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1、第四章第四章 三相变压器三相变压器第一节第一节 三相变压器的磁路系统三相变压器的磁路系统第二节第二节 三相变压器的电路系统三相变压器的电路系统绕组的绕组的 联结方式和联结组联结方式和联结组第三节第三节 三相变压器绕组联结方式及磁路系三相变压器绕组联结方式及磁路系 统对电动势波形的影响统对电动势波形的影响第四节第四节 变压器的并联运行变压器的并联运行 电力系统采用的是三相供电制，所以电力系统电力系统采用的是三相供电制，所以电力系统中用得最多的是三相变压器。中用得最多的是三相变压器。当三相变压器的一、二次绕组以一定的接法联当三相变压器的一、二次绕组以一定的接法联接，带上三相对称负载，一次绕组接对称
2、的三相电接，带上三相对称负载，一次绕组接对称的三相电源时，其工作在对称情况，此时各相电压、电流大源时，其工作在对称情况，此时各相电压、电流大小相等，相位相差小相等，相位相差1200，因此可取三相中任意一相，因此可取三相中任意一相进行分析计算，也即将三相问题简化为单相问题，进行分析计算，也即将三相问题简化为单相问题，则前一章的分析方法和结论完全适用于三相电路。则前一章的分析方法和结论完全适用于三相电路。本章就三相变压器的几个特殊问题，即三相本章就三相变压器的几个特殊问题，即三相变压器的磁路系统、三相变压器的联结组别和感变压器的磁路系统、三相变压器的联结组别和感应电势波形等进行讨论，在此基础上简单
3、分析变应电势波形等进行讨论，在此基础上简单分析变压器的并联运行、不对称运行、突然短路及变压压器的并联运行、不对称运行、突然短路及变压器空载合闸等问题。器空载合闸等问题。第一节第一节 三相变压器的磁路系统三相变压器的磁路系统 三相变压器主要有两种结构形式，一种是由三相变压器主要有两种结构形式，一种是由三台单相变压器组合而成，称为三相组式变压器三台单相变压器组合而成，称为三相组式变压器或三相变压器组，另一种形式是三柱式铁心变压或三相变压器组，另一种形式是三柱式铁心变压器，称为心式变压器。两种形式的变压器磁路系器，称为心式变压器。两种形式的变压器磁路系统完全不同。统完全不同。1.三相组式变压器的磁路
4、系统三相组式变压器的磁路系统 把三台独立的单相变压器的绕组按一定方式作把三台独立的单相变压器的绕组按一定方式作三相联接，构成一台三相变压器。三相联接，构成一台三相变压器。图图4-1 4-1 三相组式变压器铁心结构三相组式变压器铁心结构特点特点：各相磁路彼此独立，各不相关，各相主磁各相磁路彼此独立，各不相关，各相主磁通以各自的铁心构成回路。若在三相绕组接三相通以各自的铁心构成回路。若在三相绕组接三相对称电源，三相主磁通对称，三相空载电流也对对称电源，三相主磁通对称，三相空载电流也对称。称。1.三相组式变压器的磁路系统三相组式变压器的磁路系统 （a a）三个单相铁心合并成）三个单相铁心合并成 (b
5、)b)去掉中间心柱去掉中间心柱 (c)(c)三相心式铁心三相心式铁心 图图4 42 2 三相心式变压器的磁路系统三相心式变压器的磁路系统2.三相心式变压器磁路系统三相心式变压器磁路系统特点是：各相磁路彼此相关，每相磁通必须通过特点是：各相磁路彼此相关，每相磁通必须通过另外两相才能构成闭合回路。另外两相才能构成闭合回路。三相心式变压器磁路系统，三相之间不很对称，三相心式变压器磁路系统，三相之间不很对称，即三相磁路长度不相等，中间一相较短，两边两相即三相磁路长度不相等，中间一相较短，两边两相较长。所以，当外施三相电压对称时，三相磁通相较长。所以，当外施三相电压对称时，三相磁通相同，由于三相磁路的磁
6、阻不相等，三相空载电流略同，由于三相磁路的磁阻不相等，三相空载电流略有不同。但因为电力变压器空载电流标幺值很小，有不同。但因为电力变压器空载电流标幺值很小，所以这种不对称对变压器负载运行的影响很小，一所以这种不对称对变压器负载运行的影响很小，一般忽略不计。般忽略不计。与三相组式变压器比较，心式变压器具有节省与三相组式变压器比较，心式变压器具有节省材料、效率高、占地面积小、维护方便等优点；但材料、效率高、占地面积小、维护方便等优点；但大型和超大型变压器，为了制造和运输方便，并减大型和超大型变压器，为了制造和运输方便，并减少电站的备用容量，常采用三相组式变压器。无论少电站的备用容量，常采用三相组式
7、变压器。无论是三相组式变压器还是心式变压器，各相基波磁通是三相组式变压器还是心式变压器，各相基波磁通通过的路径都是铁心磁路，遇到的磁阻很小。通过的路径都是铁心磁路，遇到的磁阻很小。第二节第二节 三相变压器的电路系统三相变压器的电路系统绕组的联结方式和联结组绕组的联结方式和联结组1.绕组端点的标志与极性绕组端点的标志与极性 高压绕组的某一端头电位为正时，低压绕组高压绕组的某一端头电位为正时，低压绕组必有一个端头电位也为正，这两个具有相同极性必有一个端头电位也为正，这两个具有相同极性的对应端头称为同极性端（或同名端），用符号的对应端头称为同极性端（或同名端），用符号“”表示。表示。（a a）高、低
8、压绕组绕向相同）高、低压绕组绕向相同 （b b）高、低压绕组绕向相反）高、低压绕组绕向相反 图图4 43 3 绕组的极性绕组的极性2.单相变压器的联接组单相变压器的联接组 为了形象地表示高、低压绕组间感应电动势为了形象地表示高、低压绕组间感应电动势的相位关系，通常用时钟表示法。在用时钟法表的相位关系，通常用时钟表示法。在用时钟法表示相位关系时，一般规定电动势的正方向为首端示相位关系时，一般规定电动势的正方向为首端指向末端。指向末端。根据前面的分析可以知道，单相变压器中高、根据前面的分析可以知道，单相变压器中高、低压绕组感应电动势只有两种关系：低压绕组感应电动势只有两种关系：高、低压绕组首端为同
9、极性端，则二者相电动高、低压绕组首端为同极性端，则二者相电动势同相位；势同相位；高、低压绕组首端为异极性端，则二者相电动高、低压绕组首端为异极性端，则二者相电动势相位相反。势相位相反。图图4 44 4 单相变压器高、低压绕组相电势之间的相位关系单相变压器高、低压绕组相电势之间的相位关系 用时钟法表示时，用联接组来表示绕组的联接用时钟法表示时，用联接组来表示绕组的联接法，而用时钟钟点数来表示二者之间的相位关系。法，而用时钟钟点数来表示二者之间的相位关系。单相变压器高、低压绕组联结组用单相变压器高、低压绕组联结组用I，I表示，表示，钟点数根据下述原则确定：高压绕组的相电势看作钟点数根据下述原则确定
10、：高压绕组的相电势看作时钟的长针，低压绕组的相电势看作时钟的短针，时钟的长针，低压绕组的相电势看作时钟的短针，令代表高压绕组电势的长针指向时钟盘面的令代表高压绕组电势的长针指向时钟盘面的12点，点，则代表低压绕组电势的短针所指的钟点数即为绕组则代表低压绕组电势的短针所指的钟点数即为绕组的联结组别号。的联结组别号。单相变压器的标准联结组为单相变压器的标准联结组为II0II0（I/I-12I/I-12）。）。3.三相变压器的电路系统三相变压器的电路系统图图4 45 5 三三相变压器绕组连接与相电势之间的相位关系相变压器绕组连接与相电势之间的相位关系 三相变压器的一次、二次绕组主要有两种联结方三相变
11、压器的一次、二次绕组主要有两种联结方法，星形接法和三角形接法。法，星形接法和三角形接法。三相变压器高、低压绕组的联接方式、绕组标志的三相变压器高、低压绕组的联接方式、绕组标志的不同，都使高、低压绕组对应的线电势之间相位差不同，不同，都使高、低压绕组对应的线电势之间相位差不同，联接组号是用来反映三相变压器绕组的联接方式及对应联接组号是用来反映三相变压器绕组的联接方式及对应线电势之间相位关系的。线电势之间相位关系的。高、低压绕组的联接方式不同、绕组标志不同，对高、低压绕组的联接方式不同、绕组标志不同，对应的线电势相位关系也不同，但是它们总是相差应的线电势相位关系也不同，但是它们总是相差 的的整数倍
12、，所以也可以采用时钟法来表示三相变压器绕组整数倍，所以也可以采用时钟法来表示三相变压器绕组联接和相位关系。同单相变压器类似，把高压边的线电联接和相位关系。同单相变压器类似，把高压边的线电势作为长针，固定指向钟表盘的势作为长针，固定指向钟表盘的12点位置，低压边相应点位置，低压边相应的线电势作为短针，它在钟面上所指的数字，即为三相的线电势作为短针，它在钟面上所指的数字，即为三相变压器的联接组号。变压器的联接组号。4.三相变压器的联接组三相变压器的联接组（1 1）Y Y，y0y0联接组联接组 （a a）Y Y，y0y0绕组接线图绕组接线图 （b b）相量图相量图 图图4 46 Y6 Y，y0y0联
13、接组联接组（2）Y，y6（Y-Y6）联接组）联接组 （a a）Y Y，y6y6联接组接线图联接组接线图 (b)(b)相量图相量图 图图4 47 Y7 Y，y6y6联接组联接组（3 3）Y Y，d11d11（Y/Y/-11-11）联接组）联接组ABC（a a）Y Y，d11d11联接组接线图联接组接线图 （b b）相量图相量图 图图4 48 Y8 Y，d11d11联接组联接组对变压器绕组联接组别的几点认识：对变压器绕组联接组别的几点认识：绕组标志（同名端或首末端）改变时，联接组号绕组标志（同名端或首末端）改变时，联接组号也改变；也改变；Y，y联接的变压器联接组号均为偶数，联接的变压器联接组号均为
14、偶数，Y，d联联接的变压器联接组号均为奇数；接的变压器联接组号均为奇数；D，d联接可得到与联接可得到与Y，y联接相同的组号，同样，联接相同的组号，同样，D，y联接也可得到与联接也可得到与Y，d联接相同的组号。联接相同的组号。电力变压器有五种联接组，分别是：电力变压器有五种联接组，分别是：Y，d11联接组：用于低压侧电压超过联接组：用于低压侧电压超过400V，高压侧电，高压侧电压在压在35kV以下，容量以下，容量5600kVA以下的场合。以下的场合。YN，d11联接组：用在高压侧需要中性点接地，电压一联接组：用在高压侧需要中性点接地，电压一般在般在35110kV以上的场合。以上的场合。Y，yn0
15、联接组：用在低压侧为联接组：用在低压侧为400V的配电变压器中，的配电变压器中，供给三相负载和单相照明负载，高压侧电压不超过供给三相负载和单相照明负载，高压侧电压不超过35kV，容量不超过，容量不超过1800kVA。YN，y0联接组：用于高压侧中性点需要接地的场合。联接组：用于高压侧中性点需要接地的场合。Y，y0联接组：用在只供三相动力负载的场合。联接组：用在只供三相动力负载的场合。最常用的联接方式是最常用的联接方式是Y，y0和和Y，d11两种。两种。第三节第三节 三相变压器绕组联结方式及三相变压器绕组联结方式及磁路系统对电势波形的影响磁路系统对电势波形的影响 三相系统中，三相的三次谐波电流幅
16、值相等，三相系统中，三相的三次谐波电流幅值相等，相位相同相位相同，即有：，即有：磁通中的三次谐波磁通也是大小相等，相位相同。磁通中的三次谐波磁通也是大小相等，相位相同。变压器的空载电流波形与三相绕组的联接法（星形或三变压器的空载电流波形与三相绕组的联接法（星形或三角形联接）有关，而铁心中磁通的波形又与磁路的结构角形联接）有关，而铁心中磁通的波形又与磁路的结构形式（组式或心式变压器）有关。形式（组式或心式变压器）有关。1.Y，y联结的组式变压器电势波形联结的组式变压器电势波形 对于对于Y，y联接的组式变压器，一次绕组励磁电联接的组式变压器，一次绕组励磁电流中三次谐波电流无法流通，所以，励磁电流近
17、似流中三次谐波电流无法流通，所以，励磁电流近似为正弦波。磁路饱和时，其所产生的主磁通必然是为正弦波。磁路饱和时，其所产生的主磁通必然是平顶波，平顶波磁通波形中除了基波磁通外，还含平顶波，平顶波磁通波形中除了基波磁通外，还含有三次谐波磁通，这里将其它高次谐波忽略。有三次谐波磁通，这里将其它高次谐波忽略。三相组式变压器中，各相磁路相互独立，三次三相组式变压器中，各相磁路相互独立，三次谐波磁通和基波磁通一样，沿主磁路闭合，磁路对谐波磁通和基波磁通一样，沿主磁路闭合，磁路对三次谐波的磁阻小，三次谐波磁通较大，所以主磁三次谐波的磁阻小，三次谐波磁通较大，所以主磁通为平顶波。通为平顶波。图图4 49 9
18、正弦波电流产生的主磁通波形正弦波电流产生的主磁通波形 三次谐波磁通与基波磁通一样，将在变压器一、三次谐波磁通与基波磁通一样，将在变压器一、二次绕组感应三次谐波电势，由于谐波频率为基波二次绕组感应三次谐波电势，由于谐波频率为基波频率的三倍频率的三倍 ，所以由它感应的三次谐波，所以由它感应的三次谐波电势较大，有时可达到基波电势的电势较大，有时可达到基波电势的45-60。基波电势和三次谐波电势叠加，得到变压器空基波电势和三次谐波电势叠加，得到变压器空载时的相电势波形为尖顶波，如图载时的相电势波形为尖顶波，如图410所示。所示。从从图中可以看出，相电势波形严重畸变，其所产生的图中可以看出，相电势波形严
19、重畸变，其所产生的尖峰电压可能危害绕组的绝缘。尖峰电压可能危害绕组的绝缘。图图4 41010正弦波电流产生的主磁通及电动势波形正弦波电流产生的主磁通及电动势波形2.Y，y联结的心式变压器电势波形联结的心式变压器电势波形 对于对于Y，y联结的心式变压器，其一次励磁电流联结的心式变压器，其一次励磁电流也近似为正弦波，但由于心式变压器三相磁路彼此也近似为正弦波，但由于心式变压器三相磁路彼此相关，各相的三次谐波磁通大小相等、相位相同，相关，各相的三次谐波磁通大小相等、相位相同，不能沿主磁路闭合，只能借助油、油箱壁等形成闭不能沿主磁路闭合，只能借助油、油箱壁等形成闭合回路，该磁路磁阻大，使三次谐波磁通大
20、大削弱，合回路，该磁路磁阻大，使三次谐波磁通大大削弱，三相心式变压器中主磁通波形接近正弦波，从而相三相心式变压器中主磁通波形接近正弦波，从而相电势波形也接近正弦波。电势波形也接近正弦波。所以，三相心式变压器可以采用所以，三相心式变压器可以采用Y，y联结方式。联结方式。图图4 41111 心式变压器心式变压器3 3次谐波磁通的路径次谐波磁通的路径 三次谐波磁通在变压器油箱壁等构件中引起三倍频三次谐波磁通在变压器油箱壁等构件中引起三倍频率的涡流损耗，使变压器局部发热和损耗增加，所以容率的涡流损耗，使变压器局部发热和损耗增加，所以容量大于量大于1800kV1800kVA A的变压器不采用的变压器不采
21、用Y Y，y y联结方式。联结方式。3.Y，d联结和联结和D，y联结变压器的电势波形联结变压器的电势波形 对于对于Y，d联结的变压器（组式和心式），其联结的变压器（组式和心式），其一次绕组中无三次谐波励磁电流流通，所以主磁一次绕组中无三次谐波励磁电流流通，所以主磁通中将有三次谐波磁通，谐波磁通在一、二次绕通中将有三次谐波磁通，谐波磁通在一、二次绕组的相电势中感应三次谐波电势。组的相电势中感应三次谐波电势。由于二次绕组为三角形联结，二次侧三相的三由于二次绕组为三角形联结，二次侧三相的三次谐波电势在闭合的三角形内形成三次谐波环流。次谐波电势在闭合的三角形内形成三次谐波环流。由于一次绕组中无三次谐波
22、电流与之平衡，由于一次绕组中无三次谐波电流与之平衡，所以二次绕组的三次谐波电流起着励磁作用。所以二次绕组的三次谐波电流起着励磁作用。这样可以认为铁心中的主磁通是由一次侧的正弦这样可以认为铁心中的主磁通是由一次侧的正弦波空载电流和二次侧三次谐波电流共同建立，二次侧波空载电流和二次侧三次谐波电流共同建立，二次侧的三次谐波电流产生的三次谐波磁通对一次绕组的三的三次谐波电流产生的三次谐波磁通对一次绕组的三次谐波磁通起去磁作用，所以三次谐波磁通被削弱，次谐波磁通起去磁作用，所以三次谐波磁通被削弱，相电势中的三次谐波分量很小，因此相电势波形近似相电势中的三次谐波分量很小，因此相电势波形近似为正弦波。为正弦
23、波。D，y联结的变压器，一次绕组的三角形接法使空联结的变压器，一次绕组的三角形接法使空载电流中的三次谐波分量可以在闭合的三角形回路中载电流中的三次谐波分量可以在闭合的三角形回路中流通，所以各相绕组空载电流为尖顶波，在铁心中建流通，所以各相绕组空载电流为尖顶波，在铁心中建立的主磁通波形为正弦波，绕组中感应的相电势波形立的主磁通波形为正弦波，绕组中感应的相电势波形也为正弦波。也为正弦波。综上所述，三相变压器的一、二次绕组中只要有一综上所述，三相变压器的一、二次绕组中只要有一侧接成三角形，就能保证感应电势波形接近正弦波。大侧接成三角形，就能保证感应电势波形接近正弦波。大容量电力变压器若需接成容量电力
24、变压器若需接成Y Y，y y联结，可以在铁心柱上另联结，可以在铁心柱上另加一套第三绕组，并接成三角形，此绕组不接电源也不加一套第三绕组，并接成三角形，此绕组不接电源也不接负载，用以为三次谐波电流提供通路，防止相电势波接负载，用以为三次谐波电流提供通路，防止相电势波形发生畸变。形发生畸变。图图4 412 Y12 Y，d d联结的三相变压器中的二次侧三次谐波电流联结的三相变压器中的二次侧三次谐波电流第四节第四节 变压器的并联运行变压器的并联运行（a a）三线图三线图 (b)b)单线图单线图图图4 413 13 三相三相Y Y，y y接法变压器的并联运行接法变压器的并联运行变压器并联运行有以下优点：
25、变压器并联运行有以下优点：（1）提高供电的可靠性。并联运行的变压器，如）提高供电的可靠性。并联运行的变压器，如果其中一台发生故障或检修，另外的变压器仍照常果其中一台发生故障或检修，另外的变压器仍照常运行，供给一定的负载。运行，供给一定的负载。（2）提高运行效率。并联运行变压器可根据负载）提高运行效率。并联运行变压器可根据负载的大小调整投入并联的台数，从而减小能量损耗，的大小调整投入并联的台数，从而减小能量损耗，提高运行效率。提高运行效率。（3）减少备用容量，并可随用电量的增加，分批）减少备用容量，并可随用电量的增加，分批安装变压器，减少初次投资。安装变压器，减少初次投资。1.变压器理想的并联条
26、件变压器理想的并联条件（1）各变压器的一次和二次额定电压相等，即各）各变压器的一次和二次额定电压相等，即各变压器变比相等；变压器变比相等；（2）各变压器一次和二次线电压的相位差相同，）各变压器一次和二次线电压的相位差相同，即各变压器连接组别相同；即各变压器连接组别相同；（3）各变压器的阻抗电压标幺值相等，短路阻抗）各变压器的阻抗电压标幺值相等，短路阻抗角也相等。角也相等。（a a）并联接线示意图）并联接线示意图 （b b）简化等效电路图）简化等效电路图 图图4 414 14 变比不等时变压器的并联运行变比不等时变压器的并联运行2.变比不相等时变压器的并联运行变比不相等时变压器的并联运行 并联变
27、压器即使有很小的电位差并联变压器即使有很小的电位差存在，由于短存在，由于短路阻抗值很小，路阻抗值很小，也会在并联变压器中产生很大的环也会在并联变压器中产生很大的环流。如变压器变比差流。如变压器变比差1时，环流可达额定值的时，环流可达额定值的10。环流不同于负载电流，在变压器空载时，环流就已环流不同于负载电流，在变压器空载时，环流就已经存在，它的存在将占用变压器的一部分容量，使经存在，它的存在将占用变压器的一部分容量，使变压器空载损耗增加，带负载能力降低。变压器空载损耗增加，带负载能力降低。因此，变压器制造时，应对变比误差加以严格因此，变压器制造时，应对变比误差加以严格控制，一般要求控制，一般要
28、求3.联结组别不同时的并联运行联结组别不同时的并联运行 此时的相位差等于二次侧线电压，这个相位差此时的相位差等于二次侧线电压，这个相位差将在变压器中引起很大的环流，可能超过额定电流将在变压器中引起很大的环流，可能超过额定电流的许多倍，从而烧坏变压器。的许多倍，从而烧坏变压器。图图4-15 4-15 连接组号相差连接组号相差2 2时的相量图时的相量图4.阻抗电压标幺值不等时的并联运行阻抗电压标幺值不等时的并联运行图图4-16 4-16 变压器并联运行的简化等效电路变压器并联运行的简化等效电路 各变压器负载电流与它们的短路阻抗标幺值成反比。各变压器负载电流与它们的短路阻抗标幺值成反比。当各并联变压
29、器阻抗电压标幺值相等时，各变压器负载当各并联变压器阻抗电压标幺值相等时，各变压器负载率相同。否则，阻抗电压标幺值不等的变压器并联运行率相同。否则，阻抗电压标幺值不等的变压器并联运行时，阻抗电压标幺值大的变压器满载运行，阻抗电压标时，阻抗电压标幺值大的变压器满载运行，阻抗电压标幺值小的变压器已经过载；而阻抗电压标幺值小的变压幺值小的变压器已经过载；而阻抗电压标幺值小的变压器满载运行时，阻抗电压标幺值大的变压器又处于欠载器满载运行时，阻抗电压标幺值大的变压器又处于欠载运行。运行。如果并联运行各变压器阻抗电压标幺值相等，负载如果并联运行各变压器阻抗电压标幺值相等，负载率相同，则负载分配最为合理。由于容量相近的变压器率相同，则负载分配最为合理。由于容量相近的变压器阻抗值相近，所以一般并联运行变压器的容量比不超过阻抗值相近，所以一般并联运行变压器的容量比不超过3：1。在计算变压器并联运行时的负载分配问题时，在计算变压器并联运行时的负载分配问题时，还经常采用下面的计算方法：还经常采用下面的计算方法：（1）n台并联运行变压器中第台并联运行变压器中第i台变压器负载电流为台变压器负载电流为 （2）第第i台变压器负载系数为台变压器负载系数为