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1、 第五章 三相繞組變壓器及其他變壓器 一、三繞組變壓器 三繞組變壓器有高、 中、低三個繞組，大多用于二次需要兩種不同電壓的電力系統(tǒng)。三繞組變壓器第三繞組常常接成三角形聯(lián)結(jié)，供電給附近較低電壓的配電線路，有 時僅接同步補償機和電容器（補償功率因數(shù)） ，也有第三繞組并不引出，專供三次諧波激磁電流形成通路，以改善電勢波形和減少不對稱運行時負載中點位移。 1、繞組的布置和額定容量 三繞組變壓器的鐵芯一般為芯式結(jié)構(gòu)，每一個鐵芯柱上面套有 3 個繞組，即高壓繞 組 1，中壓繞組 2 和低壓繞組 3。其中一個為原繞組，另外兩個為副繞組。為了絕緣方

2、 便，三繞組變壓器總是將高壓繞組放在最外層。 對于升壓變壓器， 將低壓繞組放在中層，中壓繞組放在內(nèi)層，這樣可使漏磁場分布均勻，已獲得良好的運行性能。對于降壓變壓 器，低壓繞組放在內(nèi)層絕緣較方便。 三繞組變壓器每個心柱上套有三個繞組，三個繞組的容量可相等，也可不相等，將額定容量作為 100％，則三個繞組的容量配合如表所示： 變壓器類別 繞組 備注 高 壓 中 壓 低 壓 100 100 50 三繞組變壓器 100 50 100 以變壓器額定容量為百分數(shù) 100 100 100

3、 三繞組自耦變壓器 100 100 100 表中 3 個繞組的容量關(guān)系代表每個繞組傳遞功率的能力， 并不是 3 個繞組按比例傳 遞功率。 三相三繞組表變壓器標準聯(lián)結(jié)組有 YN ， yno ， d11 和 YN , yno , y0 ，單相變壓器的標 準聯(lián)接組為 I,I0,I0 。 2、電壓基本方程式和等值電路 設(shè)一、二、三繞組匝數(shù)分別為 N1,N2 ,N3 K12 N 1 U 1 （一、二繞組電壓變比） N 2 U 20 K13 N 1 U 1 （一、三繞組電

4、壓變比） N 3 U 30 K123 N 2 U 20 （二、三繞組電壓變比） N 3 U 30 分（ 1）主磁通： 與三個繞組同時鉸鏈 （2）漏磁通：只鉸鏈一個或兩個繞組的磁通，前者稱自漏，后者為互漏 11 , 22 . 33 為自漏磁通 12 , 23 . 31 為互漏磁通。 由三個繞組的合成磁動勢建立。 經(jīng)鐵心磁路閉合， 激磁阻抗隨鐵心飽和程度而變 化。

5、自漏磁通由一個繞組的磁動勢所產(chǎn)生，互漏磁通由兩個繞組的磁動勢產(chǎn)生，它們主要通過空氣和油閉合，相應(yīng)的漏抗為常數(shù)。 設(shè)一相三繞組的自感為： L1 L2 L3 ；互感為： M 12 M 23 M 31 （互感對稱） 電壓方程： U 1 R1I 1 j L1 I 1 j M 12I 2 j M 13 I 3 U 2 R2 I2 j L2 I 2 j M 21 I 1 j M 23 I 3 U 3 R3I3 j L3 I 3 j M 31I 1 j M 32 I 2 折算得到初級，并考慮電流（磁

6、勢）方程 N1I1 N2I 2 N3I 3 N1I0 或： I1 I2 I 3 I 0 I 2 和 I 3 為電流歸算值，電壓方程式為： U 1 I1(R1 jx11 ) j I 2 x12 j I 3 x13 E （ 1） E2 I2(R2 jx22 ) jI 1 x21 jI 3 x23 U 2 （ 2） E3 I3(R3 j x33 ) jI 1 x31 jI 2 x32 U 3 （3） 式中 R1 , R2 ,

7、R3 -------- 各繞組的電阻。 x11 .x22 , x33 ------- 各繞組的自漏抗 x12 .x23 , x31 ------- 各繞組的互漏抗 x12 x21 . x23 x32 , x31x13 E1, E2 , E3 ---- 主磁通在各自繞組內(nèi)感應(yīng)的電動勢。 歸算到一次側(cè)后 E1 E2 E3 I mZ m 若忽略激磁電流，則 I 1 I 2 I 3 0 將（1）- （2

8、）并以 I 3 ( I 1 I2) 代入得 U 1 ( U2) I 1 R1 jI 1 ( x11 x12 x13 ) I 2R2 j I 2 (x22 x12 x23 . x13 ) I1(R1 jx1 ) I 2 (R2 jx2 ) 再將（ 1）- （3）并以 I 2 (I 1 I3)代入得 U 1 ( U3) I1(R1 jx 1 ) I 3 ( R3 j x3 ) 上兩式中，各繞組等效組合阻抗（自感與互組組合）分別為 x1 、 x2 、

9、x3 ： x1 x11 x12 x13 x23 L1 M 12 M 13 M 23 x2 x22 x12 x23 x13 L2 M 12 M 23 M 13 x3 x33 x13 x23 x12 L3 M 13 M 23 M 12 將上兩式進一步寫成： U 1 ( jx 1 )I U2 ) (R1 U 1 ( U3) (R1 jx 1 )I  Z1I 1 1 ( R2 jx 2 )I 2 Z2I2

10、 1 ( R3 jx 3 )I 3 Z1I 1 Z3I 3 Z1 R1 jx 1 ——一次繞阻等效漏阻抗 Z 2 R2 jx 2 ——二次繞組等效漏阻抗 Z3 R3 jx 3 ——三次繞組等效漏阻抗 由： I1I2 I 3 0 U 1 ( U 2 ) I1(R1 jx1 ) I 2 (R2 jx2 ) U 1 ( U 3 ) I1(R1 jx1 ) I 3 ( R3 jx3 ) 可畫出三繞組變壓器簡化等效電路如圖。

11、 2、參數(shù)測定 等效漏阻抗 Z1 , Z2 和 Z 3 可用短路實驗測定，由于三繞組變壓器中每兩個繞組相當(dāng)于 一個兩相變壓器，因此需做三次短路實驗。分別測出每兩個繞組間的短路阻抗。 ZK12 Z1 Z 2 （ R1 R2） j （ x 1 x 2） Rk12 jx ZK13 Z1

12、 Z3 （ R1 R3） j （ x 1 x 3） Rk12 jx  k12 k13 ZK23Z2 Z3 （ R2 R3） j （ x 2 x 3） Rk23j x k23 k 23 2 Z k23 k 23 2 Rk23 k 23 2 x k23 聯(lián)立求得 Z1 1 (Z K12 ZK13 ZK2

13、3) 2 Z 2 1 (ZK23 Z K12 ZK13) 2 Z 3 1 ZK23 ZK12) (Z K13 2 R1 1 (RK12 RK 13 RK23) 2 R2 1 (RK 12 RK 23 RK13) 2 R3 1 RK 23 RK12) (RK 13 2 x1 1 xK 13 xK 23 ) ( xK 12 2 x2 1 ( xK 12 xK 23 xK 1

14、3 ) 2 x 3 1 (x K 13 xK 23 xK 12 ) 2 如用標幺值來計算，可不必進行歸算，但若三個繞組容量不等，通常用容量最大的作為基值。 在三繞組變壓器中，排列在中間位置的繞組，其組合的等效電抗最小，相應(yīng)的阻抗壓降和端電壓變化率也最小。 負電抗時電容性質(zhì)的，但這不是指變壓器繞組真具有電容性。另等效電抗是各種不同電抗的組合，并不表示漏抗。 二、自耦變壓器 普通的變壓器的一、二次線圈只有磁的聯(lián)系而沒有電的聯(lián)系，自耦變壓器的特點在于一、二次線圈之間不僅有磁的聯(lián)系而且有電的直接聯(lián)系，如果把一臺普通的

15、變壓器的一次繞組和二次繞組串聯(lián)起來。使成為一臺自耦變壓器，這時普通變壓器的一個繞組變成為自耦變壓器的一二次側(cè)的共同部分。 所以自耦變壓器是一個從雙繞組變壓器演變過來的 設(shè)有一雙繞組的變壓器如圖所示： 1、電壓關(guān)系和電流關(guān)系 一次側(cè)： U1N, I1N ,N1，二次側(cè)： U 2N ,I 2N ,N2 一次側(cè)每匝感應(yīng)電勢： E1 E1 4.44 f m N 1 二次側(cè)每匝感應(yīng)電勢 E2 E2 4.44

16、 f m N 2 E1 E2 且 a x 與 ax 的匝數(shù)相等 Ea x Eax 將 a 與 a 相連，省去二次繞組，這樣成為一臺自耦變壓器。實質(zhì)上自耦 變壓器就是利用一個繞組抽頭辦法來實現(xiàn)改變電壓的一種變壓器。 當(dāng)忽略自耦變壓器的漏磁通和繞組電阻時，原邊的感應(yīng)電動勢 E1 與外加電壓 U 1 平 衡，副邊的感應(yīng)電動勢等于副邊的端電壓 U 2 ，他們的關(guān)系是： U 1 N E1 N1 k A U 2 N E2 N 2 式中， kA 為自耦變壓器的變比； N1、N2 分

17、別為高、低壓側(cè)繞組的匝數(shù)。 負載時磁動勢平衡關(guān)系為： I（N1 N2） I N2 I 0 N 1 1 忽略勵磁電流 I 0 ，則有： I（1N1 N2） I N2 0 （1） a 點的電流關(guān)系為： I1 I2 I （2） 將（ 2）式代入（ 1）式中得： I1N1 I1N2 I1N2 I 2 N 2 0 I 1 N1 I2 N 2 0 或 即： N 2 I 2 （ 3）

18、 I 1 I I - 2 2 N1 k A 式中， I 2 為低壓側(cè)電流折算到高壓側(cè)的數(shù)值。 I 2 k A 將（ 3）式代入（ 2）式中，得： I I 1 I 2 I 2 I 2 （ 1 ） 2 k A 1 - I

19、 k A 上式說明公共部分的電流 I 和副邊電流 I 2 相位相同。 I 1、I 2 和 I 的大小關(guān)系為： I2 I1 I 2、容量關(guān)系 下面分析，把普通兩繞組變壓器改接成自耦變壓器時，電壓比和額定容量將有何變 化。 額定運行時的容量用 SN 表示： K N1 SN U1NI1N U 2N I2N N 2 雙繞組變壓器的容量就是它的繞組容量，等于繞組上的電壓和電流的乘積。繞組容量又稱電磁容量，它通過電磁感應(yīng)從原邊傳遞給副邊。它的大小決定了變壓器的主要尺寸

20、和材料消耗，是變壓器設(shè)計的依據(jù)。 自耦變壓器的容量不等于它的繞組容量。 繞組 Aa 段的容量為： SA a U Aa I1 N U 1N N1 N2 I1N （1- 1 ）SN N 1 K A 繞組 ax 段的容量為： S U ax I U（1- 1 ）I 2 N （1- 1 ）S N ax 2 N K A K A 上兩式說明，繞組 Aa 和繞組 ax 的容量相等，但都比自耦變壓器的額定容量小。這 多出的部分為：

21、 SNSAa 1 SN U 2NI2N K A 成為自耦變壓器的傳導(dǎo)容量， 它由原方直接傳給負載， 不需要增加繞組容量。 因此，若自耦變壓器與雙繞組變壓器額定容量相同， 則自耦變壓器的繞組容量比雙繞組變壓器的繞組容量小。 由于 : SaN (1 1 ) K a 1, SN K K a 1 SaN SN （計算容量 SN小于額定容量 SAn） KA 越接近于 1，傳導(dǎo)功率所占的比例越大，經(jīng)濟效果越顯著。 自耦變壓器常用于高、低壓比較接近的場合，在工廠和實驗室中自耦變壓器常用來

22、做調(diào)壓器。 3、主要優(yōu)缺點 當(dāng)額定容量相同時，自耦變壓器與雙繞組變壓器相比，其單位容量消耗的材料少、 變壓器的體積小、造價低，而且銅耗和鐵耗也小，因而效率高。當(dāng) KA越接近 1 時，自耦變壓器的繞組容量越小，其優(yōu)點越突出。 同樣，由于原、副繞組之間有直接的電的聯(lián)系，當(dāng)高壓邊遭受過電壓時，會引起低壓邊嚴重過電壓。因此，需要在原、副邊裝設(shè)避雷器。 三、電壓互感器和電流互感器 電壓互感器和電流互感器又稱儀用互感器，是電力系統(tǒng)中使用的測量設(shè)備，其工作原理與變壓器基本相同。 使用變壓器的目的是：①與小量程的標準化電壓表和電流表配合測量高電

23、壓、大電流；②使測量回路和被測回路隔離，以保障工作人員和測量設(shè)備的安全；③為各類繼電保護和控制系統(tǒng)提供控制信號。 1、電壓互感器 電壓互感器的接線如下圖。 高壓繞組接到被測量的電壓線路上， 低壓繞組接測量表。若測量儀表不止一個，則各儀表的電壓線圈應(yīng)并聯(lián)。電壓互感器副邊的額定電壓都統(tǒng)一 設(shè)計成 100V。 電壓互感器的工作原理和普通降壓變壓器相同。當(dāng)忽略漏阻抗時： U 1 E1 N 1 k u U 2 E2 N 2 當(dāng)測量

24、出 U2 后，被測電壓 U1=kuU2。由于電壓互感器副邊所接的測量儀表，例如電壓表、功率表的電壓線圈等，其阻抗很大，故 電壓互感器運行時相當(dāng)于一臺降壓互感器的空載運行 。 電壓互感器的兩種誤差：變比誤差和相位誤差，因存在勵磁互感器和漏阻抗。變比誤差的定義為： k u U 2 -U 1 100% U 1 相位誤差是 U 1 和 -U 2 之間的相位差。 所以存在測量誤差， 電壓互感器按準確度高低分為 0.2 、0.5 、1.0 和 3.0 四個等級。 數(shù)字越小準確度越高 在使用電壓互感器時應(yīng)注意： （ 1）、二次側(cè)

25、不允許短路，否則會產(chǎn)生很大的短路電 流，燒毀互感器的繞組；（ 2）、為安全起見， 二次繞組連同鐵心一起， 必須可靠接地；（3）副邊接入的阻抗不得小于規(guī)定值，以減小誤差。 2、電流互感器 電流互感器接線如圖。原繞組串入被測的線路中，副繞組接電流表或功率表的電流線圈等。電流互感器副邊的額定電流一般統(tǒng)一設(shè)計成 5A 或 1A。 若將勵磁電流忽略，根據(jù)磁動勢平衡關(guān)系有： I 1 N1 I 2 N 2 0 或 I 1

26、N 2 I 2 k i I 2 N1 式中 k i N 2 為電流互感器的變流比。 N1 當(dāng)測出 I2 后，被測電流 I1=kiI2 。由于電流互感器副邊所接的儀表阻抗很小， 故電流互感器運行時相當(dāng)于一臺升壓變壓器的短路運行 。 實際上，由于勵磁電流和漏阻抗的影響，電流互感器也存在電流誤差： ki I 2 I 1 100% I % I 1 和 I 1 與 - ki I 2 之間的相位差。 電流互感器按誤差大小分為 0.2 、0.5 、1.0 、 3.0 、10.0 五個等級供選用。 電流互感器在使用時應(yīng)注意： ①在運行過程中絕對不允許副邊開路。 這是因為電流互感器的原邊電流是由被測試的電路決定的，在正常運行時，電流互感器的副邊相當(dāng)于 短路，副邊的電流有強烈的去磁作用，即副邊的磁動勢近似與原邊的磁動勢大小相等、方向相反，因而產(chǎn)生鐵芯中的磁通所需的合成磁動勢和相應(yīng)的勵磁電流很小。若副邊開路，則原邊電流全部成為勵磁電流，使鐵芯中的磁通增大，鐵芯過分飽和，鐵耗急劇增大，引起互感器發(fā)熱。同時因副繞組匝數(shù)很多，將會感應(yīng)出危險的高電壓，危機操作人員和測量設(shè)備的安全。②副邊應(yīng)可靠接地。③副邊回路阻抗應(yīng)不超過規(guī)定值，以免增大誤差。