任務(wù)1.2 三相變壓器認知與分析

知識與能力目標

1)了解三相變壓器的用途、分類、銘牌數(shù)據(jù)和結(jié)構(gòu)。

2)理解三相變壓器的工作原理和并聯(lián)運行。

3)掌握三相變壓器的極性判別方法。

4)掌握三相變壓器的聯(lián)結(jié)組別及其測定方法。

1.2.1 三相變壓器的結(jié)構(gòu)與原理分析

1.三相變壓器組結(jié)構(gòu)與原理分析

三相組式變壓器如圖1-14所示，將3臺相同的單相變壓器一次、二次側(cè)繞組，按對稱式做三相聯(lián)結(jié)，可組成三相變壓器組，各相磁路彼此無關(guān)，即三相磁路是獨立的；一次側(cè)外加三相對稱電壓，則產(chǎn)生三相對稱磁通，由于磁路對稱，產(chǎn)生三相對稱的空載電流。

三相變壓器組的特點：三相變壓器組之間只有電的聯(lián)系，沒有磁的聯(lián)系；三相變壓器組的磁路彼此無關(guān)系；當外加電壓對稱時，三相主磁通對稱，所以，三相空載電流對稱。

圖1-14 三相組式變壓器

2.三相芯式變壓器結(jié)構(gòu)與原理分析

三相芯式變壓器是將3臺完全相同的單相變壓器的3個鐵心柱合并在一起構(gòu)成，如圖1-15a所示。

當一次繞組外加三相對稱電壓U₁時，三相磁通也是對稱的。通過公共鐵心柱的磁通向量之和始終為零，故可將中心鐵心柱省去，如圖1-15b所示，為制造方便，節(jié)省材料，減小體積，將3個鐵心柱布置在同一平面，便得三相芯式變壓器的鐵心結(jié)構(gòu)，如圖1-15c所示。三相芯式變壓器繞組如圖1-15d所示。

圖1-15 三相芯式變壓器磁路系統(tǒng)

a)3個鐵心柱合并在一起 b)省去中心柱 c)變壓器鐵心 d)三相芯式變壓器繞組

三相芯式變壓器特點：三相之間既有電的聯(lián)系，又有磁的聯(lián)系。當外加三相對稱電壓時，由于三相磁路長短不等，造成三相磁路磁阻不等，三相空載電流便不相等，B相最小，A、C兩相大些，但由于變壓器的空載電流很小，它的不對稱對變壓器負載的影響很小，可忽略不計。

組式和芯式變壓器的比較。

組式變壓器：受運輸條件或備用容量限制時采用。如對于一些超高壓、特大容量的三相變壓器，為減小制造和運輸困難，常采用三相變壓器組。

芯式變壓器：省材料，效率高，占地少，成本低，運行維護簡單，廣泛應(yīng)用。

1.2.2 三相變壓器的運行分析

三相變壓器中，不論一次繞組或二次繞組，我國主要采用星形和三角形兩種聯(lián)結(jié)方式。國家標準規(guī)定：一次繞組星形聯(lián)結(jié)用Y表示，有中線時用YN表示；三角形聯(lián)結(jié)用D表示。二次繞組星形聯(lián)結(jié)用y表示，有中線時用yn表示；三角形聯(lián)結(jié)用d表示。不論哪種聯(lián)結(jié)，都必須遵守一定的規(guī)則，不可隨意聯(lián)結(jié)。

1.三相繞組的聯(lián)結(jié)

(1)星形聯(lián)結(jié)

把三相繞組的3個末端X、Y、Z聯(lián)結(jié)在一起，而把它們的首端A、B、C引出，如圖1-16所示，便是星形聯(lián)結(jié)(Y聯(lián)結(jié))，用字母Y或y表示。

(2)三角形聯(lián)結(jié)

把一相繞組的末端和另一相繞組的首端連在一起，順次聯(lián)結(jié)成一閉合回路，然后從首端A、B、C引出，如圖1-17所示，便是三角形聯(lián)結(jié)，用字母D或d表示。三角形聯(lián)結(jié)的兩種方式：圖1-17a所示為逆序三角形聯(lián)結(jié)，圖1-17b所示為順序三角形聯(lián)結(jié)。

圖1-16 星形聯(lián)結(jié)

圖1-17 三角形聯(lián)結(jié)

a)逆序三角形聯(lián)結(jié) b)順序三角形聯(lián)結(jié)

2.變壓器的聯(lián)結(jié)組別

變壓器的聯(lián)結(jié)組別反映了三相變壓器的聯(lián)結(jié)方式及一、二次側(cè)線電壓的相位關(guān)系。三相變壓器的聯(lián)結(jié)組別不僅與繞組的繞向和首末端標志有關(guān)，而且還與三相繞組的聯(lián)結(jié)方式有關(guān)。

變壓器的聯(lián)結(jié)組一般均采用“時鐘法”來表示。即用時鐘的長針代表高壓邊的線電動勢相量，且置于時鐘的12時處不動；短針代表低壓邊的相應(yīng)線電動勢相量，它們的相位差除以30°為短針所指的鐘點數(shù)。

變壓器的聯(lián)結(jié)不僅是組成電路系統(tǒng)的問題，而且還關(guān)系到變壓器中電磁量的諧波及變壓器的并聯(lián)運行等一系列問題。在使用過程中應(yīng)明白聯(lián)結(jié)組的含義，以便正確地選用變壓器。

(1)單相變壓器的聯(lián)結(jié)組

在掌握聯(lián)結(jié)組概念前，必須先弄清楚同名端的概念。如圖1-18所示，對繞在同一個鐵心柱上的高、低壓繞組，通電后，鐵心中磁通交變，在兩個繞組中都會產(chǎn)生感應(yīng)電動勢。設(shè)在某一瞬時，高壓繞組某一端電位為正，則低壓繞組也必然有一個電位為正的對應(yīng)端，這兩個對應(yīng)的同極性端稱為同名端，在圖上用符號“?”表示。

高、低壓繞組中相電動勢的相位關(guān)系如圖1-18所示，四種繞組聯(lián)結(jié)方式，判別其電動勢的相位關(guān)系可采用如下方法：

如果兩個繞組的繞向相同，標號相同，則相電動勢同相；如果兩個繞組的繞向相同，標號相反，則相電動勢反相；如果兩個繞組的繞向相反，標號相同，則相電動勢反相；如果兩個繞組的繞向相反，標號相反，則相電動勢同相。總之，一、二次繞組的同極性端同標志時，一、二次繞組的電動勢同相位；一、二次繞組的同極性端異標志時，一、二次繞組的電動勢反相位。

單相變壓器只有兩種聯(lián)結(jié)組：若兩繞組電動勢同相，即高、低壓繞組電動勢同時位于12點鐘位置，稱作I/I12。若兩繞組電動勢反相，即高、低壓繞組電動勢相位相差180°，高壓電動勢(長針)指向12，低壓電動勢(短針)指向6，稱作I/I6。其中I/I表示高、低壓繞組是單相繞組，12和6表示兩繞組電動勢的相位關(guān)系。如圖1-18中，a和b兩繞組電動勢同相，故其聯(lián)結(jié)組別為I/I12，c和d兩繞組電動勢反相，故其聯(lián)結(jié)組別為I/I6。

圖1-18 高、低壓繞組中相電動勢的相位關(guān)系

a)繞向相同，標號相同 b)繞向相反，標號相反 c)繞向相同，標號相反 d)繞向相反，標號相同

(2)三相變壓器的聯(lián)結(jié)組

三相變壓器的聯(lián)結(jié)組仍用時鐘法表示。可以看出，三相變壓器的聯(lián)結(jié)組將不僅與繞組的同名端和端子標號有關(guān)系，還將與三相繞組的聯(lián)結(jié)方式有關(guān)系。

確定聯(lián)結(jié)組的方法和步驟。

1)根據(jù)繞組聯(lián)結(jié)方法畫出繞組聯(lián)結(jié)圖，標明高壓側(cè)各相繞組的同名端，根據(jù)高壓側(cè)的同名端標明同一鐵心柱上的低壓側(cè)的同名端。

2)標明高壓側(cè)相電動勢的正方向和低壓側(cè)相電動勢的正方向。

3)作高壓側(cè)相電動勢的向量圖；再根據(jù)同名端和端子標號來確定低壓側(cè)相電動勢的相量位置。

4)對于不同聯(lián)結(jié)方式畫出高壓側(cè)任一線電動勢和其相對應(yīng)的低壓側(cè)線電動勢的相量位置，再根據(jù)它們的相位差，按時鐘法確定聯(lián)結(jié)組別。

圖1-19和圖1-20分別為三相變壓器Yy聯(lián)結(jié)和Yd聯(lián)結(jié)的兩種組別。

變壓器聯(lián)結(jié)組的種類很多，為了制造和并聯(lián)運行時的方便，國際規(guī)定Y，yn0、Y，d11、YN，d11、YN，y0和Y，y05種作為三相雙繞組電力變壓器的標準聯(lián)結(jié)組。其中以前3種最為常用。

圖1-19 三相變壓器Y，y-12聯(lián)結(jié)

圖1-20 三相變壓器Y，d-11聯(lián)結(jié)

Y，yn0聯(lián)結(jié)組的二次側(cè)可引出中性線，成為三相四線制，用作配電變電器時可兼供動力和照明負載。

Y，d11聯(lián)結(jié)組用于二次側(cè)電壓超過400V的線路中，這時二次側(cè)接成三角形，對運行有利。

YN，d11聯(lián)結(jié)組主要用于高壓輸電線路中，使電力系統(tǒng)的高壓側(cè)有可能接地。

3.三相變壓器的并聯(lián)運行

這里主要講述變壓器并聯(lián)運行的條件，分析不完全滿足理想并聯(lián)條件時的并聯(lián)運行的情況。

(1)并聯(lián)運行的定義

變壓器的并聯(lián)運行，就是將兩臺或兩臺以上變壓器的一次繞組接到同一電源上，二次繞組接到公共母線上，共同給負載供電，如圖1-21所示。

在現(xiàn)代電力系統(tǒng)中，常采用多臺變壓器并聯(lián)運行的方式。采用并聯(lián)運行的優(yōu)點有：當某臺變壓器發(fā)生故障或需要檢修時，可以把它從電網(wǎng)切除，電網(wǎng)仍能繼續(xù)供電，提高了供電的可靠性；可以根據(jù)負荷的大小，調(diào)整并聯(lián)運行變壓器的臺數(shù)，以提高運行的效率；隨著用電量的增加，分期安裝變壓器，可以減少設(shè)備的初投資；并聯(lián)運行時，每臺的容量小于總?cè)萘浚@樣可以減少備用變壓器的容量；從現(xiàn)代制造水平來看，容量特別大的變電站只能并聯(lián)運行。當然，并聯(lián)運行的變壓器的臺數(shù)不宜過多，因為單臺大容量的變壓器比總?cè)萘颗c其相同的幾臺小容量變壓器造價要低，且安裝占地面積也小。

圖1-21 變壓器并聯(lián)運行

并聯(lián)運行的理想情況是：

1)空載運行時，各變壓器繞組之間無環(huán)流。

2)負載時，各變壓器所分擔的負載電流與其容量成正比，防止某臺過載或欠載，使并聯(lián)的容量得到充分發(fā)揮。

3)帶上負載后，各變壓器分擔的電流與總的負載電流同相位，當總的負載電流一定時，各變壓器所負擔的電流最小，或者說當各變壓器的電流一定時，所能承受的總負載電流為最大。

(2)并聯(lián)運行的條件

要達到上述情況，并聯(lián)變壓器必須滿足下列條件：

1)并聯(lián)運行的變壓器的變壓比K要相等，否則變壓器繞組間會產(chǎn)生環(huán)流。如變壓比僅有少許差別，仍可并聯(lián)運行。

2)并聯(lián)運行的變壓器的聯(lián)結(jié)組要相同。如果聯(lián)結(jié)組不同，就等于只保證了二次側(cè)額定電壓大小相等，相位卻不相同，它們的二次側(cè)電壓仍存在電壓差，這樣一、二次側(cè)繞組仍將產(chǎn)生極大的環(huán)流，這是不允許的。

3)保證并聯(lián)運行的變壓器的阻抗電壓相等。當阻抗電壓相等時，各變壓器所分擔的負載與它們的額定容量成正比。如果兩臺變壓器的阻抗電壓不等，則并聯(lián)時，阻抗電壓較小的一臺變壓器承擔的負載較大。

4)保證并聯(lián)運行的變壓器的短路阻抗比值相等。這一點可在其滿足前兩個條件的基礎(chǔ)上進行分析。因在滿足前兩個條件的情況下，可以把變壓器并聯(lián)在一起。各變壓器有著共同的一次電壓U₁和二次電壓U₂。

從上面分析可知，變壓器理想并聯(lián)運行的條件主要有4個，即各變壓器的電壓比、聯(lián)結(jié)組別、短路阻抗(或短路電壓)的相對值必須相等。

下面分別討論要求滿足上述條件的必要性。

1)變比不等時的并聯(lián)運行。

設(shè)兩臺同容量的變壓器T₁和T₂，聯(lián)結(jié)組別相同，短路阻抗標稱值相等，但變比不同，并聯(lián)運行，如圖1-22a所示(由于三相對稱，因此圖中僅畫出其中一相)。

其一次繞組接在同一電源U₁下，由于變比不同，二次繞組的電動勢也有些差別，若K₂略大于K₁，則E₁>E₂，電動勢差值ΔE＝E₁-E₂會在二次繞組之間形成環(huán)流I_c，這個電流稱為平衡電流，其值與兩臺變壓器的短路阻抗Z_S1和Z_S2有關(guān)，等效電路如圖1-22b所示。即

由于變壓器的短路阻抗一般較小，因此不大的ΔE也會產(chǎn)生很大的平衡電流。平衡電流對變壓器的并聯(lián)運行是不利的。空載時平衡電流通過二次繞組，增大了空載損耗。平衡電流越大，空載損耗越大。有負載時，由于存在平衡電流，若負載電流達到兩臺額定值之和，則二次繞組電動勢高的那臺變壓器輸出電流增大，另一臺輸出電流減小，從而使二次繞組電動勢高的輸出電流超過其額定值而過載，而另一臺處于低負載運行。所以在有關(guān)變壓器的標準中規(guī)定，并聯(lián)運行的變壓器，其變比誤差不允許超過±0.5%。計算公式為

圖1-22 變比不等的變壓器并聯(lián)運行

a)變比不等的變壓器聯(lián)結(jié)圖 b)變比不等的變壓器等效電路

2)聯(lián)結(jié)組別不同時變壓器的并聯(lián)運行。

如果兩臺變壓器的變比和短路阻抗均相等，但聯(lián)結(jié)組別不同時，其并聯(lián)運行，后果是十分嚴重的。如圖1-23所示(Y，y0)和(Y，d11)兩臺變壓器并聯(lián)時，二次繞組的線電壓大小相同，但由于組別不同，二次繞組線電壓之間的相位相差至少為30°，就會在它們中間產(chǎn)生電壓差ΔU₂，其大小為

這樣大的電壓差作用在變壓器二次繞組所構(gòu)成的回路上，必然產(chǎn)生很大的環(huán)流，將變壓器組燒壞。因此，組別不同的變壓器絕對不允許并聯(lián)運行。

3)短路阻抗(或短路電壓)的相對值不等時變壓器的并聯(lián)運行。

并聯(lián)運行的兩臺變壓器，電壓比相等，聯(lián)結(jié)組別相同，則在兩臺變壓器構(gòu)成的一次繞組與二次繞組中不會有循環(huán)電流。但因兩臺變壓器短路電壓的相對值不等，設(shè)Z_S1>Z_S2，短路阻抗不等時變壓器并聯(lián)運行的等效電路圖如圖1-24所示，則在額定負載時，第一臺變壓器的繞組壓降大于第二臺變壓器的繞組壓降。但是，并聯(lián)運行的兩臺變壓器二次側(cè)接在同一母線上，具有相同的輸出電壓U₂值，因而使變壓器的負載分配不均勻，將會出現(xiàn)第一臺變壓器的負載電流還小于額定電流時，第二臺變壓器已過載了。也就是說短路電壓相對值小的變壓器，要負擔較大的負載。為了使并聯(lián)運行的變壓器盡可能充分地利用設(shè)備總?cè)萘浚蟛⒙?lián)運行的變壓器短路電壓相對值之差不超過其平均值的10%；大、小變壓器容量之比不超過3∶1，且希望容量大的變壓器的短路電壓相對值比容量小的變壓器的短路電壓相對值小些，以先達到滿載，充分利用大變壓器的容量。

圖1-23 聯(lián)結(jié)組別不等時變壓器并聯(lián)運行

圖1-24 短路阻抗不等時變壓器并聯(lián)運行簡化等效電路圖

1.2.3 任務(wù)訓練 三相變壓器的極性判別和聯(lián)結(jié)組別測定

1.實訓目的

1)掌握用實訓方法測定三相變壓器的極性。

2)掌握用實訓方法判別變壓器的聯(lián)結(jié)組。

2.預(yù)習要點

1)聯(lián)結(jié)組的定義。為什么要研究聯(lián)結(jié)組。國家規(guī)定的標準聯(lián)結(jié)組有哪幾種?

2)如何把Y，y12聯(lián)結(jié)組改成Y，y6聯(lián)結(jié)組以及把Y，d11改為Y，d5聯(lián)結(jié)組。

3.實訓項目

(1)測定極性

(2)聯(lián)結(jié)并判定以下聯(lián)結(jié)組

1)Y，y12

2)Y，y6

3)Y，d11

4)Y，d5

4.實訓設(shè)備

1)XKDTO2變壓器掛箱。

2)功率因數(shù)表、交流電流表、交流電壓表。

3)萬用表(自備)。

5.實訓方法

(1)測定極性

1)測定相間極性。

三相芯式變壓器在XKDTO2掛箱上，用其中高壓和低壓兩組繞組，額定容量S_N＝264VA，U_N＝220V/55V，I_N＝0.4A/1.6A，Y，y接法。測得阻值大的為高壓繞組，用A、B、C、X、Y、Z標記。低壓繞組標記用a、b、c、x、y、z。

①按圖1-25接線。A、X接電源的U、V兩端子，Y、Z短接。

②接通交流電源，在繞組A、X間施加約50% U_N的電壓。

③用電壓表測出電壓U_BY、U_CZ、U_BC，若U_BC＝U_BY-U_CZ，則首末端標記正確；若U_BC＝U_BY＋U_CZ，則標記不對。須將B、C兩相任一相繞組的首末端標記對調(diào)。

④用同樣方法，將B、C兩相中的任一相施加電壓，另外兩相末端相聯(lián)，定出每相首、末端正確的標記。

圖1-25 測一相間極性接線圖

2)測定一次、二次側(cè)極性。

①暫時標出三相低壓繞組的標記a、b、c、x、y、z，然后按圖1-26接線，一次、二次側(cè)中點用導(dǎo)線相連。

②高壓三相繞組施加約50%的額定電壓，用電壓表測量電壓U_AX、U_BY、U_CZ、U_ax、U_by、U_cz、U_Aa、U_Bb、U_Cc，若U_Aa＝U_AX-U_ax，則A相高、低壓繞組同相；并且首端A與a端點為同極性。若U_Aa＝U_AX＋U_ax，則A與a端點為異極性。

③以同樣的方法判別出B、b、C、c兩相一次、二次側(cè)的極性。

④高低壓三相繞組的極性確定后，根據(jù)要求聯(lián)結(jié)出不同的聯(lián)結(jié)組。

(2)檢驗聯(lián)結(jié)組

1)Y，y12

圖1-26 測定一次、二次側(cè)極性接線圖

按圖1-27接線。A、a兩端點用導(dǎo)線聯(lián)結(jié)，在高壓方加三相對稱的額定電壓，測出U_AB、U_ab、U_Bb、U_Cc及U_Bc，Y，y12聯(lián)結(jié)組電壓測量與計算數(shù)據(jù)記錄于表1-6中。

根據(jù)Y，y12聯(lián)結(jié)組的電動勢相量圖可知：

K_L＝U_AB/U_ab為線電壓之比

若用兩式計算出的電壓U_Bb、U_Cc、U_Bc的數(shù)值與實訓測取的數(shù)值相同，則表示繞組聯(lián)結(jié)正確，屬Y，y12聯(lián)結(jié)組。

圖1-27 Y，y12聯(lián)結(jié)組

a)接線圖 b)電動勢相量圖

表1-6 Y，y12聯(lián)結(jié)組測量數(shù)據(jù)表

2)Y，y6

將Y，y6聯(lián)結(jié)組的二次繞組首、末端標記對調(diào)，A、a兩端點用導(dǎo)線聯(lián)結(jié)，Y，y6聯(lián)結(jié)組如圖1-28所示。

按前面的方法測出U_AB、U_ab、U_Bb、U_Cc及U_Bc，將數(shù)據(jù)記錄于表1-7中。

根據(jù)Y，y6聯(lián)結(jié)組的電動勢相量圖可得

若由上兩式計算出電壓U_Bb、U_Cc、U_Bc的數(shù)值與實測相同，則繞組聯(lián)結(jié)正確，屬于Y，y6聯(lián)結(jié)組。注意：圖1-28a中，a、x；b、y；c、z與掛箱標號相反。

圖1-28 Y，y6聯(lián)結(jié)組

a)接線圖 b)電動勢相量圖

表1-7 Y，y6聯(lián)結(jié)組測量數(shù)據(jù)表

3)Y，d11

按圖1-29接線。A、a兩端點用導(dǎo)線相連，在高壓方加對稱額定電壓，測取U_AB、U_ab、U_Bb、U_Cc及U_Bc，將Y，d11聯(lián)結(jié)組測量與計算數(shù)據(jù)記錄于表1-8中。

表1-8 Y，d11聯(lián)結(jié)組測量數(shù)據(jù)表

圖1-29 Y，d11聯(lián)結(jié)組

a)接線圖 b)電動勢相量圖

根據(jù)Y，d11聯(lián)結(jié)組的電動勢相量圖可得

若由上式計算出的電壓U_Bb、U_Cc、U_Bc的數(shù)量與實測值相同，則表示繞組聯(lián)結(jié)正確，屬Y，d11聯(lián)結(jié)組。

4)Y，d5

將Y，d11聯(lián)結(jié)組的二次繞組首、末端的標記對調(diào)，Y，d5聯(lián)結(jié)組如圖1-30所示。實訓方法同前，測取U_AB、U_ab、U_Bb、U_Cc及U_Bc，記錄于表1-9中。

注意：圖1-30a中，a、x；b、y；c、z與掛箱標號相反。

圖1-30 Y，d5聯(lián)結(jié)組

a)接線圖 b)電動勢相量圖

表1-9 Y，d5聯(lián)結(jié)組測量數(shù)據(jù)表

根據(jù)Y，d5聯(lián)結(jié)組的電動勢相量圖可得

若由上式計算出的電壓U_Bb、U_Cc、U_Bc的數(shù)量與實測值相同，則表示繞組聯(lián)結(jié)正確，屬Y，d5聯(lián)結(jié)組。