電力系統(tǒng)中，除了大量采用三相雙繞組變壓器外，也采用適用于各種用途的特殊變壓器。這些變壓器雖然種類(lèi)很多，但基本原理和雙繞組變壓器有許多共同之處。本節(jié)主要介紹常用的三繞組變壓器、自耦變壓器和儀用互感器的工作原理和特點(diǎn)。
一、三繞組變壓器
在發(fā)電廠或變電所，經(jīng)常需要把三個(gè)電壓等級(jí)不同的電網(wǎng)聯(lián)系起來(lái)，為經(jīng)濟(jì)起見(jiàn)，可采用三繞組變壓器來(lái)實(shí)現(xiàn)。
1. 繞組的布置和額定容量
三繞組變壓器的鐵心一般為心式結(jié)構(gòu)，每個(gè)鐵心柱上都套 有高、中、低壓三個(gè)繞組，一個(gè)是一次繞組，另兩個(gè)是二次繞組。三繞組變壓器的標(biāo)準(zhǔn)聯(lián)結(jié)組有YN，yn0，d11和 YN，yn0，y0兩種。
繞組的布置原則：
(1) 為絕緣方便，高壓繞組總是放在最外邊;
(2) 兩個(gè)繞組相距越遠(yuǎn)，漏磁通越多，短路阻抗就越大，電壓變動(dòng)也就越大，所以一、二次繞組應(yīng)靠近布置。
發(fā)電廠的升壓變壓器，把發(fā)電機(jī)提供的低壓電功率經(jīng)三繞組變壓器傳送到高壓和中壓電網(wǎng)，采用圖1.9.2-1(a)的方案比較合理。變電所的降壓變壓器，多半是從高壓電網(wǎng)取得電功率，經(jīng)三繞組變壓器傳送到中壓和低壓電網(wǎng)，最理想的方案是 把高壓繞組放在中間，但會(huì)增加絕緣的困難，通常采用圖1.9.2-1(b)的方案。
三繞組變壓器三個(gè)繞組的容量可以相等，也可以不等，其中容量最大的規(guī)定為三繞組變壓器的額定容量。如果將額定容量作為100，按國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，三個(gè)繞組的容量配合有如下三種：
高壓繞組中壓繞組低壓繞組
表2.9.2-1 三繞組容量
2. 基本方程式
圖1.9.2-2 三繞組變壓器的一相原理圖
(1) 變比--三繞組變壓器有三個(gè)變比
(2) 磁動(dòng)勢(shì)平衡方程式
按圖1.9.2-2所示正方向，可寫(xiě)出磁動(dòng)勢(shì)平衡方程式為
回頂部
與雙繞組變壓器不同的是：式中x1，x2'和x3'并不代表各繞組的漏抗，而是各繞組的自漏抗和各繞組間的互漏抗的組合，稱(chēng)為各繞組的等效漏抗，與自漏磁通和互漏磁通組合起來(lái)的磁通相對(duì)應(yīng)，為一常數(shù);與之對(duì)應(yīng)的Z1，Z2'和Z3' 也不代表各繞組的漏阻抗，把它們稱(chēng)為各繞組的等效漏阻抗。
根據(jù)(7)式和(8)式可畫(huà)出三繞組變壓器的簡(jiǎn)化等效電路， 如圖1.9.2-3所示。三繞組變壓器的各種運(yùn)行問(wèn)題，如電壓變化率、效率、短路電流、并聯(lián)運(yùn)行時(shí)各繞組間的負(fù)載分配等，都可以用等效電路來(lái)計(jì)算。
3. 等效電路的參數(shù)測(cè)定
三繞組變壓器等效電路中的x1，x2'和x3'是等效漏抗，不能直接測(cè)量，但它們的兩兩之和恰為兩繞組間的漏抗，即短路電抗。
可做三次短路試驗(yàn)：
(1)繞組1加電源，繞組2短路，繞組3開(kāi)路，測(cè)得rk12、xk12
(2)繞組1加電源，繞組3短路，繞組2開(kāi)路，測(cè)得rk13 .xk13
(3)繞組2加電源，繞組3短路，繞組1開(kāi)路。測(cè)得rk23、xk23
又
X1.X2'和X3'的大小與繞組的布置情況有關(guān)，如繞組2放在中間，則xk13最大，約為xk12+xk23'，即位于中間的繞組的等效漏抗接近于零，或?yàn)槲⑿〉呢?fù)值。這是因?yàn)槿@組變壓器中，既有自感，又有互感，任一繞組分別與其它兩繞組之間的互感起削弱該繞組自感的作用，因此等效漏抗可能為負(fù)值。
二、自耦變壓器
自耦變壓器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是一、二次繞組共用一個(gè)繞組， 一、二次繞組之間不僅有磁耦合關(guān)系，還有電的聯(lián)系，即它還可從一次側(cè)直接向二次側(cè)傳導(dǎo)電功率。
以單相降壓變壓器為例，如圖1.9.3-1(a)所示，其中ax為低壓繞組，因它是高壓繞組的一部分，又稱(chēng)公共繞組。Aa是與公共繞組串聯(lián)的繞組，稱(chēng)為串聯(lián)繞組。AX為高壓繞組。圖1.9.3-1(b)為其相應(yīng)的接線(xiàn)圖，圖中按雙繞組變壓器習(xí)慣采用的參考正方向標(biāo)出了各電磁量的正方向。自耦變壓器也是利用電磁感應(yīng)原理工作的。
圖1.9.3-1 自耦變壓器
1. 電壓、電流關(guān)系
空載運(yùn)行時(shí)，忽略一次繞組漏阻抗壓降，則有
2. 容量關(guān)系
雙繞組變壓器一、二次繞組之間只有磁耦合而沒(méi)有電聯(lián)系，因此變壓器的額定容量(銘牌上標(biāo)注的容量，又稱(chēng)通過(guò)容量)就等于一、二次繞組通過(guò)磁耦合傳遞的電磁容量(又稱(chēng)繞組容量或設(shè)計(jì)容量，用sem表示)，即sN =sem。
自耦變壓器一、二次繞組之間不僅有磁耦合還有電聯(lián)系，因此變壓器的額定容量sN 不等于繞組的電磁容量sem ，而等于一、二次繞組通過(guò)磁耦合傳遞的電磁容量與一、二次繞組通過(guò)電聯(lián)系傳導(dǎo)的容量(稱(chēng)為傳導(dǎo)容量，用scd表示)之和，即sN = sem+scd。
單相自耦變壓器的額定容量為: SN=U1NI1N =U2NI2N
繞組容量指繞組上所加的額定電壓與繞組中流過(guò)的額定電流的乘積。由圖1.9.3-1(b)可知，自耦變壓器串聯(lián)繞組Aa與低壓繞組ax的繞組容量分別為
SAa=UAaIAa=(UAa -Uax )=(1-1/ka)U1NI1N=(1-1/ka)SN
Sax=U2NI =U2N(1-1/ka)I2N =(1-1/ka)SN
即 Sem=(1-1/ka)SN
自耦變壓器的傳導(dǎo)容量指繞組通過(guò)電聯(lián)系傳送的容量。
由圖1.9.3-1(b)可知，傳導(dǎo)容量等于串聯(lián)繞組Aa上的電流通過(guò)聯(lián) 結(jié)點(diǎn)a'傳送給二次繞組的容量，即 Scd=I1NU2N =1/kaI2NU2N =1/kaSN =SN-sem
3. 主要優(yōu)缺點(diǎn)及應(yīng)用
(1) 優(yōu)點(diǎn)
變壓器的大小和所用材料由繞組容量決定。由于自耦變壓器的繞組容量小于額定容量，因此比同容量的雙繞組變壓器用料省、尺寸小、效率高，這是其主要優(yōu)點(diǎn)。自耦變壓器繞組容量為額定容量的(1-1/ka)倍，ka越接近于1,(1-1/ka)越小 其優(yōu)點(diǎn)越顯著。一般電力系統(tǒng)用的自耦變壓器變比ka取1.25至2。
(2) 缺點(diǎn)
由于自耦變壓器一、二次繞組之間有直接的電聯(lián)系，為防止一次側(cè)過(guò)電壓時(shí)引起二次側(cè)嚴(yán)重過(guò)電壓，要求自耦變壓器的中性點(diǎn)必須可靠接地，并且一、二次側(cè)都要裝避雷器。
(3) 應(yīng)用
在現(xiàn)代高壓電力系統(tǒng)中，自耦變壓器主要用來(lái)連接電壓等級(jí)相近的輸電系統(tǒng);在工廠中，自耦變壓器常用作異步電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)補(bǔ)償器;在實(shí)驗(yàn)室中，常用可調(diào)自耦變壓器作調(diào)壓器。
例2. 將一臺(tái)額定容量5kVA的220/110V的雙繞組變壓器改接成 330/220V的自耦變壓器。試計(jì)算改接后自耦變壓器的額定容量、 繞組容量、傳導(dǎo)容量和一、二次額定電流。
解：雙繞組變壓器改接為自耦變壓器，繞組容量不變,即Sem=5kVA
又自耦變壓器的變比為 ka=U1N/U2N=330/220=1.5
則額定容量SN=Sem/(1-ka)=5/(1-2/3) =15(kVA)
傳導(dǎo)容量Scd =SN-Sem=15-5=10(kVA)
又一、二次繞組的額定電壓分別為U1N=330V ,U2N=220V
則一、二次繞組的額定電流分別為
I1N=SN/U1N=15kv/330v=45.45(A)
I2N=SN/U2N=15kv/220v=68.18(A)
三、儀用互感器
儀用互感器是電力系統(tǒng)中用來(lái)測(cè)量大電流、高電壓的特殊變壓器。使用互感器有兩個(gè)目的： 一是使測(cè)量回路與被測(cè)回路隔離，從而保證操作人員和設(shè)備的安全;
二是可以使用小量程的電流表和電壓表測(cè)量大電流和高電壓。儀用互感器分為電流互感器和電壓互感器兩大類(lèi)。
(一) 電流互感器
電流互感器是用來(lái)測(cè)量大電流的儀用互感器，其原理接線(xiàn)如圖1.9.4-1所示。電流互感器均制成單相的，一次繞組由一匝或幾匝粗導(dǎo)線(xiàn)組成，串接在被測(cè)回路中;二次繞組由匝數(shù)較多的細(xì)導(dǎo)線(xiàn)組成，與阻抗很小的儀表(電流表、功率表的電流線(xiàn)圈或繼電器的線(xiàn)圈)串聯(lián)組成閉合回路。因此，電流互感器相當(dāng)于短路運(yùn)行的升壓(降流)變壓器。
圖1.9.4-1 電流互感器的原理接線(xiàn)圖
忽略激磁電流，則有I1 =N2/N1I2 =kiI2
式中 ki=N2/N1=I1/I2 --電流互感器的變流比，為常數(shù)。
電流互感器利用一、二次繞組匝數(shù)不同，將線(xiàn)路的大電流轉(zhuǎn) 換成小電流測(cè)量。通常電流互感器一次繞組的額定電流范圍為 10至2500A，二次繞組的額定電流為5A。與測(cè)量?jī)x表配套使用時(shí)，電流表按一次繞組的電流值標(biāo)出刻度，可從電流表上直接讀出被測(cè)電流值。另外，二次繞組有很多抽頭，可根據(jù)被測(cè)電流的大小適當(dāng)選擇。
實(shí)際上，電流互感器內(nèi)總有一定的激磁電流，所以測(cè)量電流 總有一定的變比誤差和相位誤差。
通常電流互感器根據(jù)誤差的大小分為0.2、0.5、1.0、3.0和10.0五個(gè)等級(jí)，級(jí)數(shù)越大，誤差越大。
使用電流互感器時(shí)，應(yīng)注意以下三點(diǎn)：
運(yùn)行時(shí)二次繞組絕對(duì)不允許開(kāi)路。如果二次繞組開(kāi)路， 電流互感器就為空載運(yùn)行，被測(cè)回路的大電流就成為互感器的激磁電流，它將使鐵心中的磁通密度猛增，磁路嚴(yán)重飽和造成鐵心過(guò)熱而損壞繞組絕緣;且在二次繞組將感應(yīng)出很高的過(guò)電壓，可能擊穿絕緣，危及操作人員和儀表的安全。因此，電流互感器二次繞組中絕對(duì)不允許裝熔斷器;運(yùn)行中如果需要拆下測(cè)量?jī)x表，應(yīng)先將二次繞組短接。
鐵心和二次繞組的一端必須可靠接地。以避免絕緣損壞時(shí)，一次側(cè)的高電壓傳到二次側(cè)，危及操作人員和儀表的安全。
二次繞組串聯(lián)的儀表阻抗值不應(yīng)超過(guò)有關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定。以避免降低測(cè)量精度。另外，工程上常用來(lái)檢測(cè)帶電線(xiàn)路電流的一種鉗形電流表的工作原理與電流互感器相同，其結(jié)構(gòu)如圖1.9.4-2所示。鐵心象一把鉗子可以張合，在測(cè)量帶電線(xiàn)路時(shí)，可將被測(cè)線(xiàn)路夾于其中，此時(shí)，被測(cè)線(xiàn)路為一次繞組，利用電磁感應(yīng)作用，可在與二次繞組串聯(lián)的電流表上直接讀出被測(cè)線(xiàn)路的電流值。一般鉗形電流表 有幾個(gè)量程，可根據(jù)被測(cè)電流值適當(dāng)選擇。
圖1.9.4-2 鉗形電流表的結(jié)構(gòu)圖
(二) 電壓互感器
電壓互感器是用來(lái)測(cè)量高電壓的儀用互感器，其原理接線(xiàn)如圖1.9.4-3所示。與電流互感器相反，電壓互感器的一次繞組匝數(shù)很多，而且并聯(lián)在被測(cè)線(xiàn)路上;二次繞組匝數(shù)較少，與阻抗很大的儀表(電壓表或功率表的電壓線(xiàn)圈)串聯(lián)組成閉合回路，二次電流很小。因此，電壓互感器相當(dāng)于空載運(yùn)行的降壓變壓器。
圖1.9.4-3 電壓互感器的原理接線(xiàn)圖
忽略漏阻抗壓降，則有 ku=E1/E2 =N1/N2=U1/U2 或 U1=kuU2
式中 ku=N1/N2=U1N/U2N --電壓互感器的變壓比，為常數(shù)。
電壓互感器利用一、二次繞組匝數(shù)不同，將線(xiàn)路的高電壓轉(zhuǎn) 換成低電壓測(cè)量。通常電壓互感器二次繞組的額定電壓設(shè)計(jì)為100V。與測(cè)量?jī)x表配套使用時(shí)，電壓表也按一次繞組的電壓值 標(biāo)出刻度，可從電壓表上直接讀出被測(cè)電壓值。另外，與電流互感器不同，電壓互感器是在一次繞組有很多抽頭，根據(jù)被測(cè)線(xiàn)路電壓的大小適當(dāng)選擇。
實(shí)際上，由于空載電流和一、二次繞組漏阻抗的存在，電壓互感器測(cè)量的電壓值總有一定的變比誤差和相位誤差。為了減少誤差，電壓互感器的鐵心一般采用性能較好的硅鋼片制成，還盡 量減小磁路中的氣隙，使鐵心不飽和，以減小空載電流;在繞組的繞制上也設(shè)法減少兩繞組之間的漏磁通，以減少漏阻抗。通常電壓互感器根據(jù)誤差的大小分為0.2、0.5、1.0和3.0四個(gè)等級(jí)。
使用電壓互感器時(shí)，應(yīng)注意以下三點(diǎn)：
運(yùn)行時(shí)二次繞組絕對(duì)不允許短路。如果二次繞組發(fā)生短路，就會(huì)產(chǎn)生很大的短路電流而燒壞電壓互感器。因此，與電流互感器不同，電壓互感器使用時(shí)在二次繞組中應(yīng)串聯(lián)熔斷器作為 短路保護(hù)。
鐵心和二次繞組的一端必須可靠接地。以防止高壓繞組絕緣損壞時(shí)，鐵心和二次繞組帶上高電壓，危及操作人員和儀表的安全。
二次繞組連接的儀表阻抗值不應(yīng)超過(guò)有關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定。以避免降低測(cè)量精度。