一、三相變壓器的基本結構

    現(xiàn)代的電力系統(tǒng)都采用三相制供電，因而廣泛采用三相變壓器來實現(xiàn)電壓的轉(zhuǎn)換。三相變壓器可以由三臺同容量的單相變壓器組成，再按需要將一次繞組及二次繞組分別接成星形或三甬形聯(lián)結。圖2—19所示為一、二次繞組均用星形聯(lián)結的三相變壓器組。三相變壓器的另一種結構型式是把三個單相變壓器合成一個三鐵心柱的結構型式，稱為三相心式變壓器，如圖2—20（a）所示。由于三相繞組接入對稱的三相交流電源時，三相繞組中產(chǎn)生的主磁通也是對稱的，故三相磁通之和等于零，即中間鐵心柱的磁通為零，因此中間鐵心柱可以省略，成為（b）圖形式，實際中為了簡化變壓器鐵心的剪裁及疊裝工藝，均采用將U、V、W三個鐵心柱置于同一個平面上的結構型式，如圖2—20（c）所示。

在三相電力變壓器中，目前使用最廣的是油浸式電力變壓器，它主要由鐵心、繞組、油箱和冷卻裝置、保護裝置等部件組成，其外形如圖2—21所示，現(xiàn)簡介如下：

    1．鐵心

    鐵心是三相變壓器的磁路部分，與單相變壓器一樣，它也是由0.35mm厚的硅鋼片疊壓（或

卷制）而成，新型電力變壓器鐵心均用冷軋晶粒取向硅鋼片制作，以降低其損耗。三相電力變壓器鐵心均采用心式結構。

圖2－21  三相變壓器外形

    鐵心柱的截面形狀與變壓器的容量有關，單相變壓器及小型三相電力變壓器采用正方形或長方形截面，如圖2—22（a）所示；在大、中型三相電力變壓器中，為了充分利用繞組內(nèi)圓的空間，通常采用階梯形截面，如圖2—22（b）、（c）所示。階梯形的級數(shù)越多，則變壓器結構越緊湊，但疊裝工藝越復雜。

圖2－22  鐵心柱截面形狀

2．繞組

繞組是三相電力變壓器的電路部分。一般用絕緣紙包的扁銅線或扁鋁線繞成，繞組的結構形式與單相變壓器一樣有同心式繞組和交疊式繞組。當前新型的繞組結構為箔式繞組電力變壓器，繞組用鋁箔或銅箔氧化技術和特殊工藝繞制，使變壓器整體性能得到較大的提高，我國已開始批量生產(chǎn)。

3．油箱和冷卻裝置

由于三相變壓器主要用于電力系統(tǒng)進行電壓等級的變換，因此其容量都比較大，電壓也比較高，目前國產(chǎn)的高電壓、大容量三相電力變壓器OSFPSZ—360 000／500已批量生產(chǎn)（容量為36萬kV·A，電壓為500 kV，每臺變壓器重量達到250 t）。為了鐵心和繞組的散熱和絕緣，均將其置于絕緣的變壓器油內(nèi)，而油則盛放在油箱內(nèi)，如圖2—21所示。為了增加散熱面積，一般在油箱四周加裝散熱裝置，老型號電力變壓器采用在油箱四周加焊扁形散熱油管，見圖2—21。新型電力變壓器以采用片式散熱器散熱為多。容量大于10 000 kV·A的電力變壓器，采用風吹冷卻或強迫油循環(huán)冷卻裝置。

較多的變壓器在油箱上部還安裝有儲油柜，它通過連接管與油箱相通。儲油柜內(nèi)的油面高度隨變壓器油的熱脹冷縮而變動。儲油柜使變壓器油與空氣的接觸面積大為減小，從而減緩了變壓器油的老化速度。新型的全充油密封式電力變壓器則取消了儲油柜，運行時變壓器油的體積變化完全由設在側壁的膨脹式散熱器（金屬波紋油箱）來補償，變壓器端蓋與箱體之間焊為一體，設備免維護，運行安全可靠，在我國以S10系列低損耗電力變壓器為代表，現(xiàn)已開始批量生產(chǎn)。

4．保護裝置

（1）氣體繼電器。在油箱和儲油柜之間的連接管中裝有氣體繼電器，當變壓器發(fā)生故障

時，內(nèi)部絕緣物汽化，使氣體繼電器動作，發(fā)出信號或使開關跳閘。

（2）防爆管（安全氣道）。裝在油箱頂部，它是一個長的圓形鋼筒，上端用酚醛紙板密封，下端與油箱連通。若變壓器發(fā)生故障，使油箱內(nèi)壓力驟增時，油流沖破酚醛紙板，以免造成變壓器箱體爆裂。近年來，國產(chǎn)電力變壓器已廣泛采用壓力釋放閥來取代防爆管，其優(yōu)點是動作精度高，延時時間短，能自動開啟及自動關閉，克服了停電更換防爆管的缺點。

二、三相變壓器的極性

（一）變壓器的極性

 因為變壓器的一、二次繞組繞在同一個鐵心上，都被磁通Ф交鏈，故當磁通交變時，在兩個繞組中感應出的電動勢有一定的方向關系，即當一次繞組的某一端點瞬時電位為正時，二次繞組也必有一電位為正的對應端點。這兩個對應的端點，我們稱為同極性端或同名端，通常用符號“· ”表示。

在使用變壓器或其他磁耦合線圈時，經(jīng)常會遇到兩個線圈極性的正確連接問題，例如某變壓器的一次繞組由兩個匝數(shù)相等繞向一致的繞組組成，如圖2—23（a）中的繞組1—2和3—4。如每個繞組額定電壓為110V，則當電源電壓為220V時，應把兩個繞組串聯(lián)起來使用，如（b）圖所示接法；如電源電壓為110V時，則應將它們并聯(lián)起來使用，如（c）圖所示接法。當接法正確時，則兩個繞組所產(chǎn)生的磁通方向相同，它們在鐵心中互相疊加。如接法錯誤，則兩個繞組所產(chǎn)生的磁通方向相反，它們在鐵心中互相抵消，使鐵心中的合成磁通為零，如圖2—24所示。在每個繞組中也就沒有感應電動勢產(chǎn)生，相當于短路狀態(tài)，會把變壓器燒毀。因此同名端的判定是相當重要的，其判定方法如下：

圖2－23  變壓器繞組的正確連接圖                      2－24  變壓器繞組的錯誤連接

（二）變壓器極性的判定

1．對兩個繞向已知的繞組

    當電流從兩個同極性端流入（或流出）時，鐵心中所產(chǎn)生的磁通方向是一致的。如圖2—23所示，1端和3端為同名端，電流從這兩個端點流人時，它們在鐵心中產(chǎn)生的磁通方向相同。同樣可判斷圖2—25中的兩個繞組，則1端和4端為同名端。搞清了同名端的概念以后，就不難理解為什么在圖2—10及圖2—15中一次繞組的繞向及電壓電流方向均一樣，而二次繞組中的電壓和電流方向在兩個圖中卻正好相反。

圖2－25  同名端的判定                     圖2－26  交流法測定同名端

2．對一臺已經(jīng)制成的變壓器

    無法從外部觀察其繞組的繞向，因此無法辨認其同名端，此時可用實驗的方法進行測定，測定的方法有交流法和直流法兩種。

  （a）交流法。如圖2—26所示，將一、二次繞組各取一個接線端連接在一起，如圖中的2和4，并在一個繞組上（圖中為N₁繞組）加一個較低的交流電壓U_l2，再用交流電壓表分別測量U₁₂、U₁₃、U₃₄各值，如果測量結果為：U₁₃＝U₁₂—U₃₄，則說明N₁、N₂組為反極性串聯(lián)，故1和3為同名端。如果U₁₃＝U₁₂＋U₃₄：，則1和4為同名端。

  （b）直流法。用1.5V或3 V的直流電源，按圖2—27所示連接，直流電源接在高壓繞組上，而直流毫伏表接在低壓繞組兩端。當開關S合上的一瞬間，如毫伏表指針向正方向擺動，則接直流電源正極的端子與接直流毫伏表正極的端子為同名端。

圖2－27 直流法測定同名端

三、三相變壓器的連接組

1．三相變壓器繞組的連接方法

    三相電力變壓器高、低壓繞組的出線端都分別給予標記，以供正確連接及使用變壓器，其出線端標志如表2—1所示。

表2－1  繞組的首端和末端的標記

 

繞組名稱	單相變壓器		三相變壓器		中性點
	首端	末端	首端	末端
高壓繞組	U1	U2	U1、V1、W1	U2、V2、W2	N
低壓繞組	U1	U1	U1、v1、w1	U2、v2、w2	n
中壓繞組	U1m	U2m	U1m、V1m、Wlm	U2m、V2m、W2m	Nm

在三相電力變壓器中，不論是高壓繞組，還是低壓繞組，我國均采用星形聯(lián)結及三角形聯(lián)結兩種方法。

    星形聯(lián)結是把三相繞組的末端U2、V2、W2（或u2、v2、w2）連接在一起，而把它們的首端U1、V1、Wl（或u1、v1、w1）分別用導線引出，如圖2—28（a）所示。

    三角形聯(lián)結是把一相繞組的末端和另一相繞組的首端連在一起，順次連接成一個閉合回路，然后從首端U1、V1、W1（或u1、v1、w1）用導線引出，如圖2—28（b）及（c）所示。其中圖（b）的三相繞組按U2Wl、W2V1、V2U1的次序連接，稱為逆序（逆時針）三角形聯(lián)結。而圖（c）的三相繞組按U2V1、W2U1、V2Wl的次序連接，稱為順序（順時針）三角形聯(lián)結。

                                                             圖2－28  三相繞組連接方法

    三相變壓器高、低壓繞組用星形聯(lián)結和三角形聯(lián)結時，在舊的國家標準中分別用Y和△表示。新的國家標準規(guī)定：高壓繞組星形聯(lián)結用Y表示，三角形聯(lián)結用D表示，中性線用N表示。低壓繞組星形聯(lián)結用y表示，三角形聯(lián)結用d表示，中性線用n表示。

    三相變壓器一、二次繞組不同接法的組合形式有：Y，y；YN，d；Y，d；Y，yn；D，y；D，d等，其中最常用的組合形式有三種，即Y，yn；YN，d和Y，d。不同形式的組合，各有優(yōu)缺點。對于高壓繞組來說，接成星形最為有利，因為它的相電壓只有線電壓的1／，當中性點引出接地時，繞組對地的絕緣要求降低了。大電流的低壓繞組，采用三角形聯(lián)結可以使導線截面比星形聯(lián)結時小1／，方便于繞制，所以大容量的變壓器通常采用Y，d或YN，d聯(lián)結。容量不太大而且需要中性線的變壓器，廣泛采用Y，yn聯(lián)結，以適應照明與動力混合負載需要的兩種電壓。

    上述各種接法中，一次繞組線電壓與二次繞組線電壓之間的相位關系是不同的，這就是所謂三相變壓器的聯(lián)結組別。三相變壓器聯(lián)結組別不僅與繞組的繞向和首末端的標記有關，而且還與三相繞組的連接方式有關。理論與實踐證明，無論怎樣連接，一、二次繞組線電動勢的相位差總是30⁰的整數(shù)倍。因此，國際上規(guī)定，標志三相變壓器一、二次繞組線電動勢的相位關系用時鐘表示法，即規(guī)定一次繞組線電勢_EUV為長針，永遠指向鐘面上的“12”，二次繞組線電勢_Evu為短針，它指向鐘面上的哪個數(shù)字，該數(shù)字則為該三相變壓器聯(lián)結組別的標號?，F(xiàn)就Y，y聯(lián)結和Y，d聯(lián)結的變壓器分別加以分析。

2．Y，y聯(lián)結組

如圖2—29（a）所示，變壓器一、二次繞組都采用星形聯(lián)結，且首端為同名端，故一、二次繞組相互對應的相電動勢之間相位相同，因此對應的線電動勢之間的相位也相同，如圖2—29（b）所示，當一次繞組線電動勢這種連接方式稱Y，y0聯(lián)結組，如圖2—29（c）所示。

圖2－29  Y,y0聯(lián)結組

若在圖2－29聯(lián)結繞組中，變壓器一二次繞組的首端不是同名端，而是異名端，則一二次繞組相互對應的電動勢相量均反向，_Euv將指向時鐘的“6”，成為Y，y6聯(lián)結組，如圖2—30所示。

圖2－30  Y,y6聯(lián)結組

 3．Y，d聯(lián)結組   

如圖2—31所示，變壓器一次繞組用星形聯(lián)結，二次繞組用三角形聯(lián)結，且二次繞組u相的首端u1與v相的末端v2相連，即如圖2—31（a）所示的逆序連接，如一、二次繞組的首端為同名端，則對應的相量圖如圖2—31（b）所示。如圖2—31（c）所示。

圖2－31  Y,d11聯(lián)結組

圖2—32中，變壓器一次繞組仍用星形聯(lián)結，二次繞組仍為三角形聯(lián)結，但二次繞組u相的首端u1與w相末端w2相連，即如圖2—32（a）所示的順序連接，且一、二次繞組的首端為同名端，則對應的相量圖如圖2—32（b）所示。如圖2—32（c）所示。

圖2－32  Y,d1聯(lián)結組

三相電力變壓器的聯(lián)結組別還有許多種，但實際上為了制造及運行方便的需要，國家標準規(guī)定了三相電力變壓器只采用五種標準聯(lián)結組，即Y，yn0、YN，d11、YN，y0、Y，y0和Y，dll。

在上述五種聯(lián)結組中，Y，yn0聯(lián)結組是我們經(jīng)常碰到的，它用于容量不大的三相配電變壓器，低壓側電壓為400～230 V，用以供給動力和照明的混合負載。一般這種變壓器的最大容量為1 800kV·A，高壓側的額定電壓不超過35kV。此外，Y，y0聯(lián)結組不能用于三相變壓器組，只能用于三鐵心的三相變壓器。

四、三相變壓器的并聯(lián)運行

三相變壓器的并聯(lián)運行是指幾臺三相變壓器的高壓繞組及低壓繞組分別連接到高壓電源及低壓電源母線上，共同向負載供電的運行方式。

    在變電站中，總的負載經(jīng)常由兩臺或多臺三相電力變壓器并聯(lián)供電，其原因為：

    （1）變電站所供的負載一般來講總是在若干年內(nèi)不斷發(fā)展、不斷增加的，隨著負載的不斷增加，可以相應地增加變壓器的臺數(shù)，這樣做可以減少建站、安裝時的一次投資。

    （2）當變電站所供的負載有較大的晝夜或季節(jié)波動時，可以根據(jù)負載的變動情況，隨時調(diào)整投入并聯(lián)運行的變壓器臺數(shù)，以提高變壓器的運行效率。

    （3）當某臺變壓器需要檢修（或故障）時，可以切換下來，而用備用變壓器投入并聯(lián)運行，以提高供電的可靠性。

    為了使變壓器能正常地投入并聯(lián)運行，各并聯(lián)運行的變壓器必須滿足以下條件：

    （1）一、二次繞組電壓應相等，即變比應相等。

    （2）聯(lián)結組別必須相同。

    （3）短路阻抗（即短路電壓）應相等。

    實際并聯(lián)運行的變壓器，其變比不可能絕對相等，其短路電壓也不可能絕對相等，允許有極小的差別，但變壓器的聯(lián)結組別則必須要相同。下面分別說明這些條件。

 1．變比不等時的并聯(lián)運行

設兩臺同容量的變壓器T1和T2并聯(lián)運行，如圖2—33（a）所示，其變壓比有微小的差別。其一次繞組接在同一電源電壓U₁下，二次繞組并聯(lián)后，也應有相同的U₂，但由于變壓比不同，兩個二次繞組之間的電動勢有差別，設E₁>E₂，則電動勢差值會在兩個二次繞組之間形成環(huán)流I_c，如圖2—33（b）所示，這個電流稱為平衡電流，其值與兩臺變壓器的短路阻抗Z_S1和Z_S2有關。即

變壓器的短路阻抗不大，故在不大的ΔE下也會有很大的平衡電流。變壓器空載運行時，平衡電流流過繞組，會增大空載損耗，平衡電流越大則損耗會更多。變壓器負載時，二次側電動勢高的那一臺電流增大，而另一臺則減少，可能使前者超過額定電流而過載，后者則小于額定電流值。所以，有關變壓器的標準中規(guī)定，并聯(lián)運行的變壓器，其變壓比誤差不允許超過±0.5％。

圖2－33   變壓比不等時的并聯(lián)運行

    2．聯(lián)結組別不同時變壓器的并聯(lián)運行

    如果兩臺變壓器的變比和短路阻抗均相等，但是聯(lián)結組別不同時并聯(lián)運行，則其后果十分嚴重。因為聯(lián)結組別不同時，兩臺變壓器二次繞組電壓的相位差就不同，它們線電壓的相位差至少為30^o，因此會產(chǎn)生很大的電壓差ΔU₂。圖2-34為Y，y0和Y，dll兩臺變壓器并聯(lián)，二次繞組線電壓之間的電壓差ΔU₂。其數(shù)值為

圖2－34  兩臺變壓器并聯(lián)運行的電壓差

    這樣大的電壓差將在兩臺并聯(lián)變壓器二次繞組中產(chǎn)生比額定電流大得多的空載環(huán)流，導致變壓器損壞，故聯(lián)結組別不同的變壓器絕對不允許并聯(lián)運行。

    3．短路阻抗（短路電壓）不等時變壓器的并聯(lián)運行

設兩臺容量相同、變比相等、聯(lián)結組別也相同的三相變壓器并聯(lián)運行，現(xiàn)在來分析它們的負載如何均衡分配。設負載為對稱負載，則可取其一相來分析。

 如這兩臺變壓器的短路阻抗也相等，則流過兩臺變壓器中的負載電流也相等，即負載均勻分布，這是理想情況。如果短路阻抗不等，設Z_S1I₁>Z_s2I₂，則由于兩臺變壓器一次繞組接在同一電源上，變比及聯(lián)結組又相同，故二次繞組的感應電動勢及輸出電壓均應相等，但由于Z_S不等，參看圖2-33（b），由歐姆定律可得Z_S1I₁=Z_s2I₂，其中I₁為流過變壓器T₁繞組的電流（負載電流），I₂為流過變壓器T2繞組的電流（負載電流）。由此公式可見，并聯(lián)運行時，負載電流的分配與各臺變壓器的短路阻抗成反比，短路阻抗小的變壓器輸出的電流要大，短路阻抗大的輸出電流較小，則其容量得不到充分利用。因此，國家標準規(guī)定：并聯(lián)運行的變壓器其短路電壓比不應超過10％。

變壓器的并聯(lián)運行，還存在一個負載分配的問題。兩臺同容量的變壓器并聯(lián)，由于短路阻抗的差別很小，可以做到接近均勻的分配負載。當容量差別較大時，合理分配負載是困難的，特別是擔心小容量的變壓器過載，而使大容量的變壓器得不到充分利用。為此，要求投入并聯(lián)運行的各變壓器中，最大容量與最小容量之比不宜超過三比一。