三相绕组变压器及其他变压器三绕组变压器三绕组变压器

第五章三相绕组变压器及其他变压器一、三绕组变压器三绕组变压器有高、 中、低三个绕组，大多用于二次需要两种不同电压的电力系统。三绕组变压器第三绕组常常接成三角形联结，供电给附近较低电压的配电线路，有时仅接同步补偿机和电容器（补偿功率因数） ，也有第三绕组并不引出，专供三次谐波激磁电流形成通路，以改善电势波形和减少不对称运行时负载中点位移。1、绕组的布置和额定容量三绕组变压器的铁芯一般为芯式结构，每一个铁芯柱上面套有3 个绕组，即高压绕组 1，中压绕组 2 和低压绕组 3。其中一个为原绕组，另外两个为副绕组。为了绝缘方便，三绕组变压器总是将高压绕组放在最外层。 对于升压变压器， 将低压绕组放在中层，中压绕组放在内层，这样可使漏磁场分布均匀，已获得良好的运行性能。对于降压变压器，低压绕组放在内层绝缘较方便。三绕组变压器每个心柱上套有三个绕组，三个绕组的容量可相等，也可不相等，将额定容量作为 100，则三个绕组的容量配合如表所示：变压器类别绕组备注高 压中 压低 压10010050三绕组变压器10050100以变压器额定容量为百分数100100100三绕组自耦变压器100100100表中 3 个绕组的容量关系代表每个绕组传递功率的能力，并不是 3 个绕组按比例传递功率。三相三绕组表变压器标准联结组有YN ， yno ， d11 和 YN , yno , y0 ，单相变压器的标准联接组为 I,I0,I0 。2、电压基本方程式和等值电路设一、二、三绕组匝数分别为N1,N2 ,N3K12N 1U 1（一、二绕组电压变比）N 2U 20K13N 1U 1（一、三绕组电压变比）N 3U 30K123N 2U 20（二、三绕组电压变比）N 3U 30分（ 1）主磁通：与三个绕组同时铰链（2）漏磁通：只铰链一个或两个绕组的磁通，前者称自漏，后者为互漏11,22.33为自漏磁通12 ,23 .31为互漏磁通。由三个绕组的合成磁动势建立。经铁心磁路闭合， 激磁阻抗随铁心饱和程度而变化。自漏磁通由一个绕组的磁动势所产生，互漏磁通由两个绕组的磁动势产生，它们主要通过空气和油闭合，相应的漏抗为常数。设一相三绕组的自感为：L1L2L3 ；互感为：M 12M 23M 31 （互感对称）电压方程：U 1R1I 1j L1 I 1 j M 12I 2 j M 13 I 3U 2R2 I2j L2 I 2j M 21 I 1j M 23 I 3U 3R3I3j L3 I 3j M 31I 1j M 32I2折算得到初级，并考虑电流（磁势）方程N1I1 N2I 2N3I 3 N1I0或： I1 I2I 3I 0I 2 和 I 3 为电流归算值，电压方程式为：U 1I1(R1jx11) j I 2 x12j I 3 x13E（ 1）E2I2(R2jx22) jI 1 x21jI 3 x23U 2（ 2）E3I3(R3j x33) jI 1 x31jI 2 x32U 3（3）式中R1 , R2 , R3 -各绕组的电阻。x11.x22 , x33-各绕组的自漏抗x12.x23 , x31-各绕组的互漏抗x12x21 .x23x32, x31x13E1, E2 , E3 - 主磁通在各自绕组内感应的电动势。归算到一次侧后 E1E2E3I mZ m若忽略激磁电流，则I 1I 2I 30将（1）- （2）并以 I3( I 1I2) 代入得U 1( U2)I 1 R1 jI 1 ( x11x12x13 )I 2R2j I 2 (x22 x12x23 . x13 )I1(R1jx1 ) I 2 (R2jx2 )再将（ 1）- （3）并以 I 2(I 1I3)代入得U 1( U3)I1(R1jx 1 ) I 3 ( R3j x3 )上两式中，各绕组等效组合阻抗（自感与互组组合）分别为x1 、 x2 、 x3 ：x1x11x12x13x23L1M 12M 13M 23x2x22x12x23x13L2M 12M 23M 13x3x33x13x23x12L3M 13M 23M 12将上两式进一步写成：U 1(jx 1 )IU2 ) (R1U 1(U3) (R1jx 1 )IZ1I 1 1( R2jx 2 )I 2Z2I21( R3jx 3 )I 3Z1I 1Z3I 3Z1R1 jx 1 一次绕阻等效漏阻抗Z 2R2 jx 2 二次绕组等效漏阻抗Z3R3jx 3 三次绕组等效漏阻抗由： I1I2I 30U 1(U 2 ) I1(R1jx1 ) I 2 (R2jx2 )U 1(U 3 )I1(R1jx1 ) I 3 ( R3jx3 )可画出三绕组变压器简化等效电路如图。2、参数测定等效漏阻抗 Z1 , Z2 和 Z 3 可用短路实验测定，由于三绕组变压器中每两个绕组相当于一个两相变压器，因此需做三次短路实验。分别测出每两个绕组间的短路阻抗。ZK12Z1Z 2（ R1R2） j （ x 1x 2） Rk12jxZK13Z1Z3（ R1R3） j （ x 1x 3） Rk12jxk12k13ZK23Z2Z3（ R2R3） j （ x 2x 3） Rk23j x k23k 232 Z k23k 232 Rk23 k 232 x k23联立求得Z11 (Z K12ZK13ZK23)2Z 21 (ZK23Z K12ZK13)2Z 31ZK23ZK12)(Z K132R11 (RK12RK 13RK23)2R21 (RK 12RK 23RK13)2R31RK 23RK12)(RK 132x11xK 13xK 23 )( xK 122x21 ( xK 12xK 23xK 13 )2x 31 (x K 13xK 23xK 12 )2如用标幺值来计算，可不必进行归算，但若三个绕组容量不等，通常用容量最大的作为基值。在三绕组变压器中，排列在中间位置的绕组，其组合的等效电抗最小，相应的阻抗压降和端电压变化率也最小。负电抗时电容性质的，但这不是指变压器绕组真具有电容性。另等效电抗是各种不同电抗的组合，并不表示漏抗。二、自耦变压器普通的变压器的一、二次线圈只有磁的联系而没有电的联系，自耦变压器的特点在于一、二次线圈之间不仅有磁的联系而且有电的直接联系，如果把一台普通的变压器的一次绕组和二次绕组串联起来。使成为一台自耦变压器，这时普通变压器的一个绕组变成为自耦变压器的一二次侧的共同部分。所以自耦变压器是一个从双绕组变压器演变过来的设有一双绕组的变压器如图所示：1、电压关系和电流关系一次侧： U1N, I1N ,N1，二次侧： U 2N ,I 2N ,N2一次侧每匝感应电势： E1E14.44 fmN 1二次侧每匝感应电势 E2E24.44 fmN 2E1E2 且 a x 与 ax的匝数相等Ea xEax 将 a 与 a 相连，省去二次绕组，这样成为一台自耦变压器。实质上自耦变压器就是利用一个绕组抽头办法来实现改变电压的一种变压器。当忽略自耦变压器的漏磁通和绕组电阻时，原边的感应电动势E1 与外加电压 U 1 平衡，副边的感应电动势等于副边的端电压U 2 ，他们的关系是：U 1 NE1N1k AU 2 NE2N 2式中， kA 为自耦变压器的变比； N1、N2 分别为高、低压侧绕组的匝数。负载时磁动势平衡关系为：I（N1N2） I N2I0N 11忽略励磁电流 I 0 ，则有：I（1N1N2） I N20（1）a 点的电流关系为：I1 I2 I （2）将（ 2）式代入（ 1）式中得：I1N1I1N2I1N2I 2N 20I 1N1 I2N 2 0或即：N 2I 2（ 3）I 1II-22N1k A式中，I2为低压侧电流折算到高压侧的数值。I 2k A将（ 3）式代入（ 2）式中，得：II1I2I 2I2（1） 2k A1 -Ik A上式说明公共部分的电流I 和副边电流 I 2 相位相同。 I 1、I 2 和 I 的大小关系为：I2I1I2、容量关系下面分析，把普通两绕组变压器改接成自耦变压器时，电压比和额定容量将有何变化。额定运行时的容量用SN 表示：KN1SNU1NI1NU 2N I2NN 2双绕组变压器的容量就是它的绕组容量，等于绕组上的电压和电流的乘积。绕组容量又称电磁容量，它通过电磁感应从原边传递给副边。它的大小决定了变压器的主要尺寸和材料消耗，是变压器设计的依据。自耦变压器的容量不等于它的绕组容量。绕组 Aa 段的容量为：SA a U Aa I1 N U 1NN1 N2 I1N （1- 1 ）SNN 1K A绕组 ax 段的容量为：SUaxI U（1-1 ）I2 N（1-1 ）SNax2 NK AK A上两式说明，绕组 Aa 和绕组 ax 的容量相等，但都比自耦变压器的额定容量小。这多出的部分为：SNSAa1 SNU 2NI2NK A成为自耦变压器的传导容量， 它由原方直接传给负载， 不需要增加绕组容量。 因此，若自耦变压器与双绕组变压器额定容量相同， 则自耦变压器的绕组容量比双绕组变压器的绕组容量小。由于 :SaN(11 )K a1,SNKK a1SaNSN （计算容量 SN小于额定容量 SAn）KA 越接近于 1，传导功率所占的比例越大，经济效果越显著。自耦变压器常用于高、低压比较接近的场合，在工厂和实验室中自耦变压器常用来做调压器。3、主要优缺点当额定容量相同时，自耦变压器与双绕组变压器相比，其单位容量消耗的材料少、变压器的体积小、造价低，而且铜耗和铁耗也小，因而效率高。当 KA越接近 1 时，自耦变压器的绕组容量越小，其优点越突出。同样，由于原、副绕组之间有直接的电的联系，当高压边遭受过电压时，会引起低压边严重过电压。因此，需要在原、副边装设避雷器。三、电压互感器和电流互感器电压互感器和电流互感器又称仪用互感器，是电力系统中使用的测量设备，其工作原理与变压器基本相同。使用变压器的目的是：与小量程的标准化电压表和电流表配合测量高电压、大电流；使测量回路和被测回路隔离，以保障工作人员和测量设备的安全；为各类继电保护和控制系统提供控制信号。1、电压互感器电压互感器的接线如下图。 高压绕组接到被测量的电压线路上， 低压绕组接测量表。若测量仪表不止一个，则各仪表的电压线圈应并联。电压互感器副边的额定电压都统一设计成 100V。电压互感器的工作原理和普通降压变压器相同。当忽略漏阻抗时：U 1E1N 1k uU 2E2N 2当测量出 U2 后，被测电压 U1=kuU2。由于电压互感器副边所接的测量仪表，例如电压表、功率表的电压线圈等，其阻抗很大，故 电压互感器运行时相当于一台降压互感器的空载运行 。电压互感器的两种误差：变比误差和相位误差，因存在励磁互感器和漏阻抗。变比误差的定义为：k u U 2 -U 1100%U 1相位误差是 U 1 和 -U 2 之间的相位差。所以存在测量误差， 电压互感器按准确度高低分为0.2 、0.5 、1.0 和 3.0 四个等级。数字越小准确度越高在使用电压互感器时应注意： （ 1）、二次侧不允许短路，否则会产生很大的短路电流，烧毁互感器的绕组；（ 2）、为安全起见， 二次绕组连同铁心一起， 必须可靠接地；（3）副边接入的阻抗不得小于规定值，以减小误差。2、电流互感器电流互感器接线如图。原绕组串入被测的线路中，副绕组接电流表或功率表的电流线圈等。电流互感器副边的额定电流一般统一设计成 5A 或 1A。若将励磁电流忽略，根据磁动势平衡关系有：I 1N1I 2N 20 或I 1N 2I 2k i I 2N1式中 k iN 2为电流互感器的变流比。N1当测出 I2 后，被测电流 I1=kiI2 。由于电流互感器副边所接的仪表阻抗很小， 故电流互感器运行时相当于一台升压变压器的短路运行 。实际上，由于励磁电流和漏阻抗的影响，电流互感器也存在电流误差：ki I 2I 1100%I %I 1和 I 1 与 - ki I 2 之间的相位差。电流互感器按误差大小分为0.2 、0.5 、1.0 、 3.0 、10.0 五个等级供选用。电流互感器在使用时应注意： 在运行过程中绝对不允许副边开路。 这是因为电流互感器的原边电流是由被测试的电路决定的，在正常运行时，电流互感器的副边相当于短路，副边的电流有强烈的去磁作用，即副边的磁动势近似与原边的磁动势大小相等、方向相反，因而产生铁芯中的磁通所需的合成磁动势和相应的励磁电流很小。若副边开路，则原边电流全部成为励磁电流，使铁芯中的磁通增大，铁芯过分饱和，铁耗急剧增大，引起互感器发热。同时因副绕组匝数很多，将会感应出危险的高电压，危机操作人员和测量设备的安全。副边应可靠接地。副边回路阻抗应不超过规定值，以免增大误差。