三相变压器及其在电能传输中的应用

1.电能的传送

发电部门的发电机将其他形式的能（如水能和化学能）转换成电能，再通过导线传送给用户。由于用户与发电部门的距离往往很远，电能传送需要很长的导线，电能在导线传送的过程中有损耗。根据焦耳定律Q=I²Rt可知，损耗的大小主要与流过导线的电流和导线的电阻有关，电流、电阻越大，导线的损耗越大。

为了降低电能在导线上传送产生的损耗，可减小导线电阻和降低流过导线的电流。具体做法有：通过采用电阻率小的铝或铜材料制作成粗导线来减小导线的电阻；通过提高传送电压来减小电流，这是根据P=UI，在传送功率一定的情况下，导线电压越高，流过导线的电流越小。

电能从发电站传送到用户的过程如图4-61所示。发电机输出的电压先送到升压变电站进行升压，升压后得到110～330kV的高压，高压经导线进行远距离传送，到达目的地后，再由降压变电站的降压变压器将高压降低到220V或380V的低压，提供给用户。实际上，在提升电压时，往往不是依靠一个变压器将低压提升到很高的电压，而是经过多个升压变压器一级级地进行升压。在降压时，也需要经多个降压变压器进行逐级降压。

图4-61 电能传送示意图

2.三相变压器

（1）三相交流电的产生

目前电力系统广泛采用三相交流电，三相交流电是由三相交流发电机产生的。三相交流发电机原理示意图如图4-62所示。从图中可以看出，三相发电机主要是由U、V、W三个绕组和磁铁组成的，当磁铁旋转时，在U、V、W绕组中分别产生电动势，各绕组两端的电压分别为UU、UV、UW，这三个绕组输出的三组交流电压称为三相交流电压。

（2）利用单相变压器改变三相交流电压

要将三相交流发电机产生的三相电压传送出去，为了降低线路损耗，需对每相电压都进行提升。简单的做法是采用三个单相变压器，如图4-63所示。单相变压器是指一次绕组和二次绕组分别只有一组的变压器。

图4-62 三相交流发电机原理示意图

图4-63 利用三个单相变压器改变三相交流电压

（3）利用三相变压器改变三相交流电压

将三对绕组绕在同一铁心上可以构成三相变压器。三相交流变压器的结构如图4-64所示。利用三相变压器也可以改变三相交流电压，具体接法如图4-65所示。

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图4-64 三相交流变压器的结构

图4-65 利用三相变压器改变三相交流电压

3.三相变压器的工作接线方法

（1）星形联结

用图4-65所示的方法连接三相发电机与三相变压器的缺点是连接所需的导线太多，在进行远距离电能传送时必然会使线路成本上升，而采用星形联结可以减少导线数量，从而降低成本。发电机绕组与变压器绕组的星形联结如图4-66所示。

图4-66 发电机绕组与变压器绕组的星形联结

变压器的星形联结如图4-66a所示，将发电机的三相绕组的末端连起来构成一个连接点，该连接点称为中性点，将变压器三个低压绕组（匝数少的绕组）的末端连接起来构成中性点，将变压器三个高压绕组的末端连接起来构成中性点，然后将发电机三相绕组的首端分别与变压器三个低压绕组的首端连接起来。

发电机绕组与变压器绕组的星形联结可以画成图4-66b所示的形式。从图中可以看出，发电机绕组和变压器绕组连接成星形，故这种接法称为星形联结，又因为这种接法需用四根导线，故又称为三相四线制星形联结。发电机和变压器之间按星形联结后，变压器就可以升高发电机送来的三相电压。如发电机的U相电压送到变压器的绕组u₁u₂两端，在高压绕组U₁U₂两端就会输出升高的U相电压。

（2）三角形联结

三相变压器与三相发电机之间的连线接法除了星形联结外，还有三角形联结。三相发电机与三相变压器之间的三角形联结如图4-67所示。

图4-67 发电机绕组与变压器绕组的三角形联结

变压器的三角形联结如图4-67a所示，将发电机的三相绕组的首尾依次连接起来，再在每相绕组首端连出引线，将变压器的低压绕组的首尾依次连接起来，并在每相绕组首端连出引线，将变压器的高压绕组的首尾依次连接起来，并在每相绕组首端连出引线，然后将发电机的三根引线与变压器低压绕组相对应的三根引线连接起来。

发电机绕组与变压器绕组的三角形联结可以画成图4-67b所示的形式。从图中可以看出，发电机绕组和变压器绕组连接成三角形，故这种接法称为三角形联结，又因为这种接法需用三根导线，故又称为三相三线制三角形联结。发电机和变压器之间按三角形连接好后，变压器就可以升高发电机送来的三相电压。如发电机的W相电压送到变压器的绕组w₁w₂两端，在高压绕组W₁U₁两端（也即W、U两引线之间）就会输出升高的W相电压。