三相电变压器的工作原理与应用

13.1.5.1 结构与原理

当三个相同的单相变压器的一次绕组和二次绕以星形连接或三角形连接时，便可构成三相交流电压。三相电变压器的全部绕组可以共用一个铁心架，其测定功率为10kVA～1000MVA。如图13-36所示，三相电变压器有标准的绕组符号。

（1）铁心 单相变压器组合成三相电变压器时，三个铁心可做成图13-37a所示的星形，在这三个铁心中，有三个磁通同时起作用，他们与交流电流一样，相位互差120°。当变压器为对称负载时，公共铁心柱中的磁通为零，就如电网中性线上的三相交流电流合成为零一样，因此就可以省去图13_-37b所示的中央公共铁心柱，剩下的铁心柱，如图13-37c所示可以在同一平面内。大多数三柱铁心均采用图13-37c所示的结构形式，由于中间一相的磁路要比两旁两相的磁路短，所以中间相的励磁电流要小。

图13-36 三相电变压器的绕组符号

图13-37 三个铁心的形成

图13-38 三柱铁心的叠装法

为了避免气隙和减少空载电流，三相电变压器的铁心由硅钢片叠加而成。使用颗粒结构定向的钢片时，其轧制方向上的磁化很少。此外，铁心要按图13-38所示采用叠装并采用斜接缝对接，以便使磁力线沿轧制方向通过。

（2）绕组 三相电变压器的短路电压应尽量的小，因此，三个铁心柱中任一个高、低绕组都如盘子一样上下重叠放置。当绕组要求为圆柱形时，其低压绕组应在内，高压绕组应在外，以防止与接地的铁心短接。

分层绕组将高、低压绕组分成若干线饼，沿着铁心柱层层堆放，层间绝缘要求很高。由于层绝缘的绝缘材料负载很大，所以层绕组用于小型变压器。

线圈绕组把绕组所必需的匝数分配到串接的单个分线圈上，因此，在每个线圈上只有一部分总电压，层间的电压低。变压器的高压绕组作为线圈绕组输出平均功率。

箔绕组是由绝缘的铝箔或铜箔制成，类似一个电容器。由于每层仅由一匝组成，所以绝缘仅承受一匝的电压。浇铸树脂式变压器就为箔绕组。

（3）冷却 如图13-39所示，大功率变压器都有一个内装有绕组和铁心的油箱。油冷不仅比空气冷却好、绝缘好，而且还能防止水气进入。油箱分为波纹铁板油箱、管状油管和有散热器的油箱。超过30MVA的大型变压器中，受热的油通过分离的散热器后又重新返回到变压器中。变压器油受热后发生膨胀，变压器受热时，要防止变压器与空气中的氧接触，以免因氧化而老化，因此，在油箱的顶部设置了一个未充满油的油枕，并通过通气孔与外界空气接通。露天放置的变压器，为了防止进入湿气，则空气的进入必须经过空气脱湿器。

图13-39 波纹油箱式400kVA三相油浸配电变压器

图13-40 瓦斯保护装置简图

（4）变压器的保护 在油箱与油枕之间常装一个图13-40所示的瓦斯保护装置。当变压器发生故障时，如绕组短路而产生气泡，浮子会下降，并直到接触到水银开关管，报警装置的喇叭便发出报警信号；若发生过压，如变压器内部短路而发生过压，则变压器油中会产生一股强气流，并通过止流闸板使两个水银开关管的一个水银开管动作，从而关断变压器。

2.5MVA的变压器没有油枕，而是有如图13-39所示的电褶叠式波纹油箱，它可以像皮老虎一样发生膨胀。

为了降低火灾危险，在变压器中加入硅绝缘油。

浇铸树脂式变压器是一种干式变压器，其多数为箔绕组的绕组固定在浇铸树脂中。在那些由于安全上的原因而不允许装油浸式变压器的场所，如车间、集会场所，则可以使用浇铸树脂式变压器。

13.1.5.2 接线

图13-41所示，变压器高压侧有三相绕组，这些绕组可以接成星形（）或三角形（△），相应的低压侧的三相绕组也可以接成星形（）或三角形（△）。

锯齿形连接是特殊的星形联结，它仅适用于低压侧。

接线组。高压绕组和低压绕组的接线以接线组来表示。若高、低压侧的相线连接相同（接线组Dd或Yy），则高、低压的相位差为0°或180°；若高、低压侧的接法不同时，如接线组Dy（高压为三角形联结，低压为星形联结），则相位差为150°或330°（图13-42），相位差作为接线组的特性数值来表示。相位差常用由时钟表示法得到的特性数值算出。如Dy5连接，高压侧的相位差就用特性数值5乘以30°得出（图13-42）。高、低压侧引出接线的零点用接线字母n表示。

图13-41 用于三角形和星形联结的可能接线

计算例题：

解释接线组参数Dyn5。

解：

D=高压，三角形联结。

y=低压，星形联结。

n=星点（中性线接线）引出的。

5（特性数值）：相位差5×30°=150°

接线特点。星形联结的高压绕组需要的匝数很少，但导线的截面要比三角形联结粗。高压侧的星形联结在供电变压器中功率较小，约为500kVA，而其电压却非常高。对于用于TN系统的供电变压器的低压绕组不能用三角形联结，其原因是无中性线接线。

作为变压比，三相电变压器的电压比是以不约分的线电压比表示的，如u··=20000V/400V。只有在Dd接法时，线电压才等于相电压；在Yy连接法时，线电压是相电压的倍。

图13-42 高、低压侧的相位差

变压比仅适用于高、低侧接法相同的三相电变压器。(www.xing528.com)

若高、低电压侧的接法不同，则仅适用于相电压。

如图13-43所示，三相交流电压也可以用两个V形联结的单相变压器进行变压，输出端得到三相交流电压。当电压超过380kV时，如图13-44所示，变压器组由三个单相变压器组成，其原因是单相变压器容易工作。

13.1.5.3 三相电变压器的不对称负载

在电网中经常出现导线以变压器相的非对称负载，如图13-45所示的用户接线。

图13-43 V形联结

图13-44 变压器组

接线组Yy，Yynb的三相电变压器单相负载时，如图13-46所示，其电流在高压绕组的所有相中流过。在铁心柱中，其输出端绕组相无负载，磁通密度急剧增加，漏磁也随之增加，因此，无负载相中的输出电压提高，而有负载相的电压下降。

Yy接法的变压器不适合单相负载。

接线组Dyn5的三相电变压器因为其高压端的电流只在输出端有负载的铁心柱的相中流动，所以是单相负载，如图13-46所示。

如图13-47所示，若低压绕组的每相是均匀地分配在两个铁心柱上，则对高压端以星形联结的变压器可以为单相负载，其低压的矢量图为锯齿形，这种接法也称为锯齿形联结（z）。有电流通过的绕组在两个铁心柱上，同样高压绕组也有电流流过。

Yzn接法适合不对称负载（不平衡负载）。配电网用变压器使用中、小功率，如图13-45所示的电杆变压器，其功率达400kVA，其中性线可全负载。二次绕组的匝数约比星形联结的输出高15%。锯齿形联结的制造费用很高。

图13-45 电杆变压器

图13-46 三相电变压器的单相负载电流

图13-47 锯齿形联结的单相负载

对于特殊任务，也在单相电网中使用如图13-48所示的道岔加热变压器。

三相自耦变压器常采用图13-49所示的星形联结，其变压比小，如380kV/220kV，其输出功率可达1000MVA。

图13-48 铁路设备用道岔加热变压器

图13-49 三相自耦变压器

13.1.5.4 常用接线组

可用的接线组数量是很大的，表13-4中所例举的只是一小部分。

表13-4 三相功率变压器的常用接线组（DIN VDE 0532）

许多变压器是并联运行，如至低压供电网的供电，因此，这些变压器的输出电压必须同相。

并联变压器的特征数值必须相同。

如图13-50所示，接线组和特征数值标在功率铭牌上。

如图13-51所示，电压转换器的变压器可以通过改变高压绕组的匝数使之与输出电压匹配。转换只允许在所接状态中实现。电压差，如20800V-20000V=800V，应与三相电变压器的短路电压相符。

图13-50 三相交流电变压器功率铭牌

图13-51 有电压转换器的高压绕组

应用。接线组Yyo的变压器可作为小型配电网用变压器在高压电网中使用。Yyno允许中性线有最大为10%的负载。

Dyn5联结多用于市区电网，作为配电网用变压器适用于大功率，并且其中性线可全负载。

Yd5联结是大发电厂和大变压站的主变压器的接线方法。