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第5章 三相變壓器的聯(lián)結(jié)組與不對稱短路

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)


    高、低壓線圈之間的相電壓相位決定于兩個線圈的標號及其繞向,如圖5-1示。若高、低壓線圈的標號和繞向都相同(或都相反,圖略),則高、低壓側(cè)的相電壓
同相,這時我們說
兩點同極性。若只有標號(或繞向,圖略)反了,如圖5-2,則相電壓
的相位相反,這時我們說
兩點不同極性。

2.三相繞組的聯(lián)接方法

    把三個單相繞組聯(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,
、
、
分別套在不同的鐵芯柱上,把一個鐵芯柱上的上半個繞組與另一鐵芯柱上的下半個繞組反向串聯(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,國家標準GB1094-85中也被列為常用聯(lián)結(jié)組之一。


圖5-3  三相繞組聯(lián)接的基本形式

   (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)電機學(xué)理論,習(xí)慣上用“時鐘法”來表示高、低壓兩側(cè)間線電壓的相位關(guān)系。時鐘法是把高壓側(cè)線電壓的相量作為時鐘的分針,且其指向定在

點,低壓側(cè)對應(yīng)的線電壓的相量作為鐘表的時針,時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)組標號為
,而國家標準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
(又稱時鐘序數(shù)為
)。

    三相電力變壓器常用的聯(lián)結(jié)組標號是(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。圖中標號采用了國家標準中的有關(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,對高壓繞組分別以字母
表示,對中壓或低壓繞組分別以字母
表示。如果星形聯(lián)接或曲折形聯(lián)接的中性點是引出的,則分別以
表示。
屬高壓側(cè),
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(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。我國的標準“GB1094-85”也使用了此法?,F(xiàn)介紹如下,無論是

形、
形或
形聯(lián)接的繞組,其相量圖的三個頂點聯(lián)線,便可組成一個正三角形,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
,并用其中較長的線段(即高壓側(cè)的
)表示時鐘的分針,而用較短的線段(即低壓側(cè)
)表示時鐘的時針,那么這時的時針所顯示的小時數(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。因為兩個正三角形重心重合時,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)的鐘時序數(shù)和國標GB1094-85的規(guī)定的鐘時序數(shù)也基本相同,只是傳統(tǒng)的鐘時序數(shù)為

時,標準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)組標號對照表(摘自GB1094-85)

4.不對稱短路

    三相變壓器運行過程中,可能出現(xiàn)不平衡負載。最極端的情況是單相短路或兩相短路。這時變壓器內(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,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,變壓器在額定電壓時的勵磁電流波形根據(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。因為高次諧波中,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),磁通的波形是否為正弦,就要看該臺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。

實驗五  三相變壓器的聯(lián)結(jié)組與不對稱短路實驗

一、實驗?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、實驗內(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)接方法時的空載電流和電勢波形。

三、實驗說明及操作步驟

    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,而無其它任何標號時,如何知道或標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端頭,并測量每個線圈的電阻大小以判定高低壓繞組。暫定標記

。

    (2) 測定高壓線圈的相間極性時,先設(shè)

相標志正確,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
,若
,說明
相標記正確;若
,說明
相標記錯誤,應(yīng)將
相標記
互換。然后用同樣的方法判斷
相標記,這時就應(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               時的相量圖

  (4) 測定同一鐵芯柱的兩個線圈,按圖5-7接線。原副方中性點用一根導(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
)相等,而另一個電壓(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
同相,說明原副邊極性相同。當
時,表示
反相位,說明原副邊不同極性,則副線圈的標記
兩兩對調(diào)。

圖 5-9 

(即
)聯(lián)結(jié)組

2. 校驗聯(lián)結(jié)組

    (1)

  (即
)

    按圖5-9接線,圖中

兩點用導(dǎo)線相連,說明相量圖的
兩點重合,以便根據(jù)幾何關(guān)系得出某聯(lián)結(jié)組的校核計算式(表5-1中的
計算公式)。

    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的實測值欄。同時用電壓比(指原、副邊線電壓之比)
代入表5-1中的對應(yīng)公式,算出的值填入計算值欄。如果測出的數(shù)值與計算值符合,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

聯(lián)結(jié)組時需將被試變壓器的副方線圈首末端的標號人為對調(diào),即原
,原
,原
作為輸入端,原
,且將
點和副方調(diào)換后的
點(即原
點)短接,方可進行測量。

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

    c.對于

(即
)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
。同樣也要將原、副方的
兩點短接。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
形接法后的線電壓。


   

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


3*.三相變壓器的不對稱短路

 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)

  短路類型

 

 

單相短路

                   

兩相短路

                   

    (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,這時流入各相繞組的電流大小相等,相位相同,相當于三相零序電流。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
兩點時,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,由于三相磁路獨立而互不相關(guān),故可用其中一臺單相變壓器的空載實驗來測定。

表5-3   零序阻抗測定數(shù)據(jù)

     序    號

    

(A)

     

(W)

     

(V)

        1

     

        2

     

    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)時的空載電流和電勢波形

    該實驗內(nèi)容可通過指導(dǎo)教師的演示或觀看電機實驗的“系列電教片”中關(guān)于“三相芯式和組式變壓器不同聯(lián)接方法時的空載電流和電勢波形”,讓學(xué)生在實驗課中用“電機學(xué)”的知識邊看邊分析

、
、
聯(lián)接時,并在外施電壓為
時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。

    該實驗也可作為個別同學(xué)的選做實驗。實驗操作情況如下述:

    (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)。
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
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
),并記錄波形形狀。

    (2)

聯(lián)接

    接線同上,當開關(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,當副方繞組不構(gòu)成閉合三角形時,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)容作適當重復(fù),并作分析對比。

  圖5-13  觀察

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、實驗報告要求

    1.將計算的各聯(lián)結(jié)組的

值填入表5-1中,并與實際測量值比較。

    2.不對稱短路電流的計算值

    (1)

單相短路

    副方電流 

    原方電流(忽略勵磁電流)

   

    式中

為原、副方相電壓之比。以上計算值與實測值比較,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載運行。

(2)

兩相短路

    副方電流 

    原方電流(忽略勵磁電流)

   

    式中

仍為原、副方相電壓之比。把計算值與實測值作簡要分析比較。

    3.每相零序阻抗的計算

    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

     聯(lián)接

被測物理量

       

       

       

   組

   式

  芯

   式

  組

   式

  芯

   式

  組

   式

   芯

   式

 空載電流

           

 相電壓

           

 線電壓

           

五、思考題

    1.如何根據(jù)三相變壓器聯(lián)結(jié)組標號畫出對應(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移動大?

    6.檢查三相變壓器聯(lián)結(jié)組別時,為什么必須臨時將

兩端點短接?若短接線內(nèi)部斷線會怎么樣?

    7.“

”與“
”聯(lián)結(jié)組別電壓相等時能否并聯(lián)?

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