高中物理 第3章三相变压器.docx

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高中物理第3章三相变压器

第3章三相变压器

[内容]

目前，电力系统均采用三相制，所以三相变压器得到了广泛应用。

三相变压器在对称负载下运行时，其各相的电压、电流大小相等，相位互差

因此对三相变压器的分析和计算可取其中的一相来进行，即三相问题可以转化为单相问题，于是单相变压器的基本理论（基本方程式、等效电路、相量图等）完全适用于三相变压器中的任一相。

本章主要研究三相变压器的几个特殊问题：

（1）三相变压器的磁路结构；

（2）三相变压器的联结组别；（3）联结组别和磁路结构对相绕组感应电动势波形的影响。

[要求]

●掌握三相组式变压器和三相心式变压器磁路结构的特点。

●掌握三相变压器联结组别的概念，联结组别的判定方法。

●掌握联结组别和磁路结构对相绕组感应电动势波形的影响。

3.1三相变压器的磁路结构

三相变压器按磁路结构（铁心结构）可分为组式变压器和心式变压器两类。

一、三相组式变压器的磁路特点

三相组式变压器由三台相同的单相变压器组合而成，如图3.1.1所示。

其磁路特点是：

（1）各相磁路彼此独立，互不关联，即各相主磁通都有自己独立的磁路；

（2）各相磁路几何尺寸完全相同，即各相磁路的磁阻相等；

（3）当一次侧外加三相对称电压时，三相主磁通

、

、

是对称的，三相空载电流也是对称的。

图3.1.1三相组式变压器

二、三相心式变压器的磁路特点

三相心式变压器的铁心结构是从三相组式变压器铁心演变而来的。

将三台单相变压器铁心合并成图3.1.2（a）的样子；当一次侧外加三相对称电压时，三相主磁通

、

、

是对称的，中间铁心柱内磁通

+

+

=0，因此可以去掉中间铁心柱，变成图3.1.2（b）；为使结构简单、制造方便，把三相铁心布置在同一平面内，便得到图3.1.2（c），这就是常用的三相心式变压器铁心。

图3.1.2三相心组式变压器的磁路

三相心式变压器的磁路特点是：

（1）各相磁路不独立，互相关联。

即每相磁通都要借助其它两相磁路而闭合；

（2）各相磁路长度不等。

中间相的磁路长度小于其它两相的磁路长度，因此中间相的磁阻略小于其它两相的磁阻。

（3）当外施三相对称电压时，三相主磁通

、

、

是对称的，但由于三相磁路的磁阻不对称，而使三相空载电流不对称，中间相的空载电流略小于其它两相的空载电流。

由于空载电流相对于负载电流来说是很小的，所以空载电流的不对称对变压器负载运行影响极小，可以忽略。

目前大多数三相变压器都采用心式结构，因为它具有消耗材料少、运行效率高、占地面积小、维护简单的优点。

对于超高压、大容量巨型变压器，由于受运输条件限制或为了减少备用容量，才采用三相组式变压器。

3.2三相变压器的联结组别

三相变压器的联结组别是表示高、低压绕组联结方式及高、低压侧对应线电动势相位关系的一种标志。

掌握变压器的联结组别，对正确地使用变压器，特别是在进行多台变压器并联运行时尤为重要。

三相变压器高、低压侧线电动势的相位关系与高、低压绕组相电动势的相位关系（即单相变压器联结组别）及三相绕组的联结方式有关。

下面，首先介绍三相绕组的联结方式；然后介绍单相变压器的联结组别；最后介绍三相变压器的联结组别。

一、三相绕组的连接方式

三相绕组通常有两种连接方式，即星形联结和三角形联结。

为了正确连接三相绕组，变压器每相绕组的两个出线端都有一个标志，电力变压器的绕组首、末端标志如表3.2.1所示。

表3.2.1变压器绕组的首、末端标志

绕组名称

单相变压器

三相变压器

中性点

首端

末端

首端

末端

高压绕组

U1

U2

U1、V1、W1

U2、V2、W2

N

低压绕组

u1

u2

u1、v1、w1

u2、v2、w2

n

当把三相绕组的三个末端U2、V2、W2（或u2、v2、w2）连接在一起，而把它们的首端U1、V1、W1（或u1、v1、w1）引出，便是星形联结，用字母Y（或y）表示，如图3.2.1（a）所示。

当把三相绕组按首、末端顺序依次串联成一个闭合回路，然后从首端U1、V1、W1（或u1、v1、w1）引出，便是三角形联结，用字母D（或d）表示，如图3.2.1（b）、（c）所示。

其中，图（b）是按U1-U2W1-W2V1-V2U1次序串联，称为逆序三角形联结；图（c）是按U1-U2V1-V2W1-W2U1次序串联，称为顺序三角形联结。

图3.2.1三相绕组连接方式及其相量图

二、单相变压器的联结组别

1．同名端（同极性端）

单相变压器的高、低压绕组被同一交变的主磁通所交链，高、低压绕组的感应电动势是交变的，即高、低压绕组的极性是交变的。

但在某一瞬间，高、低压绕组都有一端为正极性（高电位），另一端为负极性（低电位），两个绕组上同时为正极性的端点称为同名端（或同极性端），用符号“.”表示。

当然两个绕组上同时为负极性的端点也是同名端。

同名端与绕组的绕向有关。

在绕组电流正方向与磁通正方向符合右手螺旋关系时，可根据：

“凡是从同名端流进的电流，所产生的磁通都是同方向的”这一规律确定出高、低压绕组的同名端。

例如，在图3.2.2（a）或（b）中，从U1和u1端流入电流产生的磁通是同方向的（均指向上），所以U1和u1端为同名端。

同理，图3.2.3（a）或（b）中，U1和u2端为同名端。

（a）绕向相同（b）绕向相反（c）相量图

标志相反标志相同

图3.2.3首端为异名端时电动势反相位

2．高、低压绕组电动势相位关系

为了表示高、低压绕组电动势的相位关系，规定高、低压绕组电动势的正方向均为从首端指向末端，即高压绕组电动势的正方向为

，简写为

；低压绕组电动势的正方向为

，简写为

。

和

可能同相位，也可能反相位，它与绕组的绕向及标志有关，如图3.2.2和图3.2.3所示。

根据同名端的含义，可以确定高、低压绕组电动势的相位关系只有两种情况：

（1）当高、低压绕组的首端

与

为同名端时，则

和

同相位，如图3.2.2所示。

（2）当高、低压绕组的首端

与

为异名端时，则

和

反相位，如图3.2.3所示。

3．单相变压器的联结组别

为了标记高、低压绕组电动势的相位关系，采用所谓“时钟表示法”，即把高压绕组电动势相量

看作时钟的分针（长针），并固定指向时钟的“12点”即“0点”位置上，把低压绕组电动势相量

看作时钟的时针（短针），它在时钟内所指向的数字，就是单相变压器的联结组别号。

例如，图3.2.2可以表示成I,I0；图3.2.3可以表示成I,I6。

其中，I,I表示高、低压绕组为单相绕组，数字0表示低压绕组电动势相量指向“0点”，说明高、低压绕组电动势同相位（因为高压绕组电动势相量已固定指向“0点”）；数字6则表示低压绕组电动势相量指向“6点”，说明高、低压绕组电动势反相位。

图3.2.2（a）所示的高、低压绕组绕向相同、标志相同的I,I0联结组别，是国家标准规定的单相变压器的标准联结组别。

三、三相变压器的联结组别

由于三相变压器的同一相高、低压绕组绕在同一铁心柱上，所以三相变压器同一相高、低压绕组电动势的相位关系与单相变压器相同。

根据每一相的高、低压侧电动势相位关系及三相绕组连接方式，可以确定出高、低压侧对应线电动势的相位关系。

三相变压器的联结组别仍采用“时钟表示法”：

把高压侧某一线电动势相量看作时钟的长针，并固定指向“0点”，把低压侧对应线电动势相量看作时钟的短针，它所指向的时钟数字便是其联结组别号。

由于三相变压器高、低压绕组均可以是星形联结或三角形联结，所以三相变压器联结组别较多。

下面介绍几种典型的三相变压器联结组。

1．Y,y0联结组

图3.2.4（a）为Y,y0联结组的绕组连接图,其特点是：

绕在同一铁心柱上的高、低压绕组的绕向及标志均相同，因此同一相高、低压绕组的首端U1与u1、V1与v1、W1与w1分别为同名端。

于是高、低压侧相电动势

和

、

与

、

与

分别同相位，如图3.2.4（b）所示。

画相量图步骤是：

（1）根据高压侧三相绕组的连接方式（Y联结）及

、

、

大小相等，相位依次相差

，按正相序U-V-W画出高压侧三相对称相电动势相量图，注意要使某一线电动势相量，这里取

固定指向“0点”（向上）。

（2）根据低压侧三相绕组的连接方式（y联结）及低压侧与高压侧相电动势相位关系：

与

、

与

、

与

分别同相位，可以画出低压侧电动势的相量图，并画出与高压侧

对应的线电动势相量

。

由于

指向“0点”，所以其联结组别为Y,y0。

Y,y0的意义为：

高、低压绕组均为星形联结，且高、低压侧对应线电动势同相位。

（a）绕组联结图（b）电动势相量图

图3.2.5Y,y6联结组

2．Y,y6联结组

图3.2.5为Y,y6联结组的绕组连接图及电动势相量图。

其同一相的高、低压绕组首端U1与u1、V1与v1、W1与w1分别为异名端，于是高、低压侧相电动势

和

、

与

、

与

分别反相位，对应的线电动势

与

也反相位，

指向“0点”时，

指向“6点”，故其联结组别为Y,y6。

在Y,y0联结组中，若保持高压绕组标志不变，而将低压绕组标志u1、v1、w1按正相序依次改为w1、u1、v1或v1、w1、u1，这相当于把低压侧相量图顺时针旋转了

或

，其中

则由“0点”转到“4点”或“8点”，由此可得Y,y4或Y,y8联结组。

同理，在Y,y6联结组基础上，按正相序依次改变低压绕组的标志，可得Y,y10和Y,y2联结组。

总之，Y,y（或D，d）联结组共有0、2、4、6、8、10等六个偶数的组别。

3．Y,d11连接组

将Y,y0绕组联结图3.2.4（a）中的低压绕组改为三角形联结，如图3.2.6（a）所示（图中各相电动势相量采用首、末端标出），根据高、低压侧相电动势同相位关系可知：

电动势相量u1u2与U1U2、v1v2与V1V2、w1w2与W1W2分别同相，再根据三相绕组串联顺序：

u1-u2w1-w2v1-v2u1，可以得到低压侧电动势相量图，如图3.2.6（b）所示。

其中与高压侧线电动势

（简写

）相对应的线电动势

（简写

）指向“11点”，所以其联结组别为Y,d11。

其意义为：

高压绕组为Y联结，低压绕组为d联结，低压侧线电动势超前高压侧线电动势

，即高、低压侧对应的线电动势有

相位差。

（a）绕组联结图（b）电动势相量图

图3.2.7Y,d1联结组

4．Y,d1连接组别

如果把低压绕组按u1-u2v1-v2w1-w2-u1顺序串联成三角形联结，如图3.2.7（a）所示，此时低压侧电动势相量图如图3.2.7（b）所示。

其中与高压侧线电动势

相对应的线电动势

指向“1点”，所以其联结组别为Y,d1，即低压侧线电动势滞后于高压侧线电动势

。

在Y,d11联结组中，若保持高压绕组标志不变，而将低压绕组标志u1、v1、w1按正相序依次改为w1、u1、v1或v1、w1、u1，可得到Y,d3或Y,d7联结组。

同理，在Y,d1联结组基础上，按正相序依次改变低压绕组的标志，可得Y,d5和Y,d9联结组。

总之，Y,d（或D，y）联结组共有1、3、5、7、9、11等六个奇数的组别。

三相变压器的联结组别很多，为便于制造、使用和并联运行，国家标准规定：

同一铁心柱上的高、低压绕组为同一相绕组，其绕向和标志均相同。

电力变压器的标准联结组为Y,yn0；Y,d11；YN,d11；YN,y0；Y,y0等五种，其中前三种最为常用。

一般它们的使用范围如下：

Y,yn0的二次绕组可以引出中性线，构成三相四线制供电方式，用在低压侧为400V的配电变压器中，供给三相动力负载和单相照明负载，高压侧额定电压不超过35kV。

Y,d11用于低压侧电压超过400V，高压侧电压在