電力三相變壓器簡介

第 7章 三相變壓器

概  述

• 目前的電力系統(tǒng)，輸配電都是采用三相制，三相變壓器應(yīng)用最廣泛。

• 三相變壓器可以是由三臺單相變壓器組成的三相變壓器組。大部分三相變壓器是將三個鐵心柱和鐵軛聯(lián)成一個三相磁略，形成三相一體心式三相變壓器。

• 三相變壓器在對稱負(fù)載下運行時，各相的電流(電壓)大小相等，相位相差120度，對任何1相來說，上1章所得出的基本理論都適用。

• 三相變壓器也有它自身的特點, 本章將講述三相變壓器的有關(guān)知識。

7-1 三相變壓器的磁路結(jié)構(gòu)

一、三相變壓器組的磁路

• 將三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，
  如圖所示。

• 這種變壓器組的各相磁路是相互獨立的。

• 當(dāng)1次側(cè)加上三相對稱正弦電壓時，三相
  繞組的主磁通Φ_A/Φ_B/Φ_C也是對稱的。
  三相空載電流也是對稱的。

• 特大容量變壓器/運輸條件受到限制的地
  方，采用這種變壓器組時可方便運輸/減
  少備用容量。

二、三相心式變壓器的磁路

• 三相心式變壓器的鐵心，是將三臺單相變壓器的鐵心合在一起經(jīng)演變而成的。

• 當(dāng)繞組流過三相交流電時，通過中間鐵心柱的磁通便是A、B、C 三個鐵心柱磁通的相量和。

• 如果三相電壓對稱，則三相磁通的總和ΦA+ΦB+ΦC=0，因此，中間鐵心校可以省去。

• 為了使結(jié)構(gòu)簡單、制造方便、減小體積、節(jié)省材料，通常將三相鐵心柱的中心線布置在同一平面內(nèi)，演變成常用三相心式變壓器鐵心。

• 這種鐵心結(jié)構(gòu)，兩邊兩相磁路的磁阻比中間一相磁阻大一些。當(dāng)外加三相電壓對稱時，各相磁通相等，但三相空載電流不等，中間那相空載電流小一些。在小容量變壓器中表現(xiàn)較明顯,一般I0A=I0C=(I.2-1.5)I0B在大型變壓器中，其不平衡度較小。

• 在計算空載電流時，可取三者算術(shù)平均值。因為空載電流較小，對變壓器負(fù)載影響不大，與三相變壓器組比較起來，還是非常經(jīng)濟(jì)的。

三、比較

7-2 三相變壓器的聯(lián)結(jié)組

• 三相變壓器的1/2次側(cè)均有A/B/C三相繞組，它們之間的聯(lián)結(jié)方式對變壓器的運行性能有較大影響。

• 一般來說三相繞組可以連結(jié)成Y或者Δ(d)型。

• 聯(lián)結(jié)組的問題包括變壓器兩側(cè)對應(yīng)相之間的相對極性/同一側(cè)各相之間的標(biāo)號等問題

一、同一鐵心柱上1/2次側(cè)繞組相電勢之的相位關(guān)系

• 1次側(cè)用AX/BY/CZ，2次側(cè)用ax/by/cz來標(biāo)記

• 同一柱上1/2次相之間的相位關(guān)系有2種：同相/反相

• 規(guī)定感應(yīng)電勢的參考正方向為由首端指向末端A-X。

• 根據(jù)繞向（用同名端表示）和標(biāo)記，可以判斷同一柱上1/2次相之間的相位關(guān)系。

• 單相變壓器的聯(lián)結(jié)組只有兩種：I,i0/I,i6

二、三相變壓器的聯(lián)接組

• 三相變壓器的聯(lián)接組用1/2次側(cè)對應(yīng)相線電勢之間的相位關(guān)系來描述。

• 如果1次側(cè)為Y接法/A相線電勢E_AX的相位為0，2次側(cè)也為Y接法，對應(yīng)的a相的線電勢E_ax之相位為180度，則該聯(lián)結(jié)組記為Y,y0。

• 實際變壓器1/2次側(cè)對應(yīng)相之間的相位差一般為0/30/60/90/120/150/180/210/240/270/300/330。正好對應(yīng)鐘表盤上的12個位置。

(1)時鐘表示法

• 將1次側(cè)的某相線電勢固定在0點，2次側(cè)對應(yīng)相的線電勢所指的位置(小時數(shù))可以用來表示二者之間的相位差，即可以用來表征聯(lián)結(jié)組。

• 舉例：Y,y6;Y,d11,D,y3

• 總結(jié)步驟：

  （1）線電勢法

  • 根據(jù)接線圖畫出1次側(cè)相量圖，并找出線電勢E_AB的方位。

    • 星型接法時，E_AB為由B指向A的相量。

    • 三角形接法時，E_AB與A相同相或者與B相反相。

    
    

  • 對照兩側(cè)的繞組繞向/標(biāo)記，根據(jù)接線圖畫出2次側(cè)的相量圖。

    • 2次側(cè)的相電勢與1次側(cè)同一鐵心柱上的繞組的相電勢同相或者反相。

    
    

  • 找出線電勢E_ab的方位（方法同上）

  • 比較E_AB和E_ab的相對位置，確定聯(lián)結(jié)組。

  （2）重心法

  • 分別做出1/2次側(cè)的相量圖；三角形聯(lián)結(jié)時要注意繞組的首位端，并畫成三角形相量圖。

  • 將1/2次側(cè)相量圖重心重合，比較OA和Oa的相對方位，確定聯(lián)結(jié)組別。

  
  

舉例：Y,d5,D,y3

• 單相和三相變壓器有很多聯(lián)結(jié)組別，為了避免制造與使用時造成混亂，國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定：

• 單相雙繞組變壓器有一個標(biāo)準(zhǔn)聯(lián)結(jié)組I,i12

• 三相雙繞組變壓器有5種標(biāo)準(zhǔn)聯(lián)結(jié)組：Y,y_n0/Y,d11/Y_N,d11/Y,z11/D,z0。

• z表示曲折形聯(lián)結(jié)。

• Y,y_n0用作配電變壓器，其2次側(cè)可以引出中線作為三相四線制，可以供動力電和照明電；（高壓側(cè)<35kV，低壓側(cè)<400V(單相230V)）

• Y_N,d11用于110kV以上的高壓輸電線路，高壓側(cè)可以接地。

• 有z形的聯(lián)結(jié)適用于防雷性能較高的變壓器。

（1）勵磁電流和磁通波形關(guān)系

• 變壓器中的電勢e_m由磁通變化(dΦ/dt)引起，當(dāng)Φ為正弦時，e_m為相位上滯后90度的正弦函數(shù)；若Φ非正弦時，e_m將發(fā)生畸變，這是應(yīng)當(dāng)避免的。下面討論如何獲得正弦Φ。

• 勵磁電流i_m產(chǎn)生磁勢F_m，F_m在鐵心中產(chǎn)生磁通Φ。Φ的波形由i_m的波形決定。

• 當(dāng)磁路不飽和時，Φ和i_m是直線關(guān)系。即正弦的Φ由正弦i_m產(chǎn)生。

圖 不飽和時正弦的勵磁電流產(chǎn)生正弦的磁通

• 當(dāng)磁路飽和時，Φ和i_m是不再是直線關(guān)系。正弦的i_m無法產(chǎn)生正弦的Φ,只能產(chǎn)生平頂?shù)?/span>Φ。

• 正弦的Φ必須由尖頂的i_m產(chǎn)生。

• 尖頂的i_m中除了基波分量i₀₁外，還有較大的3次諧波分量i₀₃等。

圖 飽和時正弦的勵磁電流產(chǎn)生平頂?shù)拇磐?/span>

• 不飽和時，正弦的Φ由正弦i_m產(chǎn)生。飽和時，正弦的Φ必須由尖頂的i_m產(chǎn)生。如果i_m仍為正弦，則產(chǎn)生Φ的是平頂波。

• 平頂Φ的中含有較大的3次諧波磁通，如果不加以抑制，將產(chǎn)生含有3磁諧波的感應(yīng)電勢。

（2）磁通和感應(yīng)電勢波形關(guān)系

• 相電勢e_p由磁通變化(dΦ/dt)引起，當(dāng)Φ為正弦時，e_p為相位上滯后90度的正弦函數(shù)；若Φ非正弦時，e_p將發(fā)生畸變。

• 為了保證磁通和感應(yīng)電勢為正弦，勵磁電流必須為尖頂波，即必須含有3次諧波分量?？梢娐?lián)接組的接線應(yīng)當(dāng)提供3次諧波的流通路徑。否則，勵磁電流中不會有3次諧波。

• 單相變壓器的3次諧波電路是通的，所以單相變壓器的勵磁電流中含有3次諧波(為尖頂波)，其磁通和感應(yīng)電勢均為正弦波。

• Y_N,Y/D,y/Y,d聯(lián)結(jié)的三相變壓器：3次諧波電流可以通過中線或者在三角形回路中流通，所以這類聯(lián)結(jié)組的勵磁電流中含有3次諧波，其磁通和電勢均為正弦波。

• Y,y聯(lián)結(jié)組：1/2次側(cè)均無中線，3次諧波電流沒有通路，勵磁電流是正弦波，產(chǎn)生的磁通理論上為平頂波，平頂波磁通中含有較大的3次諧波分量，如不能有效抑制，導(dǎo)致感應(yīng)電勢為尖頂波。

  • 三相組式變壓器：各相磁路獨立，3次諧波磁通暢通無阻，也就是說，磁路結(jié)構(gòu)對磁通中的3次諧波沒有抑制，所以這種形式的變壓器磁通為平頂波，相電勢為尖頂波。相電勢的幅值比基波幅值大(45~60）%，將危及變壓器的絕緣，故電力系統(tǒng)中不能采用這種Y,y組式變壓器。

  • 三相心式變壓器：三相磁路關(guān)聯(lián)，由于三相的3次諧波磁通同相位，在主磁路上將相互抵銷；只有漏磁路上較小的3次諧波磁通留了下來，也就是說，這種磁路結(jié)構(gòu)對3次諧波磁通有較好的抑制作用，所以磁通近似為正弦波?？梢娭行⌒腿?span style="color:#ffff00;">心式Y,y變壓器是可以用的。

  
  

• 第三繞組：超高壓/大容量電力變壓器，常加一個三角形的第三繞組提供3磁諧波勵磁電流的通路。以改善電勢波形。

7-4 變壓器的并聯(lián)運行

一、并聯(lián)運行優(yōu)點

• 將兩臺或者兩臺以上的變壓器1/2次側(cè)分別接在各自的公共母線上，同時對負(fù)載供電。

• 優(yōu)點:(1)提高運行效率(2)提高供電可靠性(3)便于擴(kuò)容。

(1)變比相同(2)聯(lián)結(jié)組別相同(3)各變壓器輸出電流同相位(4)各臺變壓器的阻抗電壓相等。

• 兩臺并聯(lián)運行的變壓器的二次側(cè)構(gòu)成了回路。

• 若聯(lián)結(jié)組別和變比均完全相等，則可以保證這一回路中沒有環(huán)流。

• 2次側(cè)很小的電壓差也會在還路中引起很大的環(huán)流，所以變比只容許極小的偏差(0.5~1)%

• 聯(lián)結(jié)組別不同的兩臺變壓器的2次側(cè)電壓不同相位，必然存在相量差，這是不容許的。

• 并聯(lián)運行的每臺變壓器的輸出電流都同相位時，整個并聯(lián)組的輸出電流才能最大化，各臺變壓器的裝機(jī)容量才能充分利用。

• 阻抗電壓等于短路阻抗的標(biāo)幺值，在電流相位相同的情況下，各臺變壓器電流的分配與其阻抗成反比。

  I_A/I_B=Z_KB/Z_KA

(S_A/S_AN)=(U_NI_A)/(U_NI_AN)=I_A/I_AN

(S_B/S_BN)=(U_NI_B)/(U_NI_BN)=I_B/I_BN

(S_A/S_AN):(S_B/S_BN)=(I_AI_BN/I_BI_AN)

=(Z_KBI_BN/Z_KAI_AN)=(u_KB*U_N)/(u_KA*U_N)

=(1/u_KA):(1/u_KB)

• 如果u_KA≠u_KB,則，阻抗電壓較小的一臺變壓器先達(dá)到滿載，這就限制了整個并聯(lián)組的總?cè)萘俊?/span>

• 一般規(guī)定并聯(lián)運行的變壓器阻抗電壓值相差不超過10%。

7-4 三相變壓器的不對稱運行

• 三相變壓器實際運行時，可能出現(xiàn)各種不對稱運行的情況。/單相負(fù)載/1相斷開檢修/

• 對Y,yn聯(lián)結(jié)組，不對稱負(fù)載會引起中點偏移，導(dǎo)致2次側(cè)相電壓發(fā)生較大的變化

• 分析不對稱運行采用的方法是“對成分量法”

一、對成分量法原理

• 一組不對稱三相電流/電壓可以看成是三組對稱的電壓/電流的疊加，后者稱為前者的對成分量。

• 正序分量I_A+,I_B+,I_C+/負(fù)序分量I_A-,I_B-,I_C-/0序分量I_A0,I_B0,I_C0

• 合成：

I_A=I_A++I_A-+I_A0

I_B=I_B++I_B-+I_B0

I_C=I_C++I_C-+I_C0

I_B+=a²I_A+,   I_C+=aI_A+

I_B-=aI_A+,   I_C-=a²I_A+

I_B0=I_C0=I_A0

a=1∠120^o=-1/2+jsqrt(3)/2

a²=1∠240^o=-1/2-jsqrt(3)/2

a³=1,     1+a+a²=0

I_A=I_A++I_A-+I_A0

I_B=a²I_A++aI_A-+I_A0

I_C=aI_A++a²I_A-+I_A0

I_A+=1/3(I_A+aI_B+a²I_C)

I_A-=1/3(I_A+a²I_B+aI_C)

I_A0=1/3(I_A+I_B+I_C)

二、Y,y_n聯(lián)結(jié)組單相短路

I_a=I_k,  I_b=I_c=0

I_a0=1/3I_k,  I_a+=1/3I_k,  I_a-=1/3I_k

I_b0=1/3I_k,  I_b+=1/3a²I_k,  I_b-=1/3aI_k

I_c0=1/3I_k,  I_c+=1/3aI_k,  I_c-=1/3a²I_k

• 忽略勵磁電流時，1次側(cè)也將產(chǎn)生3個電流系統(tǒng)與2次側(cè)的3個電流系統(tǒng)平衡，歸算后

I_A+=-1/3I_k,  I_A-=-1/3I_k,  I_A0=0

I_B+=1/3a²I_k,  I_B-=1/3aI_k,  I_B0=0

I_C+=1/3aI_k,  I_C-=1/3a²I_k,  I_C0=0

I_A=I_A++I_A-+I_A0=-2/3I_k

I_B=I_B++I_B-+I_B0=1/3I_k

I_C=I_C++I_C-+I_C0=1/3I_k

• 在短路前，三相磁通Φ_A/Φ_B/Φ_C和2次側(cè)的三相電勢E_a/E_b/E_c均為三相對稱電勢。

• 短路后1/2次側(cè)的正/負(fù)電流系統(tǒng)相互平衡，不會影響原來的對稱磁通和電勢。

• 但2次側(cè)的零序電流得不到平衡，將在鐵心中激勵一個零序次通Φ_a0/Φ_b0/Φ_c0疊加在原來的三相對稱磁通上，得到一組不對稱三相磁通Φ^'_A/Φ^'_B/Φ^'_C。

• 對應(yīng)的感應(yīng)電勢將不對稱。2次電勢相量圖的中心將下移，b/c相電勢升高，a相電勢下降。中點浮動的幅度依0序磁通大小而定。

• 組式變壓器的零序磁通暢通無阻，所以Y,yn接法的組式變壓器單相短路時會發(fā)生嚴(yán)重的中點浮動，使得b/c相電壓達(dá)到危險值。

• 心式變壓器中零序磁通被大大抑制，所以中點浮動不會嚴(yán)重，在容量不大的配電變壓器可以使用心式Y(jié),yn接法。