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第7章三相变压器概述目前的电力系统,输配电都是采用三相制,三相变压器应用最广泛三相变压器可以是由三台单相变压器组成的三相变压器组大部分三相变压器是将三个铁心柱和铁轭联成一个三相磁略,形成三相一体心式三相变压器三相变压器在对称负载下运行时,各相的电流电压大小相等,相位相差120度,对任何1相来说,上1章所得出的基本理论都适用三相变压器也有它自身的特点本章将讲述三相变压器的有关知识7-1三相变压器的磁路结构
一、三相变压器组的磁路将三台相同的单相变压器一次、二次侧绕组,按对称式做三相联结,可组成三相变压器组,如图所示 这种变压器组的各相磁路是相互独立的当1次侧加上三相对称正弦电压时,三相绕组的主磁通ΦA/ΦB/ΦC也是对称的三相空载电流也是对称的特大容量变压器/运输条件受到限制的地方,采用这种变压器组时可方便运输/减少备用容量
二、三相心式变压器的磁路三相心式变压器的铁心,是将三台单相变压器的铁心合在一起经演变而成的当绕组流过三相交流电时,通过中间铁心柱的磁通便是A、B、C三个铁心柱磁通的相量和如果三相电压对称,则三相磁通的总和ΦA+ΦB+ΦC=0,因此,中间铁心校可以省去为了使结构简单、制造方便、减小体积、节省材料,通常将三相铁心柱的中心线布置在同一平面内,演变成常用三相心式变压器铁心这种铁心结构,两边两相磁路的磁阻比中间一相磁阻大一些当外加三相电压对称时,各相磁通相等,但三相空载电流不等,中间那相空载电流小一些在小容量变压器中表现较明显一般I0A=I0C=I.2-
1.5I0B在大型变压器中,其不平衡度较小在计算空载电流时,可取三者算术平均值因为空载电流较小,对变压器负载影响不大,与三相变压器组比较起来,还是非常经济的
三、比较组式变压器三相铁心相互独立,三相磁路没有关联三相磁路对称三相电流平衡便于拆开运输并可以减少备用容量心式变压器铁心互不独立,三相磁路互相关联;中间相的磁路短,磁阻小,励磁电流不平衡,但对实际运行的变压器,其影响极小在相同的SN下,心式变压器经济/省材料/体积小/重量小7-2三相变压器的联结组三相变压器的1/2次侧均有A/B/C三相绕组,它们之间的联结方式对变压器的运行性能有较大影响一般来说三相绕组可以连结成Y或者Δd型联结组的问题包括变压器两侧对应相之间的相对极性/同一侧各相之间的标号等问题
一、同一铁心柱上1/2次侧绕组相电势之的相位关系1次侧用AX/BY/CZ,2次侧用ax/by/cz来标记同一柱上1/2次相之间的相位关系有2种同相/反相规定感应电势的参考正方向为由首端指向末端A-X根据绕向(用同名端表示)和标记,可以判断同一柱上1/2次相之间的相位关系单相变压器的联结组只有两种Ii0/Ii6
二、三相变压器的联接组三相变压器的联接组用1/2次侧对应相线电势之间的相位关系来描述如果1次侧为Y接法/A相线电势EAX的相位为0,2次侧也为Y接法,对应的a相的线电势Eax之相位为180度,则该联结组记为Yy0实际变压器1/2次侧对应相之间的相位差一般为0/30/60/90/120/150/180/210/240/270/300/330正好对应钟表盘上的12个位置 1时钟表示法将1次侧的某相线电势固定在0点,2次侧对应相的线电势所指的位置小时数可以用来表示二者之间的相位差,即可以用来表征联结组2根据绕组连结图判断联结组别举例Yy6;Yd11Dy3总结步骤
(1)线电势法根据接线图画出1次侧相量图,并找出线电势EAB的方位星型接法时,EAB为由B指向A的相量三角形接法时,EAB与A相同相或者与B相反相对照两侧的绕组绕向/标记,根据接线图画出2次侧的相量图2次侧的相电势与1次侧同一铁心柱上的绕组的相电势同相或者反相找出线电势Eab的方位(方法同上)比较EAB和Eab的相对位置,确定联结组
(2)重心法分别做出1/2次侧的相量图;三角形联结时要注意绕组的首位端,并画成三角形相量图将1/2次侧相量图重心重合,比较OA和Oa的相对方位,确定联结组别3根据联结组别画绕组连结图举例Yd5Dy34变压器的标准联结组联结组单相和三相变压器有很多联结组别,为了避免制造与使用时造成混乱,国家标准规定单相双绕组变压器有一个标准联结组Ii12三相双绕组变压器有5种标准联结组Yyn0/Yd11/YNd11/Yz11/Dz0z表示曲折形联结Yyn0用作配电变压器,其2次侧可以引出中线作为三相四线制,可以供动力电和照明电;(高压侧35kV,低压侧400V单相230V)YNd11用于110kV以上的高压输电线路,高压侧可以接地有z形的联结适用于防雷性能较高的变压器 7-3变压器励磁电流/磁通/电势波形
(1)励磁电流和磁通波形关系变压器中的电势em由磁通变化dΦ/dt引起,当Φ为正弦时,em为相位上滞后90度的正弦函数;若Φ非正弦时,em将发生畸变,这是应当避免的下面讨论如何获得正弦Φ励磁电流im产生磁势Fm,Fm在铁心中产生磁通ΦΦ的波形由im的波形决定当磁路不饱和时,Φ和im是直线关系即正弦的Φ由正弦im产生图不饱和时正弦的励磁电流产生正弦的磁通 当磁路饱和时,Φ和im是不再是直线关系正弦的im无法产生正弦的Φ只能产生平顶的Φ正弦的Φ必须由尖顶的im产生尖顶的im中除了基波分量i01外,还有较大的3次谐波分量i03等图 饱和时正弦的磁通必须由尖顶的励磁电流产生图饱和时正弦的励磁电流产生平顶的磁通结论不饱和时,正弦的Φ由正弦im产生饱和时,正弦的Φ必须由尖顶的im产生如果im仍为正弦,则产生Φ的是平顶波平顶Φ的中含有较大的3次谐波磁通,如果不加以抑制,将产生含有3磁谐波的感应电势
(2)磁通和感应电势波形关系相电势ep由磁通变化dΦ/dt引起,当Φ为正弦时,ep为相位上滞后90度的正弦函数;若Φ非正弦时,ep将发生畸变结论正弦的磁通产生正弦感应电势;平顶的磁通产生尖顶的感应电势
(3)不同联结组电势波形分析为了保证磁通和感应电势为正弦,励磁电流必须为尖顶波,即必须含有3次谐波分量可见联接组的接线应当提供3次谐波的流通路径否则,励磁电流中不会有3次谐波单相变压器的3次谐波电路是通的,所以单相变压器的励磁电流中含有3次谐波为尖顶波,其磁通和感应电势均为正弦波YNY/Dy/Yd联结的三相变压器3次谐波电流可以通过中线或者在三角形回路中流通,所以这类联结组的励磁电流中含有3次谐波,其磁通和电势均为正弦波Yy联结组1/2次侧均无中线,3次谐波电流没有通路,励磁电流是正弦波,产生的磁通理论上为平顶波,平顶波磁通中含有较大的3次谐波分量,如不能有效抑制,导致感应电势为尖顶波三相组式变压器各相磁路独立,3次谐波磁通畅通无阻,也就是说,磁路结构对磁通中的3次谐波没有抑制,所以这种形式的变压器磁通为平顶波,相电势为尖顶波相电势的幅值比基波幅值大45~60)%,将危及变压器的绝缘,故电力系统中不能采用这种Yy组式变压器三相心式变压器三相磁路关联,由于三相的3次谐波磁通同相位,在主磁路上将相互抵销;只有漏磁路上较小的3次谐波磁通留了下来,也就是说,这种磁路结构对3次谐波磁通有较好的抑制作用,所以磁通近似为正弦波可见中小型三相心式Yy变压器是可以用的第三绕组超高压/大容量电力变压器,常加一个三角形的第三绕组提供3磁谐波励磁电流的通路以改善电势波形7-4变压器的并联运行
一、并联运行优点将两台或者两台以上的变压器1/2次侧分别接在各自的公共母线上,同时对负载供电优点:1提高运行效率2提高供电可靠性3便于扩容
二、理想并联运行的条件1变比相同2联结组别相同3各变压器输出电流同相位4各台变压器的阻抗电压相等两台并联运行的变压器的二次侧构成了回路若联结组别和变比均完全相等,则可以保证这一回路中没有环流2次侧很小的电压差也会在还路中引起很大的环流,所以变比只容许极小的偏差
0.5~1%联结组别不同的两台变压器的2次侧电压不同相位,必然存在相量差,这是不容许的并联运行的每台变压器的输出电流都同相位时,整个并联组的输出电流才能最大化,各台变压器的装机容量才能充分利用阻抗电压等于短路阻抗的标幺值,在电流相位相同的情况下,各台变压器电流的分配与其阻抗成反比IA/IB=ZKB/ZKASA/SAN=UNIA/UNIAN=IA/IANSB/SBN=UNIB/UNIBN=IB/IBNSA/SAN:SB/SBN=IAIBN/IBIAN=ZKBIBN/ZKAIAN=uKB*UN/uKA*UN=1/uKA:1/uKB如果uKA≠uKB则,阻抗电压较小的一台变压器先达到满载,这就限制了整个并联组的总容量一般规定并联运行的变压器阻抗电压值相差不超过10%7-4三相变压器的不对称运行 三相变压器实际运行时,可能出现各种不对称运行的情况/单相负载/1相断开检修/对Yyn联结组,不对称负载会引起中点偏移,导致2次侧相电压发生较大的变化分析不对称运行采用的方法是“对成分量法”
一、对成分量法原理一组不对称三相电流/电压可以看成是三组对称的电压/电流的叠加,后者称为前者的对成分量正序分量IA+IB+IC+/负序分量IA-IB-IC-/0序分量IA0IB0IC0合成IA=IA++IA-+IA0IB=IB++IB-+IB0IC=IC++IC-+IC0IB+=a2IA+ IC+=aIA+IB-=aIA+ IC-=a2IA+IB0=IC0=IA0a=1∠120o=-1/2+jsqrt3/2a2=1∠240o=-1/2-jsqrt3/2a3=1 1+a+a2=0IA=IA++IA-+IA0IB=a2IA++aIA-+IA0IC=aIA++a2IA-+IA0IA+=1/3IA+aIB+a2ICIA-=1/3IA+a2IB+aICIA0=1/3IA+IB+IC
二、Yyn联结组单相短路Ia=Ik Ib=Ic=0Ia0=1/3Ik Ia+=1/3Ik Ia-=1/3IkIb0=1/3Ik Ib+=1/3a2Ik Ib-=1/3aIkIc0=1/3Ik Ic+=1/3aIk Ic-=1/3a2Ik忽略励磁电流时,1次侧也将产生3个电流系统与2次侧的3个电流系统平衡,归算后IA+=-1/3Ik IA-=-1/3Ik IA0=0IB+=1/3a2Ik IB-=1/3aIk IB0=0IC+=1/3aIk IC-=1/3a2Ik IC0=0IA=IA++IA-+IA0=-2/3IkIB=IB++IB-+IB0=1/3IkIC=IC++IC-+IC0=1/3Ik在短路前,三相磁通ΦA/ΦB/ΦC和2次侧的三相电势Ea/Eb/Ec均为三相对称电势短路后1/2次侧的正/负电流系统相互平衡,不会影响原来的对称磁通和电势但2次侧的零序电流得不到平衡,将在铁心中激励一个零序次通Φa0/Φb0/Φc0叠加在原来的三相对称磁通上,得到一组不对称三相磁通ΦA/ΦB/ΦC对应的感应电势将不对称2次电势相量图的中心将下移,b/c相电势升高,a相电势下降中点浮动的幅度依0序磁通大小而定组式变压器的零序磁通畅通无阻,所以Yyn接法的组式变压器单相短路时会发生严重的中点浮动,使得b/c相电压达到危险值心式变压器中零序磁通被大大抑制,所以中点浮动不会严重,在容量不大的配电变压器可以使用心式Yyn接法 。