第7节 三相变压器

　　目前电力系统均采用三相制供电，故三相变压器得到广泛应用三相变压器可由三台同容量的单相变压器组成，称为三相变压器组;也可用铁轭把三个铁心柱连在一起构成一台三相变压器，称为三相心式变压器。从运行原理来看，三相变压器对称运行时，各相电压、电流大小相等，相位彼此相差120度，可取任意一相来分析，且就其一相而言，与单相变压器没有什么区别，单相变压器的分析方法及结论完全适用于三相变压器的对称运行。本节主要学习三相变压器本身特点，如三相变压器的磁路、联结组及其对感应电动势波形的影响。

　　一、三相变压器的磁路

　　三相变压器组和三相心式变压器的磁路不同。

　　

 

　　图1.7.2-1 三相变压器组的磁路

　　三相主磁通沿各自磁路闭合，相互独立，三相磁路彼此无关。

　　优点：每个单相变压器体积小、重量轻、便于运输、备用容量小，在制造和运输有困难的超高压、特大容量变压器中采 用当三相变压器组一次侧外加三相对称电压时，三相主磁通

对称的，又三相磁路也是对称的，故三相空载电流是对称的。

 

　　

 

　　图1.7.2-2 三相心式变压器的磁路

　　(a)有中间心柱 (b)取消中间心柱 (c)实际三相心式变压器的磁路

　　每相主磁通通过另外两相磁路闭合，三相磁路彼此相关

　　优点：节省材料、维护方便、占地面积小等，广泛采用当三相心式变压器一次侧外加三相对称的电压时，三相主磁通

是对称的，但三相磁路不对称(A相和C相磁路长度相等且较长，B相磁路最短)，导致三相磁路磁阻不相等，故三相空载电流不相等(B相较小)由于一般电力变压器的空载电流较小，它的不对称对变压器负载运行的影响很小，可不予考虑。

 

　　二、三相变压器的联结组

　　1. 绕组的端头标志与极性(同名端)变压器首尾端标志。

　　绕组名称 单相变压器 三相变压器 中点

　　首端 尾端 首端 尾端

　　高压绕组A X A、B、CX、Y、ZN

　　低压绕组a X a、b、c x、y、zn

　　中压绕组Am Xm Am、Bm、CmXm、Ym、ZmNm

　　当高压绕组某一端头电位高于另一端时，低压绕组在该瞬时也有一个端头电位高于另一端，则这两个具有高电位的端头就是同极性端(或同名端)。一般在同极性端的端头标上"·" 标记;当然另外两个低电位的端头也是同极性端，但无须再标记同极性端与绕组的绕向有关。

　　

 

　　图1.7.3-1 同极性端与绕组绕向的关系

　　2. 三相变压器的联结组--反映三相变压器高低

　　压绕组的联结方式及其对应线电压的相位关系

　　三相变压器的联结组不仅与绕组的绕向(同名端)和首尾端的标志有关，而且还与三相绕组的联结方式有关。

　　三相变压器绕组的联结方式有两种基本形式：星形联结和三角形联结。

　　

 

　　图1.7.3-3 三相变压器绕组的联结方式

　　三相变压器用线电压相量来判断联结组号。

　　(1) Y，y联结

　　图1.7.3-4 Y，y0和Y，y6联结组的绕组联结图与电压相量图

　　画这种相量图的电压相量时需注意：应按该电压的下标的相反次序来画， 例如画

a时，应从x点指向a点，画 ab时，应从b点指向a点。

 

　　Y，y0(旧国标Y/Y-12)联结组表示高低压绕组对应的各线电压同相(因为同极性端标为首端，高低压绕组对应的各相电压同相)，

AB与 ab都指向12点(即0点)。

 

　　Y，y6(Y/Y-6)联结组表示高低压绕组对应的各线电压反相(因为异极性端标为首端，高低压绕组对应的各相电压反相)即

ab转过180°，指向6点，所以联结组为Y，y6(Y/Y-6)。

 

　　图1.7.3-5 Y，y4和Y，y8联结组的绕组联结图与电压相量图

　　Y，y0联结组保持高压绕组端头标志不变，仅把低压绕组端头标志右移一个端头(相序不能变)，即由abc改为cab，尾端也相应改变，则低压侧各线电压分别按顺时针转过120°，

ab从12点指向4点，得联结组Y，y4(Y/Y-4)。

 

　　Y，y0联结组保持高压绕组端头标志不变，仅把低压绕组端头标志左移一个(即右移两个)端头(相序不能变)，即由abc改为bca，尾端也相应改变，则低压侧各线电压分别按逆时针转过120°(即顺时针转过240°),

ab 从12点指向8点，得联结组Y，y8(Y/Y-8)。

 

　　同理，由Y，y6联结组可得Y，y10和Y，y2联结组。 综上所述，当高低压绕组联结方式相同时(Y，y或D，d)，可得到且只能得到0、2、4、6、8、10共六种偶数的联结组。

　　(2) Y，d联结

　　

 

　　1. Y，d11(三角形逆联ax-cz-by-a)

　　

 

　　2. Y，d1(三角形顺联ax-by-cz-a)

　　图1.7.3-6 Y，d11和Y，d1联结组的绕组联结图与电压相量图

　　图1.7.3-6(1b)中，从x点出发，画

a与 A 同相;a点与y点相连，因此 b相量从a点出发，画 b与 B 同相;b点与z点相连，因此 c 相量从b点出发，画 c与 C 同相;又c点和x点相连，因此 c相量回到x点，形成一个闭合 三角形。因 ab=- b ，所以当 AB指向12点时, ab 指向11点，为Y，d11(Y/D-11)联结组。同理，可得Y，d1(Y/D-1)联结组。

 

　　与Y，y联结组的规律相同，高低压绕组换为异极性端为首端时(三角形联结方式不能变)，高低压绕组对应的各相电压反相，

ab 转过180°,指向5点，所以联结组变为Y，d5(Y/D-5)。

 

　　Y，d11联结组保持高压绕组端头标志不变，仅把低压绕组端头标志右移一个端头(相序和三角形联结方式不能变)，即由abc改为cab，尾端也相应改变，则低压侧各线电压分别按顺时针转过120°，

ab从11点指向3点，得联结组Y，d3(Y/D-3)。

 

　　Y，d11联结组保持高压绕组端头标志不变，仅把低压绕组端头标志左移一个(即右移两个)端头(相序和三角形联结方式不能变)，即由abc改为bca，尾端 也相应改变，则低压侧各线电压分别按逆时针转过120°(即顺时针转过240°)，

ab从11点指向7点，得联结组Y，d7(Y/D-7)。

 

　　同理，由Y，d5联结组可得Y，d9和Y，d1联结组或由Y，d1联结组得到Y，d5 和Y，d9联结组。 综上所述，当高低压绕组联结方式不同时(Y，d或D，y)， 可得到且只能得到1、3、5、7、9、11共六种奇数的联结组。

　　(3) 标准联结组

　　为了便于制造和并联运行，国家规定三相电力变压器的标准联结组为：Y，yn0;YN，y0;Y，y0;Y，d11;YN，d11五种，它们的应用范围如下：

　　Y，yn0联结组的低压侧可以引出中线，成为三相四线制，用作配电变压器时可兼供动力和照明负载。

　　YN，y0用于高压侧的中点需接地的场合，而Y，y0一般用于只供动力负载的配电变压器。

　　Y，d11用在低压侧电压高于400V，高压侧电压不超过35kV，最大容量为5600kVA的变压器，且一侧接成三角形对运行有利(下面介绍)。

　　YN,d11主要用于110kV及以上高压输电线路中，使电力系统的高压侧有可能接地。

　　三、绕组联结方式和磁路系统对感应电动势波形的影响

　　要产生正弦波的电动势，主磁通必须为正弦波，由于变压器铁心饱和，激磁电流(即空载电流)变为尖顶波，即空载电流含有三次谐波电流分量。

　　三相变压器中，三相空载电流的三次谐波电流表达式为

　　i03A=I03msin3ωt

　　i03B=I03msin3(ωt-120°)=I03msin3ωt

　　i03C=I03msin3(ωt-240°)=I03msin3ωt

　　三次谐波电流频率是基波电流频率的三倍，三相的三次谐波电流大小相等、相位相同。三相变压器中，三相同相位的三次谐波电流能否流通与一次绕组的联结方式有关。

　　1. Y，y联结组

　　一次绕组采用无中线的星形联结：三相同相位的三次谐波电流不能流通。

　　空载电流i0正弦波→主磁通Φ平顶波

 

　　在三相变压器中，三相同相位的三次谐波磁通能否在铁心中流通与磁路系统有关。

　　(1) 三相磁路彼此无关的三相变压器组

　　三相同相位的三次谐波磁通能沿铁心闭合，且遇到的磁阻很小，故三次谐波磁通数值较大，在绕组中感应出三次谐波相电动势，危及绕组绝缘。但三次谐波相电动势相互抵消，线电动势仍为正弦波空载电流i0正弦波→主磁通Φ平顶波

→ 电动势e尖顶波

 

　　

 

　　图1.7.4-1 磁路饱和时正弦空载电流产生的平顶波主磁通

　　

 

　　图1.7.4-2 平顶波主磁通产生的尖顶波电动势

　　(2) 三相磁路彼此相关的三相心式变压器

　　三相同相位的三次谐波磁通不能沿铁心闭合，只能经铁心外的油、油箱壁等部件闭合，由于该磁路磁阻较大，故三次谐波磁通数值很小主磁通波形接近正弦波，感应电动势波形也接近正弦波。但由于三次谐波磁通经过油箱壁和铁件闭合，会产生附加损耗，引起油箱壁局部过热，并使变压器效率降低。

　　

 

　　图1.7.4-3 三相心式变压器中三次谐波磁通的路径

　　2. Y，yn联结组

　　二次绕组采用星形联结有中线引出，三次谐波电流有通路，但须经过负载闭合。空载时，没有通路;负载时，三次谐波电流被负载阻抗削弱，故对主磁通波形的影响很小，效果和Y，y联结组相同。

　　3. D，y和YN，y联结组

　　一次绕组采用三角形联结：三相同相位的三次谐波电流在闭合的三角形中流通;

　　一次绕组采用有中线的星形联结：三相同相位的三次谐波电流通过星形联结的中线流通

　　空载电流i0为尖顶波→主磁通Φ正弦波→电动势e正弦波。

　　4. Y，d 联结组

　　一次绕组采用星形联结，三相同相位的三次谐波电流不能流通，主磁通和一、二次侧的相电动势将出现三次谐波，但二次绕组采用三角形联结，三相的三次谐波电动势在闭合的三角形中产生三次谐波电流，由于一次侧没有三次谐波电流相平衡，因此二次侧三次谐波电流与一次侧正弦激磁电流共同激励主磁通，故主磁通和感应电动势波形接近正弦波，效果和D，y联结组相同。

　　结论:无论三角形联结在哪一侧，都可以改善相电动势的波形对大容量变压器，若需要采用Y，y联结，可考虑在铁心柱上再安装一套接成三角形联结的第三绕组，以改善相电动势的波形。如果需要第三绕组接负载，可将其端点引出，此时变压器为三绕组变压器。

　　

 

　　图1.7.4-4 带附加第三绕组(d联结)的Y，y联结变压器

　　

 

　　表2.7.4-1 不同绕组联结方式和磁路系统下的相电动势波形