一、三相变压器的基本结构
现代的电力系统都采用三相制供电，因而广泛采用三相变压器来实现电压的转换。三相变压器可以由三台同容量的单相变压器组成，再按需要将一次绕组及二次绕组分别接成星形或三甬形联结。图2—19所示为一、二次绕组均用星形联结的三相变压器组。三相变压器的另一种结构型式是把三个单相变压器合成一个三铁心柱的结构型式，称为三相心式变压器，如图2—20（a）所示。由于三相绕组接入对称的三相交流电源时，三相绕组中产生的主磁通也是对称的，故三相磁通之和等于零，即中间铁心柱的磁通为零，因此中间铁心柱可以省略，成为（b）图形式，实际中为了简化变压器铁心的剪裁及叠装工艺，均采用将U、V、W三个铁心柱置于同一个平面上的结构型式，如图2—20（c）所示。
在三相电力变压器中，目前使用最广的是油浸式电力变压器，它主要由铁心、绕组、油箱和冷却装置、保护装置等部件组成，其外形如图2—21所示，现简介如下：
1．铁心
铁心是三相变压器的磁路部分，与单相变压器一样，它也是由0.35mm厚的硅钢片叠压（或
卷制）而成，新型电力变压器铁心均用冷轧晶粒取向硅钢片制作，以降低其损耗。三相电力变压器铁心均采用心式结构。
图2－21 三相变压器外形
铁心柱的截面形状与变压器的容量有关，单相变压器及小型三相电力变压器采用正方形或长方形截面，如图2—22（a）所示；在大、中型三相电力变压器中，为了充分利用绕组内圆的空间，通常采用阶梯形截面，如图2—22（b）、（c）所示。阶梯形的级数越多，则变压器结构越紧凑，但叠装工艺越复杂。
图2－22 铁心柱截面形状
2．绕组
绕组是三相电力变压器的电路部分。一般用绝缘纸包的扁铜线或扁铝线绕成，绕组的结构形式与单相变压器一样有同心式绕组和交叠式绕组。当前新型的绕组结构为箔式绕组电力变压器，绕组用铝箔或铜箔氧化技术和特殊工艺绕制，使变压器整体性能得到较大的提高，我国已开始批量生产。
3．油箱和冷却装置
由于三相变压器主要用于电力系统进行电压等级的变换，因此其容量都比较大，电压也比较高，目前国产的高电压、大容量三相电力变压器OSFPSZ—360 000／500已批量生产（容量为36万kV·A，电压为500 kV，每台变压器重量达到250 t）。为了铁心和绕组的散热和绝缘，均将其置于绝缘的变压器油内，而油则盛放在油箱内，如图2—21所示。为了增加散热面积，一般在油箱四周加装散热装置，老型号电力变压器采用在油箱四周加焊扁形散热油管，见图2—21。新型电力变压器以采用片式散热器散热为多。容量大于10 000 kV·A的电力变压器，采用风吹冷却或强迫油循环冷却装置。
较多的变压器在油箱上部还安装有储油柜，它通过连接管与油箱相通。储油柜内的油面高度随变压器油的热胀冷缩而变动。储油柜使变压器油与空气的接触面积大为减小，从而减缓了变压器油的老化速度。新型的全充油密封式电力变压器则取消了储油柜，运行时变压器油的体积变化完全由设在侧壁的膨胀式散热器（金属波纹油箱）来补偿，变压器端盖与箱体之间焊为一体，设备免维护，运行安全可靠，在我国以S10系列低损耗电力变压器为代表，现已开始批量生产。
4．保护装置
（1）气体继电器。在油箱和储油柜之间的连接管中装有气体继电器，当变压器发生故障
时，内部绝缘物汽化，使气体继电器动作，发出信号或使开关跳闸。
（2）防爆管（安全气道）。装在油箱顶部，它是一个长的圆形钢筒，上端用酚醛纸板密封，下端与油箱连通。若变压器发生故障，使油箱内压力骤增时，油流冲破酚醛纸板，以免造成变压器箱体爆裂。近年来，国产电力变压器已广泛采用压力释放阀来取代防爆管，其优点是动作精度高，延时时间短，能自动开启及自动关闭，克服了停电更换防爆管的缺点。
二、三相变压器的极性
（一）变压器的极性
因为变压器的一、二次绕组绕在同一个铁心上，都被磁通Ф交链，故当磁通交变时，在两个绕组中感应出的电动势有一定的方向关系，即当一次绕组的某一端点瞬时电位为正时，二次绕组也必有一电位为正的对应端点。这两个对应的端点，我们称为同极性端或同名端，通常用符号“· ”表示。
在使用变压器或其他磁耦合线圈时，经常会遇到两个线圈极性的正确连接问题，例如某变压器的一次绕组由两个匝数相等绕向一致的绕组组成，如图2—23（a）中的绕组1—2和3—4。如每个绕组额定电压为110V，则当电源电压为220V时，应把两个绕组串联起来使用，如（b）图所示接法；如电源电压为110V时，则应将它们并联起来使用，如（c）图所示接法。当接法正确时，则两个绕组所产生的磁通方向相同，它们在铁心中互相叠加。如接法错误，则两个绕组所产生的磁通方向相反，它们在铁心中互相抵消，使铁心中的合成磁通为零，如图2—24所示。在每个绕组中也就没有感应电动势产生，相当于短路状态，会把变压器烧毁。因此同名端的判定是相当重要的，其判定方法如下：
图2－23 变压器绕组的正确连接图 2－24 变压器绕组的错误连接
（二）变压器极性的判定
1．对两个绕向已知的绕组
当电流从两个同极性端流入（或流出）时，铁心中所产生的磁通方向是一致的。如图2—23所示，1端和3端为同名端，电流从这两个端点流人时，它们在铁心中产生的磁通方向相同。同样可判断图2—25中的两个绕组，则1端和4端为同名端。搞清了同名端的概念以后，就不难理解为什么在图2—10及图2—15中一次绕组的绕向及电压电流方向均一样，而二次绕组中的电压和电流方向在两个图中却正好相反。
图2－25 同名端的判定 图2－26 交流法测定同名端
2．对一台已经制成的变压器
无法从外部观察其绕组的绕向，因此无法辨认其同名端，此时可用实验的方法进行测定，测定的方法有交流法和直流法两种。
（a）交流法。如图2—26所示，将一、二次绕组各取一个接线端连接在一起，如图中的2和4，并在一个绕组上（图中为N1绕组）加一个较低的交流电压Ul2，再用交流电压表分别测量U12、U13、U34各值，如果测量结果为：U13＝U12—U34，则说明N1、N2组为反极性串联，故1和3为同名端。如果U13＝U12＋U34：，则1和4为同名端。
（b）直流法。用1.5V或3 V的直流电源，按图2—27所示连接，直流电源接在高压绕组上，而直流毫伏表接在低压绕组两端。当开关S合上的一瞬间，如毫伏表指针向正方向摆动，则接直流电源正极的端子与接直流毫伏表正极的端子为同名端。
图2－27 直流法测定同名端
三、三相变压器的连接组
1．三相变压器绕组的连接方法
三相电力变压器高、低压绕组的出线端都分别给予标记，以供正确连接及使用变压器，其出线端标志如表2—1所示。
表2－1 绕组的首端和末端的标记
|
绕组名称 |
单相变压器 |
三相变压器 |
中性点 |
||
|
首端 |
末端 |
首端 |
末端 |
||
|
高压绕组 |
U1 |
U2 |
U1、V1、W1 |
U2、V2、W2 |
N |
|
低压绕组 |
U1 |
U1 |
U1、v1、w1 |
U2、v2、w2 |
n |
|
中压绕组 |
U1m |
U2m |
U1m、V1m、Wlm |
U2m、V2m、W2m |
Nm |
在三相电力变压器中，不论是高压绕组，还是低压绕组，我国均采用星形联结及三角形联结两种方法。
星形联结是把三相绕组的末端U2、V2、W2（或u2、v2、w2）连接在一起，而把它们的首端U1、V1、Wl（或u1、v1、w1）分别用导线引出，如图2—28（a）所示。
三角形联结是把一相绕组的末端和另一相绕组的首端连在一起，顺次连接成一个闭合回路，然后从首端U1、V1、W1（或u1、v1、w1）用导线引出，如图2—28（b）及（c）所示。其中图（b）的三相绕组按U2Wl、W2V1、V2U1的次序连接，称为逆序（逆时针）三角形联结。而图（c）的三相绕组按U2V1、W2U1、V2Wl的次序连接，称为顺序（顺时针）三角形联结。
图2－28 三相绕组连接方法
三相变压器高、低压绕组用星形联结和三角形联结时，在旧的国家标准中分别用Y和△表示。新的国家标准规定：高压绕组星形联结用Y表示，三角形联结用D表示，中性线用N表示。低压绕组星形联结用y表示，三角形联结用d表示，中性线用n表示。
三相变压器一、二次绕组不同接法的组合形式有：Y，y；YN，d；Y，d；Y，yn；D，y；D，d等，其中最常用的组合形式有三种，即Y，yn；YN，d和Y，d。不同形式的组合，各有优缺点。对于高压绕组来说，接成星形最为有利，因为它的相电压只有线电压的1／
，当中性点引出接地时，绕组对地的绝缘要求降低了。大电流的低压绕组，采用三角形联结可以使导线截面比星形联结时小1／，方便于绕制，所以大容量的变压器通常采用Y，d或YN，d联结。容量不太大而且需要中性线的变压器，广泛采用Y，yn联结，以适应照明与动力混合负载需要的两种电压。
上述各种接法中，一次绕组线电压与二次绕组线电压之间的相位关系是不同的，这就是所谓三相变压器的联结组别。三相变压器联结组别不仅与绕组的绕向和首末端的标记有关，而且还与三相绕组的连接方式有关。理论与实践证明，无论怎样连接，一、二次绕组线电动势的相位差总是300的整数倍。因此，国际上规定，标志三相变压器一、二次绕组线电动势的相位关系用时钟表示法，即规定一次绕组线电势EUV为长针，永远指向钟面上的“12”，二次绕组线电势Evu为短针，它指向钟面上的哪个数字，该数字则为该三相变压器联结组别的标号。现就Y，y联结和Y，d联结的变压器分别加以分析。
2．Y，y联结组
如图2—29（a）所示，变压器一、二次绕组都采用星形联结，且首端为同名端，故一、二次绕组相互对应的相电动势之间相位相同，因此对应的线电动势之间的相位也相同，如图2—29（b）所示，当一次绕组线电动势
这种连接方式称Y，y0联结组，如图2—29（c）所示。
图2－29 Y,y0联结组
若在图2－29联结绕组中，变压器一二次绕组的首端不是同名端，而是异名端，则一二次绕组相互对应的电动势相量均反向，Euv将指向时钟的“6”，成为Y，y6联结组，如图2—30所示。
图2－30 Y,y6联结组
3．Y，d联结组
如图2—31所示，变压器一次绕组用星形联结，二次绕组用三角形联结，且二次绕组u相的首端u1与v相的末端v2相连，即如图2—31（a）所示的逆序连接，如一、二次绕组的首端为同名端，则对应的相量图如图2—31（b）所示。
如图2—31（c）所示。
图2－31 Y,d11联结组
图2—32中，变压器一次绕组仍用星形联结，二次绕组仍为三角形联结，但二次绕组u相的首端u1与w相末端w2相连，即如图2—32（a）所示的顺序连接，且一、二次绕组的首端为同名端，则对应的相量图如图2—32（b）所示。
如图2—32（c）所示。
图2－32 Y,d1联结组
三相电力变压器的联结组别还有许多种，但实际上为了制造及运行方便的需要，国家标准规定了三相电力变压器只采用五种标准联结组，即Y，yn0、YN，d11、YN，y0、Y，y0和Y，dll。
在上述五种联结组中，Y，yn0联结组是我们经常碰到的，它用于容量不大的三相配电变压器，低压侧电压为400～230 V，用以供给动力和照明的混合负载。一般这种变压器的最大容量为1 800kV·A，高压侧的额定电压不超过35kV。此外，Y，y0联结组不能用于三相变压器组，只能用于三铁心的三相变压器。
四、三相变压器的并联运行
三相变压器的并联运行是指几台三相变压器的高压绕组及低压绕组分别连接到高压电源及低压电源母线上，共同向负载供电的运行方式。
在变电站中，总的负载经常由两台或多台三相电力变压器并联供电，其原因为：
（1）变电站所供的负载一般来讲总是在若干年内不断发展、不断增加的，随着负载的不断增加，可以相应地增加变压器的台数，这样做可以减少建站、安装时的一次投资。
（2）当变电站所供的负载有较大的昼夜或季节波动时，可以根据负载的变动情况，随时调整投入并联运行的变压器台数，以提高变压器的运行效率。
（3）当某台变压器需要检修（或故障）时，可以切换下来，而用备用变压器投入并联运行，以提高供电的可靠性。
为了使变压器能正常地投入并联运行，各并联运行的变压器必须满足以下条件：
（1）一、二次绕组电压应相等，即变比应相等。
（2）联结组别必须相同。
（3）短路阻抗（即短路电压）应相等。
实际并联运行的变压器，其变比不可能绝对相等，其短路电压也不可能绝对相等，允许有极小的差别，但变压器的联结组别则必须要相同。下面分别说明这些条件。
1．变比不等时的并联运行
设两台同容量的变压器T1和T2并联运行，如图2—33（a）所示，其变压比有微小的差别。其一次绕组接在同一电源电压U1下，二次绕组并联后，也应有相同的U2，但由于变压比不同，两个二次绕组之间的电动势有差别，设E1>E2，则电动势差值
会在两个二次绕组之间形成环流Ic，如图2—33（b）所示，这个电流称为平衡电流，其值与两台变压器的短路阻抗ZS1和ZS2有关。即
变压器的短路阻抗不大，故在不大的ΔE下也会有很大的平衡电流。变压器空载运行时，平衡电流流过绕组，会增大空载损耗，平衡电流越大则损耗会更多。变压器负载时，二次侧电动势高的那一台电流增大，而另一台则减少，可能使前者超过额定电流而过载，后者则小于额定电流值。所以，有关变压器的标准中规定，并联运行的变压器，其变压比误差不允许超过±0.5％。
图2－33 变压比不等时的并联运行
2．联结组别不同时变压器的并联运行
如果两台变压器的变比和短路阻抗均相等，但是联结组别不同时并联运行，则其后果十分严重。因为联结组别不同时，两台变压器二次绕组电压的相位差就不同，它们线电压的相位差至少为30o，因此会产生很大的电压差ΔU2。图2-34为Y，y0和Y，dll两台变压器并联，二次绕组线电压之间的电压差ΔU2。其数值为
图2－34 两台变压器并联运行的电压差
这样大的电压差将在两台并联变压器二次绕组中产生比额定电流大得多的空载环流，导致变压器损坏，故联结组别不同的变压器绝对不允许并联运行。
3．短路阻抗（短路电压）不等时变压器的并联运行
设两台容量相同、变比相等、联结组别也相同的三相变压器并联运行，现在来分析它们的负载如何均衡分配。设负载为对称负载，则可取其一相来分析。
如这两台变压器的短路阻抗也相等，则流过两台变压器中的负载电流也相等，即负载均匀分布，这是理想情况。如果短路阻抗不等，设ZS1I1>Zs2I2，则由于两台变压器一次绕组接在同一电源上，变比及联结组又相同，故二次绕组的感应电动势及输出电压均应相等，但由于ZS不等，参看图2-33（b），由欧姆定律可得ZS1I1=Zs2I2，其中I1为流过变压器T1绕组的电流（负载电流），I2为流过变压器T2绕组的电流（负载电流）。由此公式可见，并联运行时，负载电流的分配与各台变压器的短路阻抗成反比，短路阻抗小的变压器输出的电流要大，短路阻抗大的输出电流较小，则其容量得不到充分利用。因此，国家标准规定：并联运行的变压器其短路电压比不应超过10％。
变压器的并联运行，还存在一个负载分配的问题。两台同容量的变压器并联，由于短路阻抗的差别很小，可以做到接近均匀的分配负载。当容量差别较大时，合理分配负载是困难的，特别是担心小容量的变压器过载，而使大容量的变压器得不到充分利用。为此，要求投入并联运行的各变压器中，最大容量与最小容量之比不宜超过三比一。