[科普中国]-谐波隔离四绕组电力变压器

简介

感应滤波技术是湖南大学刘福生教授最先提出、历经罗隆福教授，张志文教授，李勇教授和许加柱教授的改进，历经多年发展成具有自主知识产权的新型滤波技术。感应滤波技术的发展与应用，历经阻抗匹配平衡牵引变压器，谐波隔离单相牵引变压器，新型换流变压器，直至研究的谐波隔离四绕组电力变压器。

感应滤波技术的概念，源于湖南大学刘福生教授提出的阻抗匹配平衡牵引变压器。通过引出抽头，外接滤波调谐支路构成的具有谐波隔离功能的平衡变压器。该变压器运用于机车的两相供电。

谐波隔离单相牵引变压器是将感应滤波技术运用与电气化铁路改造过程中，提出的一种具有谐波隔离功能的单相牵引变压器，该变压器运用于电气化铁道的单相机车牵引负荷供电，该变压器滤波和无功补偿相比传统无源滤波技术效果显著改善。新型换流变压器通过进一步改善变压器绕组的接线方式，实现了将感应滤波技术应用于直流输电领域。该换流变压器二次侧绕组采用延边三角形，通过两个引出端点分别于换流器电容支路相连接，通过脉波整流机组的一系列关键设计实现良好的滤波和无功补偿功能。谐波隔离四绕组电力变压器是为有效解决目前某些220kV变电站谐波含量超标的问题所提出的。该220kV变电站，有110kV和35kV两个负荷侧，都有较重谐波传入电网，需要在变电站进行谐波治理。直接在220kV侧治理是不现实的;分别在110kV侧和35kV侧治理，则需要安装两套滤波器，也没有现实可行性。采用加装滤波绕组的方案，使得变压器成为四绕组变压器，则有两种方案，传统四绕组变压器方案和新型感应滤波变压器方案。

传统四绕组方案是在变压器220kV绕组、110kV绕组和35kV绕组侧之后加装滤波绕组。新型方案是:在220kV之后，安装35kV滤波绕组(也可以为110kV，取决于滤波器成本)，之后，才是110kV和35kV负载绕组，使得两负载绕组的谐波与220kV绕组被隔离，所以，也称这种变压器为谐波隔离变压器。谐波隔离变压器有两个滤波组(3绕组变压器):220kV绕组、滤波绕组、110kV绕组和220kV绕组、滤波绕组、35kV绕组。两个感应滤波组均要求满足等值阻抗值趋近于零的滤波条件。经过仿真研究，感应滤波的方案比传统绕组方案好:传统方案无法同时保证35kV和110kV侧谐波负载的滤波要求，从220kV侧观察，就是谐波无法达标。而感应滤波方案，220kV侧谐波能够达标。

该技术研究的实用意义在于通过充分利用变压器设备自身的电磁特性进行滤波，在各种电力滤波方式中开创了一条感应滤波的新路。将感应滤波技术运用于多种变压器，依靠变压器内部绕组构成的安匝平衡消除谐波和滤波器的全调谐等方式，可大大减少了谐波与无功对电网系统造成的危害。变压器感应滤波技术利用了有源滤波思想，但不是利用其它设备来制造一个大小相同、方向相反的电流，来消除系统中的谐波，其创造性的使用变压器的自藕原理，这也是该种滤波方式的新颖之处1。

变压器系统结构及理论分析对于目前电网中，由于存在化工企业和钢铁企业等不同负荷，他们所带来的谐波，使变电站谐波污染变得越来越严重。目前变电站的谐波治理主要采用的技术为无源滤波技术和有源滤波技术，但这两种技术存在着一定的缺点。无源滤波要为避开谐振过电压和谐波放大的危害，常常进行偏调谐设计，从而影响滤波器的滤波效果，其发展受到限制。有源滤波要备有大量的电力电子装置和复杂的跟踪检测控制系统，成本高昂，且受电力电子器件容量的限制，也无法从完全的解决谐波电流对交流电网和对输变电设备运行的影响。

一种新型的高效谐波治理的谐波隔离四绕组电力变压器，通过变压器绕组阻抗的特殊设计，利用变压器的安匝平衡原理和“谐波超导回路”原理，在变压器铁芯中抑制谐波磁通，实现谐波隔离目的。变压器的谐波隔离技术利用了原有滤波技术的特点，但不是利用其它设备来制造一个大小相同、方向相反的电流，来消除系统中的谐波，其创造性的使用变压器自身的自藕感应，这也是该种滤波方式的新颖之处。本章重点分析了谐波隔离四绕组电力变压器的基本结构，从谐波隔离四绕组电力变压器的等值电路角度解释变压器设计原理。提出了谐波隔离四绕组电力变压器设计的两个必要条件，通过磁通分析和等值电路分析两方面揭示变压器的谐波隔离原理2。

谐波隔离四绕组电力变压器的基本结构谐波隔离四绕组变压器的电路结构如图，该变压器基本结构是由铁心，绕组构成，相比三绕组电力变压器，谐波隔离变压器仅仅是多出一个滤波绕组。其一次绕组城，二次绕组城、城和城。一次绕组城接入220kV电网，称之为网侧绕组;城接入35kV配套全调谐滤波支路。滤波绕组为谐波隔离四绕组电力变压器的核心。其关键设计是滤波绕组在各种谐波条件下呈现零阻抗和外接特殊设计的配套调谐装置。绕组城接入35kV电网，称之为35kV侧负载绕组，绕组城接入110kV电网，称之为110kV侧负载绕组。

变压器绕组布置通过上述对谐波隔离四绕组变压器及其感应调谐装置的谐波隔离原理分析可知，要将220kV绕组与110kV及35kV绕组隔离，满足变压器的两负荷侧，对220kV网侧的谐波隔离，必须使变压器滤波绕组等值阻抗为零，这就是谐波隔离四绕组电力变压器设计的核心。

在变压器中，其绕组的等值阻抗和绕组之间的短路阻抗有密切联系，而两绕组之间的短路阻抗可以由变压器两两短路实验测得，其值和绕组之间的气隙、幅向、尺寸是成正比例关系，通过调整绕组的结构和布局就可实现谐波隔离变压器滤波绕组的设计要求。因此，为了实现谐波隔离四绕组变压器滤波侧的等值阻抗为零的特殊目的。同时把滤波绕组设计在220kV侧绕组和110kV负荷侧绕组之间，并且微调绕组的间隙。一般常规设计变压器时，通常都在铁心的最外侧放置220kV侧绕组，在铁心的最内侧放置35kV侧。所以，谐波隔离四绕组电力变压器，任沿用这一设计思路3。