第5章  三相變壓器的聯(lián)結(jié)組與不對稱短路

原  理  簡  述

1．  極性測定的依據(jù)

2．三相繞組的聯(lián)接方法

    把三個(gè)單相繞組聯(lián)成三相繞組將有好幾種聯(lián)法，其中最基本的形式有星形（或形）接法和三角形（D或形）接法兩種，此外，還有曲折接法（或接法）。它們的繞組聯(lián)接圖和電壓相量圖如圖5-3所示。

    形聯(lián)接方法的副方每相繞組有一中間抽頭,將繞組分成為相等的兩半，和、 和、和分別套在不同的鐵芯柱上，把一個(gè)鐵芯柱上的上半個(gè)繞組與另一鐵芯柱上的下半個(gè)繞組反向串聯(lián)，組成新的一相繞組后，再接成星形聯(lián)接，其相量圖每相相量連接線成曲折形，顧名思意稱為曲折形（或形）接法。從電壓相量圖可見，相電壓只有原來繞組的，就是說在相同的電壓下繞組匝數(shù)增加到倍，增加了用銅量和損耗。但形聯(lián)接的變壓器能防止沖擊波影響，運(yùn)行在多雷雨地區(qū)可減少變壓器雷擊損耗。還常使用于某些整流變壓器中以防止中性點(diǎn)位移，使三相電壓接近平衡來提高整流效率。因此形接法近年來漸漸增多，國家標(biāo)準(zhǔn)GB1094-85中也被列為常用聯(lián)結(jié)組之一。

   （1）形聯(lián)接法                （2）△形聯(lián)接法                （3）形聯(lián)接法

圖 5-4  △聯(lián)接和聯(lián)接的左行接法

    在圖5-4中畫出了三角形接法和曲折形接法的另一種聯(lián)接次序。我們把圖5-3稱右行接法，圖5-4就稱左行接法。由于聯(lián)接次序不同，它們的線電壓相位關(guān)系就不相同，這一點(diǎn)在下面的聯(lián)結(jié)組別中應(yīng)注意區(qū)別。

    一般情況下三角形聯(lián)接和曲折形聯(lián)接只采用右行聯(lián)接，以后不加說明的三角形聯(lián)接和曲折形聯(lián)接都是指右行聯(lián)接。

3．三相變壓器的聯(lián)結(jié)組

    三相變壓器高、低壓側(cè)線電壓之間的相位關(guān)系，不但與標(biāo)號和繞向有關(guān)，還與三相線圈的聯(lián)接方式有關(guān)。根據(jù)電機(jī)學(xué)理論，習(xí)慣上用“時(shí)鐘法”來表示高、低壓兩側(cè)間線電壓的相位關(guān)系。時(shí)鐘法是把高壓側(cè)線電壓的相量作為時(shí)鐘的分針，且其指向定在點(diǎn)，低壓側(cè)對應(yīng)的線電壓的相量作為鐘表的時(shí)針，時(shí)針和分針指向的角度差別就是高低壓側(cè)間的線電壓的相位差。例如聯(lián)結(jié)組標(biāo)號為，而國家標(biāo)準(zhǔn)GB1094-85現(xiàn)規(guī)定用“”，則說明高低壓側(cè)的聯(lián)接分別為星形和三角形接法，而兩者對應(yīng)的線電壓的相位關(guān)系是：高壓側(cè)線電壓相量超前低壓側(cè)線電壓相量 (又稱時(shí)鐘序數(shù)為)。

    三相電力變壓器常用的聯(lián)結(jié)組標(biāo)號是(1)  (即)；(2) (即)；(3)  (即)；(4)  (即)。它們對應(yīng)的相量圖及其聯(lián)接方法如圖5-5所示。圖中標(biāo)號采用了國家標(biāo)準(zhǔn)中的有關(guān)規(guī)定，其內(nèi)容是：三相變壓器的線圈聯(lián)接成星形、三角形或曲折形時(shí)，對高壓繞組分別以字母或表示，對中壓或低壓繞組分別以字母或表示。如果星形聯(lián)接或曲折形聯(lián)接的中性點(diǎn)是引出的，則分別以或及或表示。和屬高壓側(cè)，和屬低壓側(cè)。

    圖5-5中采用的是一種以“線電壓重心重合法”來確定聯(lián)結(jié)組別的方法。長期以來，利用相量圖確定繞組的聯(lián)結(jié)組別，一直采用線電壓法。由于國際電工委員會(huì)（IEC）推薦了一種新的方法，即線電壓三角形重心重合法，簡稱線電壓重心重合法。這種方法與傳統(tǒng)的線電壓法相比，即簡單、又直觀。我國的標(biāo)準(zhǔn)“GB1094-85”也使用了此法。現(xiàn)介紹如下，無論是形、形或形聯(lián)接的繞組，其相量圖的三個(gè)頂點(diǎn)聯(lián)線，便可組成一個(gè)正三角形，被稱為線電壓三角形。將高低壓繞組線電壓三角形的重心重合在一起，由該重心分別向高低壓同一相的對應(yīng)線端聯(lián)線，例如由重心聯(lián)到和，并用其中較長的線段（即高壓側(cè)的）表示時(shí)鐘的分針，而用較短的線段（即低壓側(cè)）表示時(shí)鐘的時(shí)針，那么這時(shí)的時(shí)針?biāo)@示的小時(shí)數(shù)即為組別。

    用以上方法確定聯(lián)結(jié)組別與用傳統(tǒng)的線電壓法所得出的結(jié)果是完全一致的。因?yàn)閮蓚€(gè)正三角形重心重合時(shí)，對應(yīng)中線的夾角總是與對應(yīng)邊的夾角相等的，所以對應(yīng)中線所表示的相量之間的相位關(guān)系，完全與對應(yīng)邊所表示的線電壓相量之間的相位關(guān)系相同。傳統(tǒng)的鐘時(shí)序數(shù)和國標(biāo)GB1094-85的規(guī)定的鐘時(shí)序數(shù)也基本相同，只是傳統(tǒng)的鐘時(shí)序數(shù)為時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)GB1094-85規(guī)定用“”表示。

圖5-5  三相電力變壓器常用的聯(lián)結(jié)組標(biāo)號對照表（摘自GB1094-85）

4．不對稱短路

    三相變壓器運(yùn)行過程中，可能出現(xiàn)不平衡負(fù)載。最極端的情況是單相短路或兩相短路。這時(shí)變壓器內(nèi)各相電流大小不再相等，三相的相位也不再依次差，這種現(xiàn)象一般屬于故障情況。分析不對稱運(yùn)行的基本方法是應(yīng)用對稱分量法和迭加原理，即把一組不對稱的三相電流（或其它物理量）用三組（即正序、負(fù)序、零序）對稱的三相電流去代替，然后對三組對稱的電流分別求解，從中取出任何一組作為單相問題來處理，最后把計(jì)算結(jié)果迭加起來，就得到原來不對稱的三相數(shù)值。

    對變壓器來說，正序電流和負(fù)序電流所遇到的阻抗是相同的，因而變壓器的正序阻抗和負(fù)序阻抗是相等的。但對零序電流來說，因三相的相位相同就會(huì)遇到不同的阻抗，而且隨繞組的聯(lián)接方式和鐵芯結(jié)構(gòu)型式的不同而零序阻抗也各不相同。

5．空載電流和電勢的波形分析

    只有磁通波形是正弦波時(shí)，該磁通所在匝鏈繞組感應(yīng)的變壓器電勢才是正弦波。在有飽和的情況下，若磁通波形為正弦波時(shí)，變壓器在額定電壓時(shí)的勵(lì)磁電流波形根據(jù)作圖法求得的波形卻是“尖頂波”。按照富氏級數(shù)尖頂波可以分解為基波和一系列奇次高次諧波的合成。因?yàn)楦叽沃C波中，三次諧波的幅值最大，對變壓器性能影響也頗顯著，所以問題歸結(jié)為如果三次諧波的電流能夠流通，就可以得到正弦波的磁通。但是若原邊繞組中三次諧波電流沒通路（例如聯(lián)接時(shí)），磁通的波形是否為正弦，就要看該臺(tái)變壓器屬哪種鐵芯結(jié)構(gòu)。三次諧波的磁通在三相芯式變壓器中所遇磁阻很大而基本不通，則認(rèn)為磁通波仍然是正弦波；而三相組式變壓器中由于三相磁路互不關(guān)聯(lián)，三次諧波磁通可以流通，故磁通波形成為非正弦的平頂波形，引起繞組中的感應(yīng)電勢成為尖頂波。

實(shí)驗(yàn)五  三相變壓器的聯(lián)結(jié)組與不對稱短路實(shí)驗(yàn)

一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?a name=2>

    1．掌握三相變壓器的極性測定方法。

    2．掌握校驗(yàn)三相變壓器的聯(lián)結(jié)組的方法。

    3．研究三相變壓器不對稱短路。

    4．觀察分析三相變壓器空載電流和電勢的波形。

二、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

    1．測定三相變壓器相間和原副方的極性。

    2．  連接并判定以下聯(lián)結(jié)組

    (1)    （即）

    (2)     (即)

    (3)    (即)

    (4)     (即)

    (5)     (即)

    (6)     (即)

    若被試變壓器不滿足形聯(lián)接的條件，以上內(nèi)容則只做內(nèi)容(1)、(2)、(3)、(4)，若滿足條件，則只做(1)、(3)、(5)、(6)。

    3^*. 不對稱短路

    (1)  （即）單相短路

    (2)   （即）兩相短路

    4^*. 測定聯(lián)接變壓器的零序阻抗。

    5^*. 分析觀察三相芯式和三相組式變壓器不同聯(lián)接方法時(shí)的空載電流和電勢波形。

三、實(shí)驗(yàn)說明及操作步驟

    1．三相變壓器相間和高低壓側(cè)極性的測定

    普通三相雙繞組變壓器12根引出線若雜亂排列，而無其它任何標(biāo)號時(shí)，如何知道或標(biāo)出某根引線屬于哪一側(cè)、哪一相，通過采用以下步驟來判定。

    (1) 采用電橋或萬用表的電阻檔判定屬于同一線圈的兩個(gè)端頭，并測量每個(gè)線圈的電阻大小以判定高低壓繞組。暫定標(biāo)記和。

    (2) 測定高壓線圈的相間極性時(shí)，先設(shè)相標(biāo)志正確，在兩端加低電壓（對于伏的雙繞組變壓器，加的電壓約為伏即可），如圖5-6所示，再用電壓表測量電壓和，若，說明相標(biāo)記正確；若，說明相標(biāo)記錯(cuò)誤，應(yīng)將相標(biāo)記互換。然后用同樣的方法判斷相標(biāo)記，這時(shí)就應(yīng)在（或）加低電壓（約），在（或）相測電壓。

    (3) 同理，可測得低壓線圈的相間極性。

    圖5-6 測定相間       圖5-7  三相變壓器測原     　  圖5-8  測原副邊極性

           極性的接線圖                  副邊極性接線圖         　     時(shí)的相量圖

　　(4) 測定同一鐵芯柱的兩個(gè)線圈，按圖5-7接線。原副方中性點(diǎn)用一根導(dǎo)線相連，對應(yīng)的相量圖如圖5-8，高壓線圈施加低電壓（約），測量，據(jù)相量圖知其中必有兩電壓（圖中為和）相等，而另一個(gè)電壓（圖中的）所處的那一相屬于同一鐵芯柱的線圈。同理可測得另外兩相線圈所在的鐵芯柱。

    (5) 測原副邊極性，接線圖同圖5-7，高壓線圈施加低電壓后，測出。若則與同相，說明原副邊極性相同。當(dāng)時(shí)，表示和反相位，說明原副邊不同極性，則副線圈的標(biāo)記和兩兩對調(diào)。

    (1)   (即)

    按圖5-9接線，圖中兩點(diǎn)用導(dǎo)線相連，說明相量圖的兩點(diǎn)重合，以便根據(jù)幾何關(guān)系得出某聯(lián)結(jié)組的校核計(jì)算式（表5-1中的計(jì)算公式）。

    經(jīng)調(diào)壓器在原方施加額定電壓，測量電壓、、、、、，將數(shù)值填入表5-1的實(shí)測值欄。同時(shí)用電壓比（指原、副邊線電壓之比）代入表5-1中的對應(yīng)公式，算出的值填入計(jì)算值欄。如果測出的數(shù)值與計(jì)算值符合，表示線圈聯(lián)結(jié)組屬于表中所對應(yīng)的聯(lián)結(jié)組名稱。

    改變線圈接線，用同樣的方法測定以下五種聯(lián)結(jié)組：

    (2)     （即)

    (3)    （即)

    (4)     （即)

    (5)    （即)

    (6)    （即)

    注：a.在聯(lián)接和聯(lián)結(jié)組時(shí)需將被試變壓器的副方線圈首末端的標(biāo)號人為對調(diào)，即原為，原為，原為作為輸入端，原為，且將點(diǎn)和副方調(diào)換后的點(diǎn)（即原點(diǎn)）短接，方可進(jìn)行測量。

    b.為避免(3)和(4)的副方接錯(cuò)而引起短路，可在副方三角形的任一開口處測量開口電壓，當(dāng)電壓值接近零時(shí)，表示三角形接法正確。

    c.對于和 (即和)聯(lián)結(jié)組，分別按照表5-1所對應(yīng)的線圈接線圖接線，其中原接在調(diào)壓器的輸出端。形連接的變壓器其副方要有兩套相同的三相繞組，再按圖分別接成和。同樣也要將原、副方的兩點(diǎn)短接。調(diào)節(jié)調(diào)壓器輸出到被試變壓器額定電壓后，測出電壓比并測量記錄于表5-1中，然后與對應(yīng)公式求得的結(jié)果相比較。注意：副方線電壓為形接法后的線電壓。

    d.因該實(shí)驗(yàn)要及時(shí)用表5-1中的公式來驗(yàn)證對應(yīng)欄內(nèi)的測量值，故每一組同學(xué)要帶一只計(jì)算器以便于實(shí)驗(yàn)。

 圖5-10  單相短路      圖5-11  兩相短路     圖5-12  測定零序阻抗

接線圖                      接線圖                線路圖

    （1）聯(lián)接的單相短路

    接線如圖5-10所示，調(diào)壓器輸出調(diào)零后，合上電源開關(guān)S₁、S₂，逐漸增加變壓器外施電壓至副方短路電流接近額定值為止。測取此時(shí)副方短路電流和原方三相電流及三相電壓，數(shù)據(jù)填入表5-2。

表5-2  不對稱短路數(shù)據(jù)

    （2）聯(lián)接兩相短路

　　用(1)的同樣方法按圖5-11接線測取聯(lián)接的兩相短路，所測數(shù)據(jù)也填入表5-2。

    注意：以上內(nèi)容(1)、(2)可用三相芯式變壓器測，也可用三相組式變壓器測。

    4^*．測定聯(lián)接的變壓器的零序阻抗

    接線如圖5-12所示。即將被試變壓器的副邊三相繞組按順序串聯(lián)，通以單相電流，這時(shí)流入各相繞組的電流大小相等，相位相同，相當(dāng)于三相零序電流。首先將調(diào)壓器輸出電壓調(diào)在零的位置，然后合上電源開關(guān)S₁、S₂，逐漸增加調(diào)壓器輸出電壓，使零序電流在和兩點(diǎn)時(shí)，記錄零序電壓、電流和功率，填入表5-3。對于三相組式變壓器，由于三相磁路獨(dú)立而互不相關(guān)，故可用其中一臺(tái)單相變壓器的空載實(shí)驗(yàn)來測定。

表5-3   零序阻抗測定數(shù)據(jù)

    5^*. 分別觀察三相變壓器不同聯(lián)接方法、不同鐵芯結(jié)構(gòu)時(shí)的空載電流和電勢波形

    該實(shí)驗(yàn)內(nèi)容可通過指導(dǎo)教師的演示或觀看電機(jī)實(shí)驗(yàn)的“系列電教片”中關(guān)于“三相芯式和組式變壓器不同聯(lián)接方法時(shí)的空載電流和電勢波形”，讓學(xué)生在實(shí)驗(yàn)課中用“電機(jī)學(xué)”的知識邊看邊分析、、聯(lián)接時(shí)，并在外施電壓為時(shí)所觀察到的幾種情況下的空載電流、副方相電勢、線電勢的波形。

    該實(shí)驗(yàn)也可作為個(gè)別同學(xué)的選做實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)操作情況如下述：

    (1) 聯(lián)接

　　接線如圖5-13所示，三相變壓器作聯(lián)接（開關(guān)S₃打開時(shí)）。為阻值較小的串聯(lián)電阻，在上面引出空載電流信號。電源電壓經(jīng)開關(guān)S₁、調(diào)壓器和S₂接至變壓器高壓側(cè)，在外施電壓為和三種情況下，用示波器觀察空載電流、副邊相電勢和線電勢（圖中對應(yīng)于和），并記錄波形形狀。

    (2)聯(lián)接

    接線同上，當(dāng)開關(guān)S₃閉合后，原邊即為接法。重復(fù)前面過程，觀察空載電流、相電勢和線電勢的波形，并記錄其形狀。

    (3) 聯(lián)接

　　接線如圖5-14所示,當(dāng)副方繞組不構(gòu)成閉合三角形時(shí)，即開關(guān)S₃斷開，調(diào)節(jié)原方電壓至額定值，用示波器觀察原方相電勢波形及副方開口三角形電壓波形。

　　閉合開關(guān)S₃，則副方繞組接成三角形，調(diào)節(jié)原方電壓到額定值，觀察原邊相電勢波形及副邊三角形內(nèi)部諧波電流及其波形。

　　更換被試變壓器（若原來為芯式現(xiàn)應(yīng)改為組式），對上述內(nèi)容作適當(dāng)重復(fù)，并作分析對比。

  圖5-13  觀察和聯(lián)接三相      　圖5-14  聯(lián)接三相變壓器的

變壓器空載電流和電勢波形                  電勢、電流和開口電壓波形

四、實(shí)驗(yàn)報(bào)告要求

    1．將計(jì)算的各聯(lián)結(jié)組的值填入表5-1中，并與實(shí)際測量值比較。

    2．不對稱短路電流的計(jì)算值

    （1）單相短路

    副方電流 

    原方電流（忽略勵(lì)磁電流）

    式中為原、副方相電壓之比。以上計(jì)算值與實(shí)測值比較，并簡要分析二者差別之原因。討論聯(lián)接三相組式變壓器能否單相負(fù)載運(yùn)行。

（2）兩相短路

    副方電流 

    原方電流（忽略勵(lì)磁電流）

    式中仍為原、副方相電壓之比。把計(jì)算值與實(shí)測值作簡要分析比較。

    ３．每相零序阻抗的計(jì)算

    式中的是根據(jù)表5-3中取兩次測量的平均值而得，分別為變壓器的零序阻抗、電阻和電抗。

    分析三相芯式與組式變壓器零序阻抗不同的原因。

    ４．將不同鐵芯結(jié)構(gòu)和不同聯(lián)接方法時(shí)三相變壓器的空載電流和電勢波形（例如，正弦波或接近正弦波形、尖頂波、平頂波等）填入表5-4，并作簡要分析。

表5-4  空載電流和電勢波形

五、思考題

    1．如何根據(jù)三相變壓器聯(lián)結(jié)組標(biāo)號畫出對應(yīng)的相量圖和接線圖。

    2．說明校核聯(lián)結(jié)組的具體方法。

    3．為什么三相組式變壓器的三次諧波電勢比芯式的要大？

    4．如何用示波器觀察三相變壓器的電流波形？

    5．為什么三相組式變壓器比的三相芯式變壓器的中點(diǎn)移動(dòng)大？

    6．檢查三相變壓器聯(lián)結(jié)組別時(shí)，為什么必須臨時(shí)將、兩端點(diǎn)短接？若短接線內(nèi)部斷線會(huì)怎么樣？

    7．“”與“”聯(lián)結(jié)組別電壓相等時(shí)能否并聯(lián)？