《電機(jī)原理與維修》課件第3章

第3章三相變壓器3.1三相變壓器的磁路系統(tǒng)3.2三相變壓器的電路系統(tǒng)——連接組別*3.3磁路系統(tǒng)和繞組連接方式對空載電動勢波形的影響習(xí)題

3.1三相變壓器的磁路系統(tǒng)3.1.1三相組式變壓器磁路系統(tǒng)將三個(gè)完全相同的單相變壓器的繞組按一定方式作三相連接，稱為三相變壓器組或三相組式變壓器，如圖3-1所示?？梢钥闯?，這種變壓器磁路的特點(diǎn)是；三相磁路完全相同，每相磁路相互獨(dú)立，彼此無關(guān)。在原邊繞組加三相對稱電壓時(shí)，三相主磁通是對稱的，因此三相空載電流也是對稱的。三相組式變壓器一般用于特大容量及超高壓變壓器中。圖3-1三相變壓器組的磁路系統(tǒng)3.1.2三相心式變壓器磁路系統(tǒng)三相心式變壓器的磁路是由三個(gè)完全相同的單相變壓器的三個(gè)鐵芯合并演變而成的。圖3-2所示是三個(gè)單相鐵芯合并演變的過程。圖3-2三相心式變壓器的磁路系統(tǒng)(a)三個(gè)單相鐵芯合并；(b)省去中間鐵芯；(c)三個(gè)鐵芯柱布置在同一平面在圖3-2(a)中，三個(gè)單相鐵芯合并后，通過中間鐵芯柱的磁通是三個(gè)單相磁通、、的相量和，由于三個(gè)原邊繞組外加三相對稱電壓，因此三相磁通是對稱磁通，中間鐵芯柱的，所以可以省去中間鐵芯，如圖3-2(b)所示。為了制造方便，通常把三個(gè)鐵芯柱排列在同一平面，即把圖3-2(b)中B相鐵軛縮短，就形成三相心式變壓器鐵芯，也稱為三柱式鐵芯，如圖3-2(c)所示。這種磁路的特點(diǎn)是各磁路彼此相關(guān)，任何一相磁通都以其他兩相磁路作為閉合磁路，中間B相磁路比A、C兩相短，故三相空載電流不相等，即IOA=IOC>IOB。但由于空載電流較小，其不對稱對變壓器負(fù)載運(yùn)行的影響很小，可以忽略不計(jì)，因此，變壓器負(fù)載運(yùn)行時(shí)仍可看做是三相對稱系統(tǒng)。三相心式變壓器的優(yōu)點(diǎn)是耗材少、效率高、體積小、維護(hù)簡單、價(jià)格低，因此它在在電力系統(tǒng)中得到了廣泛應(yīng)用。3.2三相變壓器的電路系統(tǒng)——連接組別三相變壓器的電路系統(tǒng)與三相繞組的連接方式有著密切的聯(lián)系。對電力變壓器來說，三相原、副邊繞組通常有星形(Y形)和三角形(D形)兩種基本連接方式。而原、副邊繞組不同的連接方式導(dǎo)致了原、副邊繞組線電壓的相位關(guān)系也不同，本節(jié)主要分析三相變壓器原、副邊繞組電壓的相位關(guān)系。這里我們把原、副邊繞組電壓的相位差和它的連接方式總稱為變壓器的連接組別。當(dāng)然，單相變壓器的連接組別是三相變壓器連接組別的基礎(chǔ)。3.2.1變壓器原、副邊繞組首、末端標(biāo)志為了正確地連接及使用變壓器，通常對它的原、副邊繞組引出線的首、末端用規(guī)定的字母進(jìn)行標(biāo)志，如表3-1所示。3.2.2單相變壓器的連接組別

1.單相變壓器繞組的極性在變壓器中，同一相的原、副邊繞組套在同一鐵芯柱上，被同一主磁通所交鏈。在任一瞬時(shí)，當(dāng)磁通交變時(shí)，在原邊繞組產(chǎn)生的電動勢某一端點(diǎn)為正電位時(shí)，副邊繞組產(chǎn)生的電動勢也必有一端點(diǎn)的電位為正，則這兩個(gè)對應(yīng)的端點(diǎn)稱為同極性端(或同名端)，用“·”表示，如圖3-3所示。同極性端可能在兩個(gè)繞組的相同標(biāo)志端，如圖3-3(a)所示，也可能在兩個(gè)繞組的不同標(biāo)志端，如圖3-3(b)所示?？梢?，繞組的同極性端由繞組的繞向來決定，而與繞組首、末端的標(biāo)志無關(guān)。圖3-3單相變壓器繞組的極

2.判別同極性端的方法對于原、副邊繞組既不知其繞向，又無同極性端標(biāo)記的單相變壓器，可以用以下方法判斷它的同極性端。

(1)交流電壓加減法。圖3-4所示是用電壓表法判斷單相變壓器同極性端的接線圖。在原邊繞組加適當(dāng)交流電壓U1，副邊繞組開路，用電壓表分別測出U1、U2和U3，若U3≈U1+U2，則A與x(X與a)為同極性端，而A與a是異極性端。若U3≈U1-U2，則A與a(X與x)為同極性端。圖3-4用電壓表法判斷極性

(2)直流感應(yīng)法。用一個(gè)直流電源和一只檢流計(jì)按圖3-5所示接線，在開關(guān)S接通瞬間，原邊繞組中感應(yīng)電動勢是A端為正，若檢流計(jì)指針向右偏轉(zhuǎn)，則表示副邊繞組的感應(yīng)電動勢是a端為正，說明A端和a端互為同名端。若檢流計(jì)指針向左偏轉(zhuǎn)，則表示副邊繞組的感應(yīng)電動勢是a端為負(fù)，則A端和a端互為異極性端。如果沒有檢流計(jì)，也可以用萬用表來代替。同極性端判別還有其他方法，這里就不一一敘述了。圖3-5用直流感應(yīng)法判斷極性

3.單相變壓器的連接組別分析單相變壓器高、低壓繞組電動勢(或電壓)的相位關(guān)系，通常采用時(shí)鐘表示法。這里用A標(biāo)志高壓繞組的首端，用X標(biāo)志其末端；用a標(biāo)志低壓繞組的首端，用x標(biāo)志它的末端。A和a可以是同極性端，也可以是異極性端。一般規(guī)定高、低壓繞組相電動勢的正方向從首端指向末端，即、。

(1)若高、低壓繞組的首端A和a為同極性端時(shí)，則高、低壓繞組相電動勢與同相位。如圖3-6(a)所示。所謂時(shí)鐘表示法，就是把電動勢相量圖中高壓繞組電動勢做時(shí)鐘的分針，始終指向鐘面上的“12”；低壓繞組電動勢看做時(shí)鐘的時(shí)針，若它指向鐘面的“0”(“12”)，這時(shí)把時(shí)針?biāo)傅臄?shù)字稱為連接組別的標(biāo)號，故連接組別的標(biāo)號為“0”。用Ⅰ，Ⅰ0表示，羅馬數(shù)字Ⅰ表示高，低壓繞組都是單相，后面的數(shù)字為標(biāo)號。

(2)若高、低壓繞組的首端A和a為異極性端時(shí)，則高、低壓繞組電動勢與反相，如圖3-6(b)所示，其連接組別為Ⅰ，Ⅰ6。圖3-6單相變壓器連接組別3.2.3三相變壓器的連接組別

1.三相變壓器繞組的連接方式

(1)星形連接(Y)。把三相繞組的末端X、Y、Z(或x、y、z)連接在一起，作為中點(diǎn)，用“N”(或“n”)表示，由三個(gè)首端A、B、C(或a、b、c)引出連接電源(或負(fù)載)，即構(gòu)成了星形連接，如圖3-7(a)所示。圖3-7(a)表示的是三相高壓繞組按A、B、C相序從左向右排列的星形連接，圖3-7(b)表示了對應(yīng)三相相電動勢和三相線電動勢的相量圖。三相相電動勢為(3-1)三相線電動勢為

(3-2)圖3-7三相繞組星形連接(a)繞組接法；(b)電動勢相量圖

(2)三角形連接(D)。把一相繞組的末端和另一相繞組的首端依次連接在一起，形成一閉合回路的連接稱為三角形連接。三角形連接有兩種連接順序：一種按AX(ax)→CZ(cz)→BY(by)→A的順序連接，稱為逆序三角形連接，如圖3-8(a)所示，這種連接時(shí)相電動勢與線電動勢的關(guān)系為

(3-3)其相量圖如圖3-8(b)所示。圖3-8逆序三角形連接(a)繞組接法；(b)電動勢相量圖另一種按AX(ax)→BY(by)→CZ(cz)→A的順序連接，稱為順序三角形連接，如圖3-9(a)所示，此時(shí)的相電動勢與線電動勢的關(guān)系為

(3-4)其相量圖如圖3-9(b)所示。圖3-9順序三角形連接(a)繞組接法；(b)電動勢相量圖

2.三相變壓器的連接組別三相變壓器的連接組別是表明高、低壓繞組對應(yīng)的線電動勢(或線電壓)之間相位關(guān)系，即相位差的一種標(biāo)志方法。由于高、低壓繞組的連接方式不同，線電動勢的相位差也不同，因此連接組別與高、低壓繞組的連接方式和它們對應(yīng)線電動勢的相位差有關(guān)。三相變壓器連接組別的區(qū)分同樣用時(shí)鐘表示法，即把高、低壓繞組對應(yīng)的線電動勢和分別用時(shí)鐘的分針和時(shí)針表示,分針指向鐘面的“12”時(shí)，時(shí)針?biāo)笖?shù)字即為連接組別的標(biāo)號。

1)Y,y連接組別

Y,y連接有兩種方法：

(1)同極性端同為首端。Y,y連接如圖3-10(a)所示。由于它是同極性端為首端，且Y,y連接，因此高、低壓繞組對應(yīng)的相電動勢相位相同，則高、低壓繞組對應(yīng)線電動勢(，)和(，)也同相位，如圖3-10(b)所示，按時(shí)鐘表示法，指向鐘面“12”時(shí)，指向“0”，與同相位，故連接組別標(biāo)號為Y，y0。圖3-10Y，y0連接組別

(2)異極性端同為首端。Y,y連接如圖3-11(a)所示，由于高、低壓繞組首端為異極性端，因此高、低壓繞組對應(yīng)的相電動勢相位相反，則對應(yīng)的線電動勢(，)與(，)相位也相反，超前180°，如圖3-11(b)所示，可見此連接組別標(biāo)號應(yīng)為Y，y6。圖3-11Y，y6連接組別

2)Y，d連接組別

Y，d連接也有兩種方法：

(1)同極性端為首端，低壓繞組逆序三角形連接。Y，d連接如圖3-12(a)所示，此時(shí)高、低壓繞組對應(yīng)相的相電動勢同相位，但低壓側(cè)線電動勢超前高壓側(cè)對應(yīng)線動勢30°，如圖3-12(b)所示,故連接組別標(biāo)號應(yīng)為Y，d11。圖3-12Y，d11連接組別

(2)同極性端同為首端，低壓繞組順序三角形連接。Y,d連接如圖3-13(a)所示，同樣，高、低壓繞組對應(yīng)相的相電動勢同相位，但低壓側(cè)線電動勢落后高壓側(cè)對應(yīng)線電動勢30°，如圖3-13(b)所示，故連接組別標(biāo)號應(yīng)為Y，d1。圖3-13Y，d1連接組別綜上所述可得，對Y，y連接而言，如果原邊繞組的三相標(biāo)志不變，只把副邊繞組的三相標(biāo)志從左至右每移動一次，可得到一個(gè)偶數(shù)連接組別，共可得0，2，4，6，8，10等六個(gè)偶數(shù)組別。而對Y，d連接而言，同樣可得1，3，5，7，9，11等六個(gè)奇數(shù)組別。此外，D，d接法可以得到與Y，y接法同樣的偶數(shù)組別，D，y接法可以得到與Y，d接法同樣的奇數(shù)組別。變壓器連接組別的種類很多，為了制造和運(yùn)行的方便，我國國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定只生產(chǎn)Y,yn0；Y，d11；YN,d11；YN,y0和Y,y0等五種連接組別的電力變壓器。其中前三種最為常用。Y，yn0組別的副邊繞組可以引出中線，成為三相四線制供電系統(tǒng)，既可向照明負(fù)載供電，也可向動力負(fù)載供電。Y，d11組別用于低壓側(cè)電壓超過400V的線路中。YN，d11組別主要用于高壓輸電線路中。*3.3磁路系統(tǒng)和繞組連接方式對空載電動勢波形的影響在2.1.2節(jié)分析單相變壓器空載電流時(shí)已知，當(dāng)原邊繞組加正弦波電壓時(shí)，鐵芯中產(chǎn)生的主磁通也是正弦波，但由于鐵芯飽和的緣故，空載電流的波形是尖頂波，即為一個(gè)非正弦波，應(yīng)用富氏級數(shù)可將其分解為一系列奇數(shù)次諧波分量，其中主要是基波和三次諧波分量，三次諧波電流的頻率是基波頻率的三倍。在三相變壓器中，三相空載電流三次諧波分量的各相電流大小相等，相位相同，可表達(dá)為

i03A=I03msin3ωt

i03B=I03msin3(ωt-120°)=I03msin3ωt

i03C=I03msin3(ωt-240°)=I03msin3ωt3.3.1Y，y連接的情況原邊繞組是星形連接，無中線，三個(gè)同相位的三次諧波電流無法通過三相繞組構(gòu)成回路，空載電流近以為正弦波。由于鐵芯磁路的飽和，主磁通近似為平頂波，如圖3-14所示，根據(jù)富氏級數(shù)，平頂波的主磁通可分解成基波和一系列奇數(shù)次高次諧波，略去較弱的五次以上等高次諧波磁通，三次諧波磁通如圖3-14所示。由于磁路不同，磁通情況也不同，下面對組式和心式變壓器兩種情況來分析。圖3-14磁路飽和時(shí)變壓器組主磁通波形

1.Y，y連接的三相變壓器組在三相變壓器組中，三相磁路彼此獨(dú)立，如圖3-1所示，基波磁通和三次諧波磁通沿同一磁路閉合，由于鐵芯磁阻很小，因此三次諧波磁通相對較大，因此主磁通為平頂波。由基波磁通感應(yīng)的基波電動勢e1與由三次諧波磁通感應(yīng)的三次諧波電動勢e3相疊加，便得到空載時(shí)繞組的相電動勢e的波形,如圖3-15所示。由于較大的三次諧波磁通產(chǎn)生了較大的三次諧波電動勢，其幅值可達(dá)基波幅值的45%~60%，甚至更高，結(jié)果使相電動勢e的幅值升高很多，波形為尖頂波，從而使繞組承受過高的電壓，危害其絕緣。因此，三相變壓器組不宜采用Y，y連接方式。該結(jié)論也適合于Y，yn連接的三相變壓器組。圖3-15Y,d連接三相變壓器組相電動勢波形

2.Y，y連接的三相心式變壓器在三相心式變壓器中，三相磁路彼此關(guān)聯(lián)。大小相等，相位相同的各相三次諧波磁通不能沿鐵芯磁路閉合，只能借鐵芯周圍的油和油箱壁等形成閉合回路，如圖3-16所示。由于這種磁路磁阻很大，三次諧波磁通很小，使得主磁通波形基本上是正弦波(基波)，在繞組中感應(yīng)的相電動勢波形也接近正弦波，因此三相心式變壓器可以接成Y,y連接方式(含Y,yn連接)。但是，由于三次諧波磁通的頻率是基波磁通的3倍，它在通過油箱壁等鐵構(gòu)件時(shí)會在其中產(chǎn)生渦流損耗，引起局部發(fā)熱，從而降低變壓器效率，因此容量大于1800kV·A的三相心式變壓器不宜采用Y，y連接方式。圖3-16三相心式變壓器三次諧波磁通的路徑3.3.2Y，d連接的情況當(dāng)三相變壓器采用Y,d連接時(shí)，因?yàn)樵吚@組是Y連接，如圖3-17所示。據(jù)前所述，原邊繞組空載電流的三次諧波分量無通路，所以空載電流是正弦波(基波)，則主磁通應(yīng)為平頂波，其中三次諧波在副邊繞組中感應(yīng)出三次諧波電動勢，滯后90°。在三角形連接的回路中產(chǎn)生三次諧波電流，如圖3-17所示。圖3-17Y,d連接的三相變壓器因?yàn)楦边吚@組對三次諧波電流而言，繞組呈現(xiàn)的電阻遠(yuǎn)小于其三次諧波電抗，所以可近似認(rèn)為滯后90°。這樣由建立的與的相位大致相反，如圖3-18所示。從而大大削弱了的作用，因此主磁通波形可以認(rèn)為是接近正弦波的，感應(yīng)的電動勢波形也是接近正弦波。所以，無論是三相心式還是三相組式變壓器均可接成Y,