1.3 三相變壓器

現代電力系統均采用三相制，因而三相變壓器的應用極為廣泛。三相變壓器可以由三個同容量的單相變壓器組成，這種三相變壓器稱為三相變壓器組，如圖1-11所示。還有一種由鐵軛把三個鐵心柱連在一起的三相變壓器，稱為三相心式變壓器，如圖1-12所示。從運行原理來看，三相變壓器在對稱負載下運行時，各相電壓、電流大小相等，相位上彼此相差120°，就其一相來說，和單相變壓器沒有什么區別。因此單相變壓器的基本方程式以及運行特性的分析方法與結論等完全適用于三相變壓器。

1.3.1 三相變壓器的磁路系統

根據磁路結構不同，可把三相變壓器磁路系統分為兩類，一類是三相磁路彼此獨立的三相變壓器組，另一類是三相磁路彼此相關的三相心式變壓器。

三相變壓器組是由三個完全相同的單相變壓器組成的三相變壓器組，其每相主磁通各有自己的磁路，彼此相互獨立，如圖1-11所示。這種三相變壓器組由于結構松散、使用不方便，只有大容量的巨型變壓器，為便于運輸和減少備用容量才使用。一般情況下，不采用組式變壓器。

三相心式變壓器相當于三個單相心式鐵心合在一起。由于三相繞組接對稱電源，三相電流對稱，三相主磁通也是對稱，故滿足。這樣中間鐵心柱無磁通通過，便可省去。為減少體積和便于制造，將鐵心柱做在同一平面內，常用的三相心式變壓器都是這種結構。如圖1-12所示。

心式變壓器三相磁路長度不等，中間磁路略短，所以中間相勵磁流較小，故勵磁電流稍不對稱。但由于勵磁電流較小，對稱變壓器的負載運行影響非常小，可以忽略不計。與三相變壓器組相比，三相心式變壓器耗材少、價格低、占地面積小、維護方便，因而應用最為廣泛，我國電力系統中使用最多的是三相心式變壓器。

1.3.2 三相變壓器的電路系統——聯結組別

1.三相變壓器繞組的聯結方式

為了使用變壓器時能正確連接而不發生錯誤，變壓器繞組的每個出線端都有一個標志，電力變壓器繞組首、末端標志如表1-1所列。

在三相變壓器中，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結方法。把三相繞組的三個末端X、Y、Z（或x、y、z）連接在一起，而把它們的首端A、B、C（或a、b、c）引出，便是星形聯結，用字母Y或y表示，如圖1-13a所示。把一相繞組的末端和另一相繞組的首端連接在一起，順次連接成一閉合回路，然后從首端A、B、C（或a、b、c）引出，如圖1-13b、c所示，便是三角形聯結，用字母D或d表示。其中，在圖b中，三相繞組按A—X—C—Z—B—Y—A的順序連接，稱為逆序（逆時針）三角形聯結；在圖c中，三相繞組按A—X—B—Y—C—Z—A的順序連接，稱為順序（順時針）三角形聯結。

如果星形聯結的中性點向外引出的，高壓側用YN表示，低壓側用yn表示。如YN，d表示高壓繞組星形聯結，并中性點向外引出，低壓側繞組三角形聯結。

變壓器的繞組聯結，對其工作特性有較大的影響，例如Y，yn聯結組可在低壓側實現三相四線制供電；YN，d聯結組可以實現高壓側中性點接地；Y，d聯結組其二次側角形聯結，可以削弱三次諧波，對運行有利等。

2.單相變壓器的極性

單相變壓器的一、二次繞組繞在同一個鐵心上，當同時交鏈的磁通Ф交變時，兩個繞組中感應出電動勢，當一次繞組的某一端點瞬時電位為正時，二次繞組也必有一電位為正的對應端點。這兩個對應的端點，稱為同極性端或同名端，通常用符號“·”表示。若兩個繞組的繞向已定，同名端是確定的。

單相變壓器的首端和末端有兩種不同的標法。一種是將一、二次繞組的同極性端都標為首端（或末端），如圖1-14a所示，這時一、二次繞組電動勢與同相位（感應電動勢的參考方向均規定從末端指向首端）。另一種標法是把一、二次繞組的異極性端標為首端（或末端），如圖1-14c所示，這時與反相位。

綜上分析可知，在單相變壓器中，一、二次繞組感應電動勢之間的相位關系要么同相位要么反相位，它取決于繞組的繞向和首末端標記。

為了形象地表示高、低壓繞組電動勢之間的相位關系，采用所謂“時鐘表示法”，即把高壓繞組電動勢相量作為時鐘的長針，并固定在“12”上，低壓繞組電動勢相量作為時鐘的短針，其所指的數字即為單相變壓器聯結組的組別號。例如：圖1-14b可寫成I，I0，圖1-14d可寫成I，I6，其中I，I表示高、低壓繞組均為單相繞組，0表示兩繞組的電動勢（電壓）同相位，6表示反相位。我國國家標準規定，單相變壓器以I，I0作為標準聯結組。

3.三相變壓器的聯結組別

由于三相繞組可以采用不同聯結，使得三相變壓器一、二次繞組的線電動勢之間出現不同的相位差，因此按一、二次側線電動勢的相位關系把變壓器繞組的連接分成各種不同的聯結組別。三相變壓器聯結組別不僅與繞組的繞向和首末端的標記有關，而且還與三相繞組的聯結方式有關。理論與實踐證明，無論采用怎樣的聯結方式，一、二次側線電動勢的相位差總是30°的整數倍。因此，仍采用時鐘表示法，一次繞組線電動勢（如）作為時鐘的長針，指向12點，并固定地指向0點（12點）；二次繞組線電動勢（如）作為時鐘的短針，短針所指的鐘點數，就是三相變壓器的組別號。將該數字乘以30°，就是二次繞組線電動勢滯后于一次繞組線電動勢的相位角。

下面具體分析不同聯結方式變壓器的聯結組別。

（1）Y/y聯結

圖1-15a為三相變壓器Y/y聯結時的接線圖。在圖中同極性端子在對應端，這時一、二次側對應的相電動勢同相位，同時一、二次側對應的線電動勢與E_ab也同相位，如圖1-15b所示。這時如把指向“12”上，則指向“12”，故其聯結組就寫成Y/y-0，如圖1-15c所示。

如高壓繞組三相標志不變，而將低壓繞組三相標志依次后移一個鐵心柱的距離，在相位圖上相當于把各相應的電動勢順時針方向轉了120°（即4個點），則得Y/y-4聯結組；如后移兩個鐵心柱的，則得8點鐘接線，記為Y/y-8聯結組。

如將一、二次繞組的異極性端子標在對應端，這時一、二次側對應相的相電動勢反向，則線電動勢與的相位相差180°，因而就得到了Y/y-6聯結組，如圖1-16所示。同理，將低壓側三相繞組依次后移一個或兩個鐵心柱的距離，便得Y/y-10或Y/y-2聯結。

（2）Y/d聯結

圖1-17a是三相變壓器Y/d聯結時的接線圖。圖中將一、二次繞組的同極性端標為首端（或末端），二次繞組則按a—xc—zb—ya順序作三角形聯結，這時一、二次側對應相的相電動勢也同相位，但線電動勢與的相位差為330°，如圖1-17b所示；當指向“12”時，則指向“11”，故其組號為11，用Y/d-11表示，如圖1-17c所示。

同理，高壓側三相繞組不變，而相應改變低壓側三相繞組的標號，則得Y/d-3和Y/d-7聯結組。如將二次繞組按a—xb—yc—za順序作三角形聯結，這時一、二次側對應相的相電動勢也同相，但線電動勢與的相位差為30°，如圖1-18所示；故其連接組號為1，則得到Y/d-1聯結。

綜上所述可得，對Y/y聯結而言，可得0（相當于12點）、2、4、6、8、10等6個偶數組別；而Y/d聯結而言，可得1、3、5、7、9、11等6個奇數組別。

變壓器聯結組種類很多，為制造及并聯運行方便，我國規定Y/y_n-0、Y/d-11、Y_N/d-11、YN/y-0和Y/y-0五種聯結組別為標準聯結組。Y/y_n-0主要用作配電變壓器，其中有中線引出，可作為三相四線供電，既可用作照明，也可動力負載。這種變壓器高壓側不超過35kV，低壓電壓為400V（單相230V）。Y/d-11用在二次電壓超過400V的線路中。Y_N/d-11用在110kV以上的高壓輸電線路中，其高壓側可以通過中點接地。Y_N/y-0用于一次繞組需要接地的場合。Y/y-0用于三相動力負載，其中前三種最為常用。

1.3.3 三相變壓器的并聯運行

在變電站中，總的負載經常由兩臺或多臺三相電力變壓器并聯供電，其原因如下。

① 通常變電站所供的負載總是在若干年內不斷發展、不斷增加的，隨著負載的不斷增加，可以相應地增加變壓器的臺數，這樣做可以減少建站、安裝時的一次投資。

② 當變電站所供的負載有較大的晝夜或季節波動時，可以根據負載的變動情況，隨時調整投入并聯運行的變壓器臺數，以提高變壓器的運行效率。

③ 當某臺變壓器需要檢修（或故障）時，可以將其切換下來，而將備用變壓器投入并使之并聯運行，以提高供電的可靠性。

1.變壓器并聯運行的條件

為了使變壓器能正常地投入并聯運行，各并聯運行的變壓器必須滿足以下條件。

1）各臺變壓器一、二次側的額定電壓相同，變比相等；

2）各臺變壓器具有相同的聯結組別；

3）各臺變壓器短路阻抗標稱值相等，并且短路阻抗角盡量相同。

2.并聯條件不滿足時的運行分析

1）變比不等時的并聯運行。

以兩臺變壓器并聯運行為例，如果這兩臺變壓器聯結組別相同，短路阻抗標稱值相等，一次側額定電壓相同，而僅僅是變比K_a≠K_β。當兩臺變壓器的一次側均接額定電壓（即一次側電壓相同）時，由于變比不同，二次側空載電壓分別為、（不相等）。其電壓差為

當并聯運行時，兩變壓器二次側電壓必然相同。因此，無論兩并聯的變壓器二次側是否連接負載，兩變壓器二次側組成的回路將產生與方向相同的環流，即

由于變壓器短路阻抗Z_Kα、Z_Kβ均很小，則數值不大的就會引起較大的環流。例如，設兩臺變壓器的阻抗標稱值為Z_Kα=Z_Kβ=0.05，當二次側空載電壓差為其額定電壓的1%，即，則環流I_c≈0.1，達到額定電流的10%。根據磁勢平衡關系，二次側環流必將在一次側引起相應的環流。

由于環流的存在，增加了變壓器的損耗，變壓器的效率降低了。因此必須對環流加以限制，通常規定并聯運行的變壓器變比之差小于±0.5%。

2）聯結組別不同時的并聯運行。

兩臺聯結組別不同的變壓器并聯時，其電壓不等所引起的后果更為嚴重。例如，聯結組別最小相差為1（即30°）時，變壓器Y/y-0與Y/d-11并聯，其二次側線電動勢大小相等，但相位相差30°，此時二次側開路電壓差有效值為

如果兩臺變壓器的短路阻抗為0.05，則環流的標幺值（標幺標用*表示）為

兩變壓器并聯后，即便二次未接負載，其環流約為額定電流的5.18倍，此為嚴重過載，若該情況持續時間稍長，可能損壞變壓器。故聯結組別不同的變壓器絕對不能并聯使用。

3）短路阻抗標稱值不等時的并聯運行。

如果兩臺并聯運行變壓器的變比和聯結組別都相同，只是短路阻抗不同，則會影響并聯變壓器間的負載分配。例如有α、β、γ3臺變壓器并聯運行，其簡化等效電路如圖1-19所示。

由圖1-19電路圖可見，a、b兩點間的電壓等于每臺變壓器的負載電流和短路阻抗的乘積，即

則有

從式（1-17）可見，并聯運行時變壓器的負載電流與短路阻抗成反比。若各變壓器阻抗值相等，則各變壓器負載電流分配合理，各變壓器容量利用充分。若各變壓器阻抗值不相等，短路阻抗值小的變壓器承擔的負載大，所以總負載能力受短路阻抗值小的那臺變壓器的負載的限制，出現短路阻抗值小的變壓器可能過載，而短路阻抗值大的變壓器欠載的情況。

兩臺同容量的變壓器并聯，由于短路阻抗的差別很小，可以做到接近均勻的分配負載。當容量差別較大時，合理分配負載是困難的，特別是擔心小容量的變壓器過載，而使大容量的變壓器得不到充分利用。為此，要求投入并聯運行的各變壓器中，最大容量與最小容量之比不宜超過3∶1。