阻抗匹配三相變四相平衡變壓器

阻抗匹配平衡變壓器通過調整繞組之間的阻抗匹配關係而保持各相應繞組之間電氣關係平衡，實現三相系統平衡運行。三相變四相與三相變兩相一樣也是一種不等相轉換，也只有通過調整繞組間阻抗匹配關係實現相應繞組電磁關係平衡，以使三相電源系統保持平衡。

基本介紹

• 中文名：阻抗匹配三相變四相平衡變壓器
• 外文名：Impedance matching three phase four phase balance transformer
• 提出者：劉福生
• 類型：電力設備
• 領域：能源
• 學科：電氣工程

四相輸電的經濟技術優勢

我國電力事業的發展與一次能源主要是煤炭與水利資源的分布以及區域經濟發展的現狀密切相關，能源分布很不均勻，一次能源主要集中在西部地區，而東部地區的經濟相對發達，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，而且送電容量十分巨大，輸電線路地形結構異常複雜。因此，研究遠距離大容量輸電技術是一項十分重要和相當緊迫的任務。目前，世界上國土遼闊的國家都在進行遠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、雷射輸電、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， 將對其經濟技術優勢作一簡要介紹。

四相輸電是基於多相輸電並受三相變兩相電氣化鐵路牽引供電系統的啟發而由湖南大學劉福生等人 來的一種新型輸電方式。四相輸電系統是最接近於三相的多相系統，也是最小可能的偶數相系統，它既具有多相輸電方式的優點，又克服了多相輸電所存在的缺點，是一種優勢十分明顯的輸電方式。

阻抗匹配三相變四相平衡變壓器原理

阻抗匹配平衡變壓器的概念首先是由湖南大學劉福生教授提出，主要套用於需要將三相交流電源系統轉化為兩相或單相交流電源系統的領域。由於三相與兩相或單相電源之間的轉換不同於通用的三相電源之間的轉換，不僅有電壓、電流大小的變化，而且還存在相位之間的轉換。這種轉換有可能使得三相電源系統變為不平衡系統而對整個電網產生不良影響，為此，在三相與兩相系統之間的轉換過程中必須要求保持三相系統的平衡。阻抗匹配平衡變壓器通過調整繞組之間的阻抗匹配關係而保持各相應繞組之間電氣關係平衡，實現三相系統平衡運行。三相變四相與三相變兩相一樣也是一種不等相轉換，也只有通過調整繞組間阻抗匹配關係實現相應繞組電磁關係平衡，以使三相電源系統保持平衡。首先對各種平衡變壓器特別是阻抗匹配平衡變壓器的接線特點及原理進行分析，然後就阻抗匹配三相變四相平衡變壓器的接線方案、阻抗匹配關係的確定以及繞組之間各種電氣關係基本原理進行系統研究，以建立阻抗匹配三相變四相平衡變壓器的理論體系。

阻抗匹配三相變四相平衡變壓器接線方案

三相變四相與三相變兩相一樣是一種不等相對稱變換，電源相位由120度變為90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負載廣泛變化情況下能保持三相系統的平衡運行。為此，根據三相變兩相阻抗匹配平衡變壓器繞組接線方案，將二次側繞組對稱性地增加一倍並按照如圖2.8所示方式構造成一新型的三相變四相阻抗匹配平衡變壓器。

支臂繞組匝數與磯的關係由滿足四相側構成相位相差90°的電壓源確定，四相側電壓源相位關係如圖2.9所示。

根據四相側電壓源相位角度關係，繞組電壓幅值應滿足:

當四相側各繞組匝數滿足(2.33), (2.35)關係時，在一次側施加三相對稱電壓，二次側d, e, f, g四相連線埠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施加平衡對稱電壓源時四相側的電壓相位關係，它們彼此相差90度，實現了由相位相差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別是該變壓器是通過調整繞組間內部阻抗關係以保持不同鐵心繞組間電磁關係的平衡，實現三相與四相的平衡對稱轉換。由於三相變四相是一種非等相變換，各相的繞組結構不可能一致。要使四相側輸出的四相電流相等時，換算到三相側的三相電流能保持對稱，應做到不同鐵心的各相繞組伏安值相等，只有通過內部繞組間阻抗匹配，人為控制相關繞組的電流分布和相位關係才能實現。三相側可通過中性點接地，四相側有三角形繞組，上下兩套繞組的繞向及結構布置完全一致，可採用通用三相三柱式鐵心。

阻抗匹配三相變四相平衡變壓器技術條件

容量:100kVA

相電壓比:0.220/0.269kV(1:邁萬)

頻率:50Hz

三相側額定相電壓:0.220kV

三相側額定相電流:151.5A

四相側額定相電壓:0.269kV

四相側額定相電流:92.77A

各繞組匝數以及繞組間的阻抗關係:滿足阻抗匹配三相變四相平衡變壓器原理要求。其它有關負載損耗，空載損耗以及空載電流可參照GB1094, GB6451有關標準。

展望

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、四相整流系統以及所有單相或兩相負荷系統中具有廣闊的套用前景。由於三相與四相交流系統的轉換不僅存在電壓的變換而且存在相位的轉換，通過調整繞組間的空間布置及結構關係使繞組間的電氣關係保持平衡從而實現三相與四相系統之間的平衡對稱轉換。 對該變壓器的基本原理、各種電氣關係、阻抗約束關係以及運行特性等方面進行了一系列研究並對該變壓器應於AT供電系統、四相整流等領域進行了探討，取得了一定研究成果。為了使該變壓器能實現工程化，還有大量的理論研究和生產設計工作有待今後深入開展:

(1)繞組間阻抗匹配關係的進一步理論研究及工程實現。由於在變壓器設計中B相鐵心繞有7個繞組，相互電磁關係複雜，要實現完全的結構對稱是有一定困難，因此，建立多變數的有限元仿真模型以實現阻抗匹配關係是該變壓器設計的關鍵。

(2)故障分析及繼電保護方案的研究。變壓器的外部短路故障理論分析結果與模擬仿真結果基本一致，但內部故障理論分析結果與仿真結果存在一定誤差。為此，需進一步完善內部繞組匝間短路及各引出端子間短路故障電流的理論計算，以便為該變壓器繼電保護方案的制定提供理論指導。

(3)四相整流及AT供電系統套用的進一步研究。只是對該變壓器套用於四相整流及AT供電系統的基本原理及性能特性做了一些初步的探討。從初步研究的結果來看，四相整流系統較三相整流系統有許多優越性，但要全面掌握四相整流的性能特點還有許多理論研究工作有待進一步研究;對於該變壓器套用於AT供電系統，其運行性能特點、對電網電壓的波動、諧波以及對通訊干擾等方面都需要做進一步的研究。

(4)完成阻抗匹配三相變四相平衡變壓器樣機的研製。希望能完成100kVA新型平衡變壓器樣機的製造，這是推動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域套用的關鍵所在。在此基礎上開展新型平衡變壓器樣機的試驗研究，進一步探索新型平衡變壓器性能特性及在不同套用領域裡的運行特性，為其進一步的工程化套用提供理論指導。