡绕组侧输出的电压将是非正弦波电压,由于非正弦电压中的高次谐波分量(主要是3n 次)在三相绕组中同一时刻方向相同,再加上三角形绕组是一个闭合回路,将产生含高次谐波分量(主要是3n 次)的非正弦波电流,这样高次谐波分量电流(主要是3n 次)便可在三角形连接的绕组中流通。根据磁势平衡原理,在自耦变压器铁心中将要产生高次谐波磁通(主要是3n 次),这个磁通可以将送电瞬间所产生的大量高次谐波磁通(主要是3n 次)所抵消,从而使铁心中的磁通接近正弦波,由此所感应的磁势为正弦波形。又由于自耦变压器硅钢片磁致伸缩的基频为自耦变压器额定频率的两倍,基于上述分析,由磁致伸缩所决定的自耦变压器噪声也会随之降低,可见平衡绕组对减小环境的污染也起到重要的作用。

图 1 磁化曲线

1.2、提高自耦变压器带不平衡负载的能力,以稳定电压中性点:

自耦变压器在运行时会出现三相负载不平衡、短路、断路、单相或双相电压升高或降低等现象。这些现象的发生将导致自耦变压器三相电压不对称,根据对称分量法的原理,可以把任何一组不对称(三相电压或三相电流在数值上不等或相位上各差不等于120°)的量,分解成为一定大小、一定相位的一组对称的正序分量、一组对称的负序分量和一组零序分量。现以三相电流为例,其不对称分量分解如下(见图 2)。由图2 中可以看到,当不对称分量分解的零序分量所对应的磁通在自耦变压器铁心中流通时,由于三相磁通在同一瞬间大小相等、方向相同,所以每个铁心柱上所流通的零序分量磁通不能以其他两柱为回路(对于三相三柱式铁心结构而言)。若自耦变压器中没有平衡绕组,零序分量磁通将以夹件、压钉、油隙和油箱壁等构成回路,同时会产生能量损失,而且随着自耦变压器的容量和电压等级的增大而成指数上升的趋势。若自耦变压器中带有封闭三角形的平衡绕组,那么零序磁通将会在三角形绕组中感应出零序电势,同时产生零序电流,零序电流与绕组的匝数的乘积便形成了磁势。根据磁势平衡原理,它将阻止零序磁通在铁心柱中的流通,提高了为不平衡负载的供电能力。

图 2 不对称分量的分解

1.3、改善自耦变压器的零序阻抗:

自耦变压器运行部门为了准确地调整继电保护,总希望自耦变压器的零序阻抗是一个不变的数值。对于三相五柱式铁心结构和带旁轭的单相自耦变压器或组成三相自耦变压器组的单相自耦变压器,虽然零序磁通可在旁柱中流通,但是若没有带封闭三角形的平衡绕组,不论其他绕组短接与否,均不会产生电流来抵消零序磁通。所以零序阻抗随着外施电压和电流的增加而变小,即所谓零序阻抗是个变量。若自耦变压器中设置了带封闭三角形的平衡绕组,由于在三角形绕组中能流通循环电流,使零序磁通的励磁安匝绝大部分被抵消,而只剩下极少的漏磁通,像正序阻抗和负序阻抗一样,集中在绕组之间的主空道内,因此其数值不随电压和电流的大小而变化,这类零序阻抗的数值是线性的,一般只测量一点就可以了。零序磁通在铁心中的分布见图 3 和图 4。从图 3 和图 4 中可看出,由零序阻抗所对应的零序磁通,在三相三柱铁心内由于三相零序磁通方向相同,必须通过铁心的结构件油箱等构成回路。而五柱铁心可以通过两旁轭构成回路。由单相自耦变压器组成的三相自耦变压器组,则各相在自己的铁心中成回路。因此如果一个不带封闭三角形绕组的自耦变压器,采用三相三柱式结构、三相五柱式和由三台单相组成的三相自耦变压器组结构进行设计时,后两种结构型式的自耦变压器运行时,在其绕组、引线、油箱、铁心及其他金属结构件中所出现的局部过热现象将有所降低。

图3三柱式铁心的零序磁通分布

图 4 五柱式铁心的零序磁通分布


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