第三节 三相变压器

一、三相电压变换

三相电压变换采用三相变压器，其一、二次侧各有三个绕组，三相变压器有组合式和芯式两种。三相组合式变压器是由三个完全一样的单相变压器组合而成，三个单相变压器铁心磁路相互独立。三相芯式变压器则是采用“日”字形铁心，每个铁心柱上分别有一个一次绕组和一个二次绕组，三相变压器每相磁通量通过的路径相互重叠影响。即每相磁通量不仅以本相铁心作为磁路，也将其他两相铁心作为磁路。三相芯式变压器的外形如图3-2c所示。

三相电压变压器一、二次绕组可联结成星形（形）或三角形（△形）。新的国家标准规定，星形联结用或y表示，三角形联结用D或d表示。大写字母表示一次绕组联结形式，小写字母表示二次绕组联结形式。一、二次绕组联结形式之间用逗号隔开。因此，三相变压器有4种基本联结形式：①，y；②，d；③D，y和④D，d。我国一般只采用，y和，d两种基本联结形式。除了这4种基本联结形式外，星形（形）联结还有不带中线和带中线两种，规定中线用字母N（一次侧）或n（二次侧）表示，如：YN，y和D，yn等。

船用照明变压器是重要设备，配备照明变压器时，应该考虑一旦出现故障时保证船舶继续照明的需要。船用照明变压器配备方案有两种：①配备两台三相芯式变压器，一台工作另一台备用。②配备一台三相组合式变压器，即配备三台单相变压器，用这三台单相变压器组成△联结的三相变压器组。一旦某台变压器故障，将剩下的两台单相变压器改为V，v联结，继续向重要的三相照明负载提供三相电能，如图3-14所示。

三相变压器组正常工作时为D，d联结，如图3-14a所示。若设B相故障，将B相单相变压器的一、二次绕组同时脱开，接成如图3-14b所示的V，v联结（又称为开口三角形联结）。此时由于A、C相铁心相互独立，磁通量不会相互干扰，其一次绕组分别感应电动势和与电源电压和平衡；而它，在二次侧的c、a和b、c之间输出电压们的二次绕组则分别感应电动势和与。由于一次绕组所连接的电压与相差120 °电角度，与、与及与也都相差120 °电角度。此时，二次侧的a、b两点之间虽然没有绕组，但由于与相差120 °电角度，a、b两点之间仍然存在电压，也就是仍然可输出三相对称交流电压，其相量图如图3-14c。

但是故障时，V，v联结的变压器，其负载能力比D，d联结的变压器组的负载能力下降了。若设正常工作时三相变压器组额定电压和额定电流分别为U_1N/U_2N和I_1N/I_2N，每台单相变压器的额定电流为额定（线）电流的1/。因此，V，v联结时三相变压器组允许输出的（线）电流I_1VN/I_2VN为D，d联结时的1/。V，v联结时三相变压器组允许输出的视在功率为

两台单相变压器的额定视在功率为S₂：

因此，V，v联结时两台单相变压器的利用率仅为

由此可见，采用三相组合式变压器组的主要优点是故障时备用组合比较灵活、容量小、投资相对小，但故障时允许输出的容量低，变压器的利用率低。注意，若是Y，y接法组合式三相变压器不能作为V, v联结，因为它每相绕组的额定电压是相电压。

二、变压器的同名端

有一单相变压器的一次侧有两个匝数相同的绕组，其主要的几种连接方法，如图3-15所示。外部连接错误不仅使变压器达不到正常运行状态，甚至会烧毁变压器。如图3-15a所示为两个完全相同的线圈，按右手螺旋关系，既可正向串联后接220V电源，如图3-15b所示；也可正向并联后接110V电源，如图3-15c所示。若误将其反向串联，如图3-15d所示，或反向并联，如图3-15e所示。则两线圈产生磁动势互相抵消，磁路磁通量为零，线圈感应电动势为零，从而形成外加电源短路。两个线圈绕组将因很大的短路电流而被烧毁。

具有多绕组的变压器存在着绕组之间正确连接的问题，正确连接线圈绕组，就要知道其绕向。但实际变压器很难从外部知道其绕组绕向。因此，要在各绕组外部接线端标上符号，代替绕组绕向。如图3-15中各线圈的一端都标有一个圆点“·”，标有圆点的端点称为各绕组的同极性端或同名端。由图可见，这些同名端标志着各绕组都右手螺旋方向绕制，当电流从各绕组同名端同时流入(或流出)时，各绕组磁动势或磁通量方向一致；因此，两个同名端之间，在任何瞬时其绕组感应电动势的极性总是相同。

有了同名端标记，就可用图3-15f所示电路符号表示绕组，而不需要知道绕组的绕向。绕组极性也可用文字符号表示，例如U相一次绕组和二次绕组的首尾端分别用U₁₁-U₁₂和U₂₁-U₂₂标志（下标第一个数字表示绕组的一、二次侧，1为一次侧，2为二次侧。下标第二个数字表示首尾端，1为首端，2为尾端）。若一、二次绕组的标记不清楚，可采用实验方法进行判别。

单相变压器同名端的判别方法有交流法和直流法两种，如图3-16所示。图3-16a为交流法的接线图，2和4端连在一起，若1和3端为同名端，电压表所测电压为高压端电压值减去低压端值，即U_V=U₁-U₂＜U₁或U₂；若1和3端为异名端，则电压表所测电压为高压端电压值加上低压端的值，即U_V=U₁+U₂＞U₁或U₂。通过电压表读数就可判断变压器同名端。若1和3端为同名端，则2和4端也是同名端。若1和3端不是同名端，1和4端为同名端，则2和3端也是同名端。

如图3-16b所示的是直流法的接线图，当合上开关S，电流从1端流入绕组1-2，并建立磁动势，变压器铁心有变化的磁通量通过，在绕组1-2和绕组3-4分别感应电动势。一般而言，合上开关S瞬间，若毫安表正偏，与毫安表正极相连的变压器绕组端子和与电池正极相连的变压器绕组端子为同名端（若反偏，则为异名端）。应该说明的是，开关合上瞬间，若毫安表正偏，则开关断开瞬间毫安表将反偏。采用直流法判别变压器同名端时，应该注意其区别。

三、变压器的连接组别

连接组别是一种代号，主要用来表示三相变压器一、二次绕组连接形式和线电势相位关系。连接组别一般由两段字母加数字组成，字母段表示绕组连接形式，三角形联结或不带中性点星形联结时，每段字母仅由一个字母组成，带中性线的星形联结，则由两个字母组成。数字为连接组别号，表示一、二次绕组线电势相位差。连接组别号采用“时钟表示法”表示，变压器一次侧线电势作为“时钟的分针”，保持指向“时钟12点的位置”，二次侧线电势作为“时钟的时针”，所指向的对应“时钟点数”就是连接组别号。例如：Yy0，Yd11，YNd9，Dyn5，Dd8等。

已知变压器的电路接线，要求变压器的连接组别时，其一般步骤如下：

1）根据变压器电路接线图的同名端，绘制一、二次侧三相铁心对应绕组电动势相量；

2）画出一次侧线电动势相量，箭头朝上，作为分针；

3）画出二次侧三相电动势按照电路接线的连接规律组成二次侧三相电动势相量图；

4）根据二次侧三相电动势相量图画出二次侧线电动势相量，作为时钟的时针；

5）将一次侧线电动势相量和二次侧线电动势相量单独取出，构成时钟的分针和时针，即可得到表示变压器连接组别的“时钟”；

6）根据接线图和“时钟”点数写出变压器连接组别代号。

如图3-17所示。一般而言，变压器一、二次绕组相同连接形式（同为星形联结或同为三角形联结）时，联结组别号为偶数；联结形式不同，则联结组别号为奇数。

四、变压器的并联运行

电力变压器可采用多台变压器并联运行，在负载较低时可减少变压器并联运行台数，使并联运行变压器工作在效率特性的高效率段，从而提高变压器的运行效率。并联运行的变压器还可提高供电的可靠性，一旦出现变压器故障，其他正常变压器仍能继续工作，向负载供电。变压器并联运行也常在某些特种工作船上应用。

变压器并联运行要求：并联运行变压器之间不应有环流；并联运行变压器应按其容量比例分配负载。为满足这些要求，变压器必须满足并联运行基本条件：①一次侧和二次侧额定（线）电压应分别相等（变比相等）；②连接组别相同；③具有相同短路阻抗标幺值。线电压相等和连接组别相同可保证并联运行变压器之间没有环流，具有相同的短路阻抗标幺值则可保证并联运行变压器按其容量比例分配负载所谓短路阻抗，是将变压器二次侧短路，其一次侧的等效阻抗，用Z_k表示；所谓标幺值，是一个相对值，是实际值与基值的比值，即

式中，阻抗的基值等于额定电压与额定电流之比（电压和电流的基值为额定电压和额定电流）。标幺值通常用实际值的符号加一个星号“*”上标表示，例如：=Z_k/（U_1N/I_1N）=Z_k/（U_2N/I_2N），=I₁/I_1N，=U₁/U_1N，分别表示短路阻抗、一次电流和一次电压的标幺值。

采用标幺值有一个好处，那就是不同容量的设备，其工作状态可以直观地相互比较。例如，两台容量不同的变压器，其额定电流不同。如果变压器以实际工作电流表示时，则为了判断每台变压器的带载率，就必须进行一定的计算。而采用标幺值表示时，电流的标幺值直接表示每台变压器的带载率，就可直接比较每台变压器所带负载的大小。

采用变压器近似等效电路表示时，两台变压器并联运行的示意图如图3-18所示。由于一、二次侧电压相等，所以它们的内阻抗压降也应相等，即

根据阻抗标幺值的定义， Z_k1=（U_2N/I_21N），Z_k2=（U_2N/I_22N），将 Z_k1和 Z_k2代入式（3-25），得

即

式中，=/I_21N和=/I_22N分别是两台变压器实际负载电流的标幺值。

由式（3-26）可知，只要两台变压器的短路阻抗标幺值相等，则这两台变压器并联运行时，它们输出的负载电流的相对值才能相等，这样将按各自容量比例分配负载电流。

一般选用同型号，同容量，同电压和接线方式一样的变压器并联运行。