任务1.2 三相变压器认知与分析_电机与电气控制技术项目教程-QQ阅读男生历史网

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任务1.2 三相变压器认知与分析

知识与能力目标

1)了解三相变压器的用途、分类、铭牌数据和结构。

2)理解三相变压器的工作原理和并联运行。

3)掌握三相变压器的极性判别方法。

4)掌握三相变压器的联结组别及其测定方法。

1.2.1 三相变压器的结构与原理分析

1.三相变压器组结构与原理分析

三相组式变压器如图1-14所示，将3台相同的单相变压器一次、二次侧绕组，按对称式做三相联结，可组成三相变压器组，各相磁路彼此无关，即三相磁路是独立的；一次侧外加三相对称电压，则产生三相对称磁通，由于磁路对称，产生三相对称的空载电流。

三相变压器组的特点：三相变压器组之间只有电的联系，没有磁的联系；三相变压器组的磁路彼此无关系；当外加电压对称时，三相主磁通对称，所以，三相空载电流对称。

图1-14 三相组式变压器

2.三相芯式变压器结构与原理分析

三相芯式变压器是将3台完全相同的单相变压器的3个铁心柱合并在一起构成，如图1-15a所示。

当一次绕组外加三相对称电压U₁时，三相磁通也是对称的。通过公共铁心柱的磁通向量之和始终为零，故可将中心铁心柱省去，如图1-15b所示，为制造方便，节省材料，减小体积，将3个铁心柱布置在同一平面，便得三相芯式变压器的铁心结构，如图1-15c所示。三相芯式变压器绕组如图1-15d所示。

图1-15 三相芯式变压器磁路系统

a)3个铁心柱合并在一起 b)省去中心柱 c)变压器铁心 d)三相芯式变压器绕组

三相芯式变压器特点：三相之间既有电的联系，又有磁的联系。当外加三相对称电压时，由于三相磁路长短不等，造成三相磁路磁阻不等，三相空载电流便不相等，B相最小，A、C两相大些，但由于变压器的空载电流很小，它的不对称对变压器负载的影响很小，可忽略不计。

组式和芯式变压器的比较。

组式变压器：受运输条件或备用容量限制时采用。如对于一些超高压、特大容量的三相变压器，为减小制造和运输困难，常采用三相变压器组。

芯式变压器：省材料，效率高，占地少，成本低，运行维护简单，广泛应用。

1.2.2 三相变压器的运行分析

三相变压器中，不论一次绕组或二次绕组，我国主要采用星形和三角形两种联结方式。国家标准规定：一次绕组星形联结用Y表示，有中线时用YN表示；三角形联结用D表示。二次绕组星形联结用y表示，有中线时用yn表示；三角形联结用d表示。不论哪种联结，都必须遵守一定的规则，不可随意联结。

1.三相绕组的联结

(1)星形联结

把三相绕组的3个末端X、Y、Z联结在一起，而把它们的首端A、B、C引出，如图1-16所示，便是星形联结(Y联结)，用字母Y或y表示。

(2)三角形联结

把一相绕组的末端和另一相绕组的首端连在一起，顺次联结成一闭合回路，然后从首端A、B、C引出，如图1-17所示，便是三角形联结，用字母D或d表示。三角形联结的两种方式：图1-17a所示为逆序三角形联结，图1-17b所示为顺序三角形联结。

图1-16 星形联结

图1-17 三角形联结

a)逆序三角形联结 b)顺序三角形联结

2.变压器的联结组别

变压器的联结组别反映了三相变压器的联结方式及一、二次侧线电压的相位关系。三相变压器的联结组别不仅与绕组的绕向和首末端标志有关，而且还与三相绕组的联结方式有关。

变压器的联结组一般均采用“时钟法”来表示。即用时钟的长针代表高压边的线电动势相量，且置于时钟的12时处不动；短针代表低压边的相应线电动势相量，它们的相位差除以30°为短针所指的钟点数。

变压器的联结不仅是组成电路系统的问题，而且还关系到变压器中电磁量的谐波及变压器的并联运行等一系列问题。在使用过程中应明白联结组的含义，以便正确地选用变压器。

(1)单相变压器的联结组

在掌握联结组概念前，必须先弄清楚同名端的概念。如图1-18所示，对绕在同一个铁心柱上的高、低压绕组，通电后，铁心中磁通交变，在两个绕组中都会产生感应电动势。设在某一瞬时，高压绕组某一端电位为正，则低压绕组也必然有一个电位为正的对应端，这两个对应的同极性端称为同名端，在图上用符号“∗”表示。

高、低压绕组中相电动势的相位关系如图1-18所示，四种绕组联结方式，判别其电动势的相位关系可采用如下方法：

如果两个绕组的绕向相同，标号相同，则相电动势同相；如果两个绕组的绕向相同，标号相反，则相电动势反相；如果两个绕组的绕向相反，标号相同，则相电动势反相；如果两个绕组的绕向相反，标号相反，则相电动势同相。总之，一、二次绕组的同极性端同标志时，一、二次绕组的电动势同相位；一、二次绕组的同极性端异标志时，一、二次绕组的电动势反相位。

单相变压器只有两种联结组：若两绕组电动势同相，即高、低压绕组电动势同时位于12点钟位置，称作I/I12。若两绕组电动势反相，即高、低压绕组电动势相位相差180°，高压电动势(长针)指向12，低压电动势(短针)指向6，称作I/I6。其中I/I表示高、低压绕组是单相绕组，12和6表示两绕组电动势的相位关系。如图1-18中，a和b两绕组电动势同相，故其联结组别为I/I12，c和d两绕组电动势反相，故其联结组别为I/I6。

图1-18 高、低压绕组中相电动势的相位关系

a)绕向相同，标号相同 b)绕向相反，标号相反 c)绕向相同，标号相反 d)绕向相反，标号相同

(2)三相变压器的联结组

三相变压器的联结组仍用时钟法表示。可以看出，三相变压器的联结组将不仅与绕组的同名端和端子标号有关系，还将与三相绕组的联结方式有关系。

确定联结组的方法和步骤。

1)根据绕组联结方法画出绕组联结图，标明高压侧各相绕组的同名端，根据高压侧的同名端标明同一铁心柱上的低压侧的同名端。

2)标明高压侧相电动势的正方向和低压侧相电动势的正方向。

3)作高压侧相电动势的向量图；再根据同名端和端子标号来确定低压侧相电动势的相量位置。

4)对于不同联结方式画出高压侧任一线电动势和其相对应的低压侧线电动势的相量位置，再根据它们的相位差，按时钟法确定联结组别。

图1-19和图1-20分别为三相变压器Yy联结和Yd联结的两种组别。

变压器联结组的种类很多，为了制造和并联运行时的方便，国际规定Y，yn0、Y，d11、YN，d11、YN，y0和Y，y05种作为三相双绕组电力变压器的标准联结组。其中以前3种最为常用。

图1-19 三相变压器Y，y-12联结

图1-20 三相变压器Y，d-11联结

Y，yn0联结组的二次侧可引出中性线，成为三相四线制，用作配电变电器时可兼供动力和照明负载。

Y，d11联结组用于二次侧电压超过400V的线路中，这时二次侧接成三角形，对运行有利。

YN，d11联结组主要用于高压输电线路中，使电力系统的高压侧有可能接地。

3.三相变压器的并联运行

这里主要讲述变压器并联运行的条件，分析不完全满足理想并联条件时的并联运行的情况。

(1)并联运行的定义

变压器的并联运行，就是将两台或两台以上变压器的一次绕组接到同一电源上，二次绕组接到公共母线上，共同给负载供电，如图1-21所示。

在现代电力系统中，常采用多台变压器并联运行的方式。采用并联运行的优点有：当某台变压器发生故障或需要检修时，可以把它从电网切除，电网仍能继续供电，提高了供电的可靠性；可以根据负荷的大小，调整并联运行变压器的台数，以提高运行的效率；随着用电量的增加，分期安装变压器，可以减少设备的初投资；并联运行时，每台的容量小于总容量，这样可以减少备用变压器的容量；从现代制造水平来看，容量特别大的变电站只能并联运行。当然，并联运行的变压器的台数不宜过多，因为单台大容量的变压器比总容量与其相同的几台小容量变压器造价要低，且安装占地面积也小。

图1-21 变压器并联运行

并联运行的理想情况是：

1)空载运行时，各变压器绕组之间无环流。

2)负载时，各变压器所分担的负载电流与其容量成正比，防止某台过载或欠载，使并联的容量得到充分发挥。

3)带上负载后，各变压器分担的电流与总的负载电流同相位，当总的负载电流一定时，各变压器所负担的电流最小，或者说当各变压器的电流一定时，所能承受的总负载电流为最大。

(2)并联运行的条件

要达到上述情况，并联变压器必须满足下列条件：

1)并联运行的变压器的变压比K要相等，否则变压器绕组间会产生环流。如变压比仅有少许差别，仍可并联运行。

2)并联运行的变压器的联结组要相同。如果联结组不同，就等于只保证了二次侧额定电压大小相等，相位却不相同，它们的二次侧电压仍存在电压差，这样一、二次侧绕组仍将产生极大的环流，这是不允许的。

3)保证并联运行的变压器的阻抗电压相等。当阻抗电压相等时，各变压器所分担的负载与它们的额定容量成正比。如果两台变压器的阻抗电压不等，则并联时，阻抗电压较小的一台变压器承担的负载较大。

4)保证并联运行的变压器的短路阻抗比值相等。这一点可在其满足前两个条件的基础上进行分析。因在满足前两个条件的情况下，可以把变压器并联在一起。各变压器有着共同的一次电压U₁和二次电压U₂。

从上面分析可知，变压器理想并联运行的条件主要有4个，即各变压器的电压比、联结组别、短路阻抗(或短路电压)的相对值必须相等。

下面分别讨论要求满足上述条件的必要性。

1)变比不等时的并联运行。

设两台同容量的变压器T₁和T₂，联结组别相同，短路阻抗标称值相等，但变比不同，并联运行，如图1-22a所示(由于三相对称，因此图中仅画出其中一相)。

其一次绕组接在同一电源U₁下，由于变比不同，二次绕组的电动势也有些差别，若K₂略大于K₁，则E₁>E₂，电动势差值ΔE＝E₁-E₂会在二次绕组之间形成环流I_c，这个电流称为平衡电流，其值与两台变压器的短路阻抗Z_S1和Z_S2有关，等效电路如图1-22b所示。即

由于变压器的短路阻抗一般较小，因此不大的ΔE也会产生很大的平衡电流。平衡电流对变压器的并联运行是不利的。空载时平衡电流通过二次绕组，增大了空载损耗。平衡电流越大，空载损耗越大。有负载时，由于存在平衡电流，若负载电流达到两台额定值之和，则二次绕组电动势高的那台变压器输出电流增大，另一台输出电流减小，从而使二次绕组电动势高的输出电流超过其额定值而过载，而另一台处于低负载运行。所以在有关变压器的标准中规定，并联运行的变压器，其变比误差不允许超过±0.5%。计算公式为

图1-22 变比不等的变压器并联运行

a)变比不等的变压器联结图 b)变比不等的变压器等效电路

2)联结组别不同时变压器的并联运行。

如果两台变压器的变比和短路阻抗均相等，但联结组别不同时，其并联运行，后果是十分严重的。如图1-23所示(Y，y0)和(Y，d11)两台变压器并联时，二次绕组的线电压大小相同，但由于组别不同，二次绕组线电压之间的相位相差至少为30°，就会在它们中间产生电压差ΔU₂，其大小为

这样大的电压差作用在变压器二次绕组所构成的回路上，必然产生很大的环流，将变压器组烧坏。因此，组别不同的变压器绝对不允许并联运行。

3)短路阻抗(或短路电压)的相对值不等时变压器的并联运行。

并联运行的两台变压器，电压比相等，联结组别相同，则在两台变压器构成的一次绕组与二次绕组中不会有循环电流。但因两台变压器短路电压的相对值不等，设Z_S1>Z_S2，短路阻抗不等时变压器并联运行的等效电路图如图1-24所示，则在额定负载时，第一台变压器的绕组压降大于第二台变压器的绕组压降。但是，并联运行的两台变压器二次侧接在同一母线上，具有相同的输出电压U₂值，因而使变压器的负载分配不均匀，将会出现第一台变压器的负载电流还小于额定电流时，第二台变压器已过载了。也就是说短路电压相对值小的变压器，要负担较大的负载。为了使并联运行的变压器尽可能充分地利用设备总容量，要求并联运行的变压器短路电压相对值之差不超过其平均值的10%；大、小变压器容量之比不超过3∶1，且希望容量大的变压器的短路电压相对值比容量小的变压器的短路电压相对值小些，以先达到满载，充分利用大变压器的容量。