三相变压器

三相变压器在大负荷供电和大配电时更经济。虽然大部分的用电设备都采用单相变压器连接,但在经济上并不适合大型配电。

三相电源几乎应用于发电、输配电等电力系统的所有领域,也应用于所有工业部门。因此,要在三相系统中提高(或增加)或降低(或减少)电压,就要使用三相变压器。与单相变压器相比,三相变压器具有体积小、重量轻、运行性能好等诸多优点。

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三相变压器

三相变压器

三相变压器用于电力系统各阶段的高压升压或降压。各电站产生的电力为三相,电压在13.2KV或22KV之间。为了减少配电端的功率损耗,功率以132或400KV等稍高的电压传输。因此,为了传输更高电压的电力,采用三相升压变压器来提高电压。同样在输配电的末端,这些高电压被降压到6600、400、230伏等水平。为此,采用了三相降压变压器。

三相变压器可以用两种方式制造;一组三台单相变压器或三相变压器的单个单元。

前者是由三个具有相同额定和运行特性的单相变压器适当连接而成。在这种情况下,如果故障发生在任何一台变压器,系统仍然保持在减少容量的其他两台变压器与开放的三角连接。因此,供电的连续性是由这种类型的连接来维持的。这些用于矿山,因为更容易运输单个单相变压器。

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不需要使用三个单相变压器,只需在一个共同的多腿铁芯上使用一个由六个绕组组成的单相变压器就可以构建一个三相组。由于这一单一单元,重量和成本都比三个相同等级的单元和绕组减少了,铁芯和绝缘材料中的铁量也得到了节省。安装单个机组所需的空间比安装三个机组组要小。但单机组三相变压器的唯一缺点是,如果故障发生在任何一个相,那么整个机组必须从服务中移除。

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三相变压器的施工

一次绕组和二次绕组均使用同一磁芯可构成三相变压器。正如我们讨论的单相变压器的情况,结构可以是铁芯型或壳型。因此,对于一组三相铁心型变压器,需要将三个铁心型单相变压器组合在一起。同样,将三个壳型单相变压器适当组合,可得到一组三相壳型变压器。在壳型变压器中,EI叠层铁芯围绕线圈,而在铁芯型变压器中,线圈围绕铁芯。

核心式结构

在铁心式三相变压器中,铁心由三个支腿和两个轭组成。磁路是在这些轭和肢体之间形成的。在每条肢体上,主、次绕组均同心损伤。圆形圆柱线圈被用作这种类型变压器的绕组。同一阶段的初级和次级绕组在一条腿上受伤。在平衡条件下,腿的每相磁通量加起来为零。因此,在正常情况下,不需要回程。但在负载不平衡的情况下,高循环电流流动,因此可能最好使用三个单相变压器。

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薄壳结构

与铁心型变压器相比,壳型变压器中三相之间的独立性更强,因为每相都有独立的磁路。这种结构类似于建立在另一个之上的单相壳型变压器。这种变压器的磁路是并联的。因此,一般磁路的饱和效应被忽略了。然而,壳型构造变压器在实际中很少使用。

三相变压器
壳式

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三相变压器的工作

考虑下图中变压器的一次电源以星形方式连接在铁心上。为简单起见,图中只显示了通过三相交流电源连接的初级绕组。三个核心以彼此120度的角度排列。每个核心的空腿结合在一起,形成如图所示的中心腿。

变压器的工作
变压器的工作

当一次电源与三相电源相激励时,电流IR、IY和IB开始流经各个相绕组。这些电流在各自的磁芯中产生磁通ΦR, ΦY和ΦB。由于中心支腿对所有核心都是通用的,所有三个通量的总和都由它携带。在三相系统中,任何时刻所有电流的矢量和为零。反过来,在同一时刻所有通量的总和是相同的。因此,中心腿在任何时刻都不携带任何通量。因此,即使去掉了中心支柱,对变压器的其他条件也没有影响。

同样地,在三相系统中,任何两个导体作为第三导体的电流的回流,如果在三相变压器的情况下去掉中心腿,则任何两个腿作为第三腿的通量的回流路径。因此,在设计三相变压器时,采用了这一原理。

这些磁通在各自的相位中诱发二次电动势,使它们保持它们之间的相位角。这些电动势驱动二次发电机中的电流,从而驱动负载。根据所使用的连接类型和每个相的匝数,为获得升压或降压电压,感应电压将有所不同。

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三相变压器连接

如上所述,无论是通过单个三相变压器还是通过三个单相变压器组合,都可以实现三相转换。无论使用三相变压器的三个绕组还是三个单相变压器的三个绕组,三相变压器的绕组连接方式都是一样的。初级和次级绕组以不同的方式连接,如三角形或星形或这两者的组合。三相变压器的额定电压和额定电流取决于合适的连接。最常用的连接是

  • 星形三角
  • 三角星形
  • δ
  • 星形星形

星型-三角线

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这种类型的连接通常用于将输电端变电站的电压降至较低的值。公用事业公司使用这种连接来降低配电系统的电压水平。

  • 其中,变压器的一次绕组采用星形连接,二次绕组采用三角连接。
  • 在主要或高压侧的中性点可以接地,这在大多数情况下是可取的。
  • 二次和一次线路电压比为1/√3乘以每个变压器的变换比。
  • 一次线电压和二次线电压之间存在30度相位差。
  • 由于一次线圈的实际电压为一次线路电压的58%,使用该绕组可降低高压绕组的绝缘要求。
  • 在这种连接中,在二次或低压侧获得平衡的三相电压,即使不平衡电流由于零线在一次或高压侧流动。零线接地还提供防雷防雷。

三角-星形连接

三角洲明星

  • 这种连接用于提高电压水平,通常用于高压传输系统的发送端或启动端。
  • 在这种情况下,一次电源以三角方式连接,二次电源以星形方式连接,从而使三相4线系统在二次电源上成为可能。
  • 到负载的二次电压是连接的一次电压的√3倍。由于串联电路相同,负载和二次电流也会相同。
  • 这种连接提供了三个单相电路在较低和较高的电压和一个三相电路在较高的电压,以供单相和三相负载。
  • 双电压得到三角星型连接。低单相电压可通过任何相位与地面之间的接线获得。通过在任何两相之间布线可获得较高的单相电压。通过将所有三相连接到负载,得到三相电压。
  • 高压侧的绝缘要求降低,由于星(每相匝数更少)连接二次。
  • 类似于星三角,这种连接导致在主从线电压之间产生30度相位差。
  • 采用这种连接方式,由于一次和二次电压相位差的关系,不可能与三角变压器和星形变压器并联。

δ

δδ

  • 当电源为三角连接,二次负载需要单电压大电流时,采用这种连接方式。这通常用于三相电力负载(如三相电机)。
  • 在这种情况下,初级和次级绕组都以三角方式连接。
  • 负载上的电压等于二次电压,一次绕组上的电压等于源电压。在这种情况下,通过负载的电流将是二次电流的1.732倍,馈线电流将等于通过一次绕组电流的1.732倍。由于这些高的电源和负载电流,建议将变压器放置得更靠近电源和负载电路。
  • 在这种情况下,一次电压和二次电压之间不存在相位差。
  • 三相电压即使在不平衡负载下也保持恒定,因此允许不平衡负载。
  • 这种连接的主要优点是,如果其中一个变压器有缺陷或被拆除(开放三角连接),那么其余两个变压器继续在降低负载能力的情况下提供相功率。

星-星连接

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  • 在这种情况下,初级和次级绕组都是星形连接,而且初级和次级电压之间不存在相位差。
  • 在这种情况下,流过一次绕组和二次绕组的电流等于它们所连接的线路的电流(电源和负载)。两端线相之间的电压等于各自绕组电压的1.732倍。
  • 由于中性可用性,它很适合三相四线制。
  • 这种类型的连接在负载均衡的情况下能令人满意地工作。但如果负载不平衡,中性点的偏移会导致相电压不相等。
  • 在没有中性点接线的一次绕组和二次绕组中都会出现较大的三次谐波电压。这可能导致绝缘失效。
  • 这种连接对通信线路产生了相当大的干扰,因此在这种连接配置下,电话线不能并行运行。
  • 由于这些缺点,星-星连接很少被使用,在实践中没有得到应用。

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斯科特连接

  • 此连接用于使用两个单相变压器将三相电源转换为两相电源。
  • 其中一个变压器称为主变压器,具有中心或50%抽头,连接在三相电线的两条线之间。另一台变压器称为引脚变压器,引脚为86.6分接,连接在第三相导线和主变压器的50%分接之间。
  • 每个变压器的二次绕组提供两相系统的相位。
  • 如果两个变压器在二次绕组上的匝数相等,则两个变压器中的二次电压的幅值将相等。产生的电压彼此相差90度。
  • 该连接主要用于为两相电机供电。

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三相变压器的优点

  • 预先连接并准备好安装,可以更容易地安装它们。
  • 为了提供相同的KVA,与三台单相变压器相比,所需的核心材料要少得多。
  • 它更轻更小。
  • 它需要更少的安装空间。
  • 更高的效率
  • 与三相变压器相比,成本较低。
  • 交通方便,而且运输成本低。
  • 单相三相机组的母线结构和开关柜安装更简单。
  • 相比三个单相变压器的六个端子,一个三相变压器只需要拿出三个端子。

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三相变压器的缺点

在故障或单相丢失的情况下,导致整个机组关闭。这是因为在三相变压器中,所有三个单元共享一个共同的核心。如果一个单元有缺陷,这个缺陷单元的核心将立即饱和,因为没有相反的磁场。这导致更大的磁通量从堆芯逃逸到金属外壳。这进一步提高了金属部件的加热,在某些情况下,这种热量足以引起火灾。因此,一个三相变压器(或整个机组)必须关闭,如果任何一个相位是有缺陷的。

  • 三相变压器的维修费用较高。
  • 为了恢复服务,备用机组的成本比单个变压器备用机组要高。
  • 当它们自冷时,变压器的容量就会降低。

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