[科普中国]-阻抗匹配三相变四相平衡变压器

四相输电的经济技术优势

我国电力事业的发展与一次能源主要是煤炭与水利资源的分布以及区域经济发展的现状密切相关，能源分布很不均匀，一次能源主要集中在西部地区，而东部地区的经济相对发达，这就必然形成电力资源的“西电东送”的基本格局，不仅送电距离长，而且送电容量十分巨大，输电线路地形结构异常复杂。因此，研究远距离大容量输电技术是一项十分重要和相当紧迫的任务。目前，世界上国土辽阔的国家都在进行远距离大容量输电方式的研究。已 的输电方案主要有特高压交流输电、超高压紧凑型交流输电、超高压直流输电、柔性交流输电、激光输电、微波输电、分频交流输电、多相输电以及四相输电等。其中，四相输电作为一种新型的输电方式， 将对其经济技术优势作一简要介绍1。

四相输电是基于多相输电并受三相变两相电气化铁路牵引供电系统的启发而由湖南大学刘福生等人 来的一种新型输电方式。四相输电系统是最接近于三相的多相系统，也是最小可能的偶数相系统，它既具有多相输电方式的优点，又克服了多相输电所存在的缺点，是一种优势十分明显的输电方式。

阻抗匹配三相变四相平衡变压器原理阻抗匹配平衡变压器的概念首先是由湖南大学刘福生教授提出，主要应用于需要将三相交流电源系统转化为两相或单相交流电源系统的领域。由于三相与两相或单相电源之间的转换不同于通用的三相电源之间的转换，不仅有电压、电流大小的变化，而且还存在相位之间的转换。这种转换有可能使得三相电源系统变为不平衡系统而对整个电网产生不良影响，为此，在三相与两相系统之间的转换过程中必须要求保持三相系统的平衡。阻抗匹配平衡变压器通过调整绕组之间的阻抗匹配关系而保持各相应绕组之间电气关系平衡，实现三相系统平衡运行。三相变四相与三相变两相一样也是一种不等相转换，也只有通过调整绕组间阻抗匹配关系实现相应绕组电磁关系平衡，以使三相电源系统保持平衡。首先对各种平衡变压器特别是阻抗匹配平衡变压器的接线特点及原理进行分析，然后就阻抗匹配三相变四相平衡变压器的接线方案、阻抗匹配关系的确定以及绕组之间各种电气关系基本原理进行系统研究，以建立阻抗匹配三相变四相平衡变压器的理论体系。

阻抗匹配三相变四相平衡变压器接线方案三相变四相与三相变两相一样是一种不等相对称变换，电源相位由120度变为90度。与其它平衡变压器的基本要求一样，三相变四相变压器要求在四相侧负载广泛变化情况下能保持三相系统的平衡运行。为此，根据三相变两相阻抗匹配平衡变压器绕组接线方案，将二次侧绕组对称性地增加一倍并按照如图2.8所示方式构造成一新型的三相变四相阻抗匹配平衡变压器。

支臂绕组匝数与矶的关系由满足四相侧构成相位相差90°的电压源确定，四相侧电压源相位关系如图2.9所示。

根据四相侧电压源相位角度关系，绕组电压幅值应满足:

当四相侧各绕组匝数满足(2.33), (2.35)关系时，在一次侧施加三相对称电压，二次侧d, e, f, g四相端口处就可以得到幅值相等、相位相差900的电压源。图2.10为阻抗匹配三相变四相平衡变压器在三相侧施加平衡对称电压源时四相侧的电压相位关系，它们彼此相差90度，实现了由相位相差120度的三相电源向相位相差90度的四相电源转换。

阻抗匹配三相变四相平衡变压器与其它三相变四相电力变压器相比其接线方式的根本区别是该变压器是通过调整绕组间内部阻抗关系以保持不同铁心绕组间电磁关系的平衡，实现三相与四相的平衡对称转换。由于三相变四相是一种非等相变换，各相的绕组结构不可能一致。要使四相侧输出的四相电流相等时，换算到三相侧的三相电流能保持对称，应做到不同铁心的各相绕组伏安值相等，只有通过内部绕组间阻抗匹配，人为控制相关绕组的电流分布和相位关系才能实现。三相侧可通过中性点接地，四相侧有三角形绕组，上下两套绕组的绕向及结构布置完全一致，可采用通用三相三柱式铁心。

阻抗匹配三相变四相平衡变压器技术条件容量:100kVA

相电压比:0.220/0.269kV(1:迈万)

频率:50Hz

三相侧额定相电压:0.220kV

三相侧额定相电流:151.5A

四相侧额定相电压:0.269kV

四相侧额定相电流:92.77A

各绕组匝数以及绕组间的阻抗关系:满足阻抗匹配三相变四相平衡变压器原理要求。其它有关负载损耗，空载损耗以及空载电流可参照GB1094, GB6451有关标准。

展望阻抗匹配三相变四相平衡变压器在四相输电、AT牵引供电系统、四相整流系统以及所有单相或两相负荷系统中具有广阔的应用前景。由于三相与四相交流系统的转换不仅存在电压的变换而且存在相位的转换，通过调整绕组间的空间布置及结构关系使绕组间的电气关系保持平衡从而实现三相与四相系统之间的平衡对称转换。 对该变压器的基本原理、各种电气关系、阻抗约束关系以及运行特性等方面进行了一系列研究并对该变压器应于AT供电系统、四相整流等领域进行了探讨，取得了一定研究成果。为了使该变压器能实现工程化，还有大量的理论研究和生产设计工作有待今后深入开展:

(1)绕组间阻抗匹配关系的进一步理论研究及工程实现。由于在变压器设计中B相铁心绕有7个绕组，相互电磁关系复杂，要实现完全的结构对称是有一定困难，因此，建立多变量的有限元仿真模型以实现阻抗匹配关系是该变压器设计的关键。

(2)故障分析及继电保护方案的研究。变压器的外部短路故障理论分析结果与模拟仿真结果基本一致，但内部故障理论分析结果与仿真结果存在一定误差。为此，需进一步完善内部绕组匝间短路及各引出端子间短路故障电流的理论计算，以便为该变压器继电保护方案的制定提供理论指导。

(3)四相整流及AT供电系统应用的进一步研究。只是对该变压器应用于四相整流及AT供电系统的基本原理及性能特性做了一些初步的探讨。从初步研究的结果来看，四相整流系统较三相整流系统有许多优越性，但要全面掌握四相整流的性能特点还有许多理论研究工作有待进一步研究;对于该变压器应用于AT供电系统，其运行性能特点、对电网电压的波动、谐波以及对通讯干扰等方面都需要做进一步的研究。

(4)完成阻抗匹配三相变四相平衡变压器样机的研制。希望能完成100kVA新型平衡变压器样机的制造，这是推动阻抗匹配三相变四相平衡变压器在四相输电、牵引供电以及四相整流领域应用的关键所在。在此基础上开展新型平衡变压器样机的试验研究，进一步探索新型平衡变压器性能特性及在不同应用领域里的运行特性，为其进一步的工程化应用提供理论指导。