第6章特殊变压器2学时

1、电机学电机学第第6章章 特殊变压器特殊变压器2* *6.1 6.1 三绕组变压器三绕组变压器6.2 6.2 自耦变压器自耦变压器* *6.3 6.3 分裂变压分裂变压器器 内容内容 6.4 6.4 互感器互感器 要求要求 掌握各种特殊变压器的特点、用途、应用场合。掌握各种特殊变压器的特点、用途、应用场合。* *6.1 6.1 三绕组变压器三绕组变压器一、结构与联结组别一、结构与联结组别 1. 结构结构2. 标准联结组别标准联结组别: YN,yn0,d11 ; YN,yn0,y0。从绝缘考虑，高压绕组总是放在最外层。从绝缘考虑，高压绕组总是放在最外层。从功率传递考虑，相互间传递功率较多的绕组应靠

2、得近些。从功率传递考虑，相互间传递功率较多的绕组应靠得近些。用一台三绕组变压器代替两台双绕组变压器用一台三绕组变压器代替两台双绕组变压器来连接三个电压等级不同的电网。来连接三个电压等级不同的电网。降压变压器：中压绕组在中层，低压绕组在内层。降压变压器：中压绕组在中层，低压绕组在内层。升压变压器：低压绕组在中层，中压绕组在内层。升压变压器：低压绕组在中层，中压绕组在内层。三绕组变压器：三绕组变压器： S1 、S2、S3不等，不等， 额定容量：额定容量： 指最大的绕组容量。指最大的绕组容量。国家标准规定：三绕组额定容量配合关系有三种：国家标准规定：三绕组额定容量配合关系有三种：二、额定容量与容量配

3、合二、额定容量与容量配合双绕组变压器：双绕组变压器：SN = S1 = S2高压高压绕组绕组中压中压绕组绕组低压低压绕组绕组1001001001005010010010050100表示额定容量，表示额定容量，50表示表示50%额定容量。额定容量。 P1=P2+P3（一进二出）（一进二出）P1+P2=P3（二进一出）（二进一出）实际运行时实际运行时的功率关系的功率关系在实际应用中，选择哪种配合，要根据各绕组负载大小决定。在实际应用中，选择哪种配合，要根据各绕组负载大小决定。例如，当中压侧负载为额定容量的例如，当中压侧负载为额定容量的80% 低压侧负载为额定容量的低压侧负载为额定容量的40%时时应

4、选择第三种配合。应选择第三种配合。* *6.1 6.1 三绕组变压器三绕组变压器三、变比与磁通三、变比与磁通三绕组变压器有三个变比：三绕组变压器有三个变比： NNNNNNUUNNkUUNNkUUNNk323223313113212112主磁通：是指与三个绕组同时交链的磁通，由三个绕组磁动势共同建立。主磁通：是指与三个绕组同时交链的磁通，由三个绕组磁动势共同建立。 漏磁通：是指只交链一个或两个绕组的磁通，前者叫自漏磁通，后者叫互漏磁通。漏磁通：是指只交链一个或两个绕组的磁通，前者叫自漏磁通，后者叫互漏磁通。 * *6.1 6.1 三绕组变压器三绕组变压器 四、磁动势平衡方程式与等效电路四、磁动势

5、平衡方程式与等效电路负载时的磁动势平衡方程式为负载时的磁动势平衡方程式为10332211NINININI 中压绕组中压绕组2低压绕组低压绕组3折算到高压绕组折算到高压绕组10321IIII 1222/ kII 1333/ kII 0I很小，可忽略不计很小，可忽略不计 0321 III)(321III 三绕组变压器的等效电路321XXX 、它与自漏磁通和互漏磁通相对应。它与自漏磁通和互漏磁通相对应。 是等效漏电抗，是等效漏电抗，* *6.1 6.1 三绕组变压器三绕组变压器（1） 一次电流为二、三次电流的相量和。由于二、三次电流不一定同一次电流为二、三次电流的相量和。由于二、三次电流不一定同相，

6、且不会同时达到满载，所以一次绕组容量总是小于二、三次绕组容量相，且不会同时达到满载，所以一次绕组容量总是小于二、三次绕组容量的代数和。因此，用一台三绕组变压器来代替两台双绕组变压器，一次绕的代数和。因此，用一台三绕组变压器来代替两台双绕组变压器，一次绕组的用铜量减少。组的用铜量减少。（2）由等效电路可知，一次侧漏阻抗压降会直接影响二、三次侧的主电动）由等效电路可知，一次侧漏阻抗压降会直接影响二、三次侧的主电动势，进而影响二、三次侧的端电压。故当二次侧负载发生变化时（使一次侧势，进而影响二、三次侧的端电压。故当二次侧负载发生变化时（使一次侧漏阻抗压降发生变化），不仅影响本侧端电压，而且还会影响三

7、次侧的端电漏阻抗压降发生变化），不仅影响本侧端电压，而且还会影响三次侧的端电压。同理，三次侧负载发生变化时，也会影响二次侧端电压。压。同理，三次侧负载发生变化时，也会影响二次侧端电压。三绕组变压器的两个特点：三绕组变压器的两个特点：* *6.1 6.1 三绕组变压器三绕组变压器 五、参数测定五、参数测定 短路参数可通过短路试验测取。由于有三个绕组，短路试验必须分三次进行。短路参数可通过短路试验测取。由于有三个绕组，短路试验必须分三次进行。1. 绕组绕组1加电压，加电压，2短路，短路，3开路开路2112s2112sXXXRRR2.绕组绕组1加电压，加电压，3短路，短路，2开路开路3113s311

8、3sXXXRRR3.绕组绕组2加电压，加电压，3短路，短路，1开路开路323s2323s2XXXRRR折算到折算到绕组绕组 1的参数的参数折算到折算到绕组绕组 1的参数的参数折算到折算到绕组绕组 2的参数的参数* *6.1 6.1 三绕组变压器三绕组变压器折算到绕组折算到绕组1: 232123s2sRkR232123s2sXkX)(21)(21)(21122313313231222313121sssssssssRRRRRRRRRRRR)(21)(21)(21122313313231222313121sssssssssXXXXXXXXXXXX对以上三式联立求解，可得对以上三式联立求解，可得 中压

9、绕组在中间，高、低压绕组距离最大，漏磁通最多，中压绕组在中间，高、低压绕组距离最大，漏磁通最多， 13sX最大，最大， 2X 最小。最小。 对于降压变压器：对于降压变压器：低压绕组在中间，高、中压绕组距离最大，漏磁通最多，低压绕组在中间，高、中压绕组距离最大，漏磁通最多， 12sX最大，最大， 3X 最小。最小。 对于升压变压器：对于升压变压器：就是说，位于中间层的绕组等效漏电抗最小。就是说，位于中间层的绕组等效漏电抗最小。 * *6.1 6.1 三绕组变压器三绕组变压器6.2 6.2 自耦变压器自耦变压器、结构特点与用途低压绕组是高压绕组的一部分，低压绕组是高压绕组的一部分，一、二次绕组之间

10、既有磁耦合，一、二次绕组之间既有磁耦合，又有电联系。又有电联系。 结构特点结构特点:U1U2为一次绕组，匝数为为一次绕组，匝数为 N1 ；u1u2为二次绕组，匝数为为二次绕组，匝数为 N2，又称为公共绕组；，又称为公共绕组；U1u1称为串联绕组，匝数为称为串联绕组，匝数为 N1- -N2 。 用途：用途：用来连接两个电压等级相近的电力网，作为两电网的联络变压器；用来连接两个电压等级相近的电力网，作为两电网的联络变压器； 在实验室中常采用二次侧有滑动触头的自耦变压器作为调压器；在实验室中常采用二次侧有滑动触头的自耦变压器作为调压器； 异步电动机的降压起动设备。异步电动机的降压起动设备。二、基本电

11、磁关系1电压关系2电流关系44.4=44.4=m222m111fNEUfNEU212121=UUNNEEka变比变比=1.520=+102211NININI221211=IkINNIa反反相相位位）与与（21II22221)11 (=+1=+=IkIIkIIIaa同同相相位位）与与（2II12+=III 大小关系为：I: 通过电磁感应在低压侧产生的，称感应电流；通过电磁感应在低压侧产生的，称感应电流； I1: 从高压侧直接流入低压侧的，称传导电流。从高压侧直接流入低压侧的，称传导电流。6.2 6.2 自耦变压器自耦变压器3容量关系N2N2N11NN=IUIUS自耦变压器额定容量自耦变压器额定容

12、量 串联绕组串联绕组U1u1的容量的容量NN1N1121N1U1u1U1u1)11 (=SkIUNNNIUSa公共绕组公共绕组u1u2的容量的容量NN2N2u1u2u1u2)11 (=)11 (=SkkIUIUSaa变压器的额定容量变压器的额定容量(铭牌容量铭牌容量)是由绕组容量（又称电磁容量或设计容量）决定的。是由绕组容量（又称电磁容量或设计容量）决定的。 双绕组变压器：一、二次绕组只有磁联系，没有电联系，功率传递只靠电磁感应，双绕组变压器：一、二次绕组只有磁联系，没有电联系，功率传递只靠电磁感应， 额定容量等于一次绕组容量或二次绕组容量。额定容量等于一次绕组容量或二次绕组容量。自自 耦耦

13、变变 压压 器：一、二次绕组既有磁联系又有电联系。功率传递一部分是靠电磁器：一、二次绕组既有磁联系又有电联系。功率传递一部分是靠电磁 感应，一部分是直接传导，二者之和是额定容量。感应，一部分是直接传导，二者之和是额定容量。6.2 6.2 自耦变压器自耦变压器可见，自耦变压器的绕组容量（电磁容量）是额定容量的可见，自耦变压器的绕组容量（电磁容量）是额定容量的 倍，倍， )11 (ak故自耦变压器的绕组容量小于额定容量。故自耦变压器的绕组容量小于额定容量。 1ak因为因为自耦变压器输出容量可表示为自耦变压器输出容量可表示为22122122221+)11 (=+=)+(=SkSkIUIUIIUIUS

14、aa22)11 (=SkIUa2121=SkIUa为电磁容量，是通过电磁感应从一次传给二次的为电磁容量，是通过电磁感应从一次传给二次的; 为传导容量，是由电源经串联绕组直接传给二次的。为传导容量，是由电源经串联绕组直接传给二次的。 211IkIa2)11 (=IkIa考虑：考虑：6.2 6.2 自耦变压器自耦变压器三、自耦变压器的优、缺点1优点（1）节省材料）节省材料变压器重量和尺寸是由绕组容量决定，变压器重量和尺寸是由绕组容量决定， 因为绕组容量是额定容量的因为绕组容量是额定容量的 倍，倍， )11 (akak愈接近愈接近1， )11 (ak 愈小，绕组容量愈小，这一优点愈突出。愈小，绕组容

15、量愈小，这一优点愈突出。（2）效率较高）效率较高 与同容量双绕组变压器相比，由于自耦变压器所用有效材料（硅钢片和铜材）与同容量双绕组变压器相比，由于自耦变压器所用有效材料（硅钢片和铜材） 较少，所以自耦变压器的铜损耗和铁损耗相应较少，因此效率较高。较少，所以自耦变压器的铜损耗和铁损耗相应较少，因此效率较高。 2. 缺点（1）由于一、二次有电连接，当一次侧发生过电压时，导致二次侧过电压；）由于一、二次有电连接，当一次侧发生过电压时，导致二次侧过电压；（2）自耦变压器短路阻抗标么值比同容量双绕组变压器小，其短路电流较大。）自耦变压器短路阻抗标么值比同容量双绕组变压器小，其短路电流较大。6.2 6.

16、2 自耦变压器自耦变压器* *6.3 6.3 分裂变压器分裂变压器、结构特点与用途 两个分裂绕组可以单独运行，也可以同时运行，两个分裂绕组可以单独运行，也可以同时运行， 当电压相等时还可以并联运行。当电压相等时还可以并联运行。低压绕组是低压绕组是电路上彼此分离电路上彼此分离磁路上松散耦合磁路上松散耦合两个分裂绕组。两个分裂绕组。1结构特点结构特点（以单相双分裂绕组变压器为例）（以单相双分裂绕组变压器为例）高压绕组由两条支路并联组成（并非分裂绕组）。高压绕组由两条支路并联组成（并非分裂绕组）。低压两个分裂绕组的特点低压两个分裂绕组的特点: 结构相同、容量相等，两个绕组容量之和等于结构相同、容量相

17、等，两个绕组容量之和等于高压绕组的额定容量，即分裂变压器的额定容量。高压绕组的额定容量，即分裂变压器的额定容量。两个分裂绕组的额定电压可以相等，或近似相等。两个分裂绕组的额定电压可以相等，或近似相等。两个分裂绕组分别套在两个铁心柱上，使其具有较大的短路阻抗；两个分裂绕组分别套在两个铁心柱上，使其具有较大的短路阻抗；高压两个并联绕组分别与两个分裂绕组套在同一铁心柱上，使其短路阻抗较小且相等。高压两个并联绕组分别与两个分裂绕组套在同一铁心柱上，使其短路阻抗较小且相等。两个分裂绕组之间要有较大的短路阻抗（漏阻抗）；两个分裂绕组之间要有较大的短路阻抗（漏阻抗）；分裂绕组与不分裂绕组之间要有较小的短路阻

18、抗，且相等。分裂绕组与不分裂绕组之间要有较小的短路阻抗，且相等。因此把因此把2用途二是作为输电二是作为输电变压器，即两变压器，即两台发电机共用台发电机共用一台分裂变压一台分裂变压器向电网输送器向电网输送电能。电能。主要应用在大型发电厂中。主要应用在大型发电厂中。 一是作为一是作为厂用变压厂用变压器，向两器，向两段独立的段独立的厂用电母厂用电母线供电。线供电。分裂变压器要求绕组之间应具有以下特点：分裂变压器要求绕组之间应具有以下特点：* *6.3 6.3 分裂变压器分裂变压器 因为分裂变压器各绕组之间具有较大的短路阻抗，所以因为分裂变压器各绕组之间具有较大的短路阻抗，所以 （1）当发生短路故障时

19、，它可以有效地限制短路电流。）当发生短路故障时，它可以有效地限制短路电流。 （2）当一个分裂绕组出线端发生短路时，另一个分裂绕组）当一个分裂绕组出线端发生短路时，另一个分裂绕组出线端仍能维持较高的电压，从而可以保证供电的可靠性。出线端仍能维持较高的电压，从而可以保证供电的可靠性。采用分裂变压器的好处：采用分裂变压器的好处：* *6.3 6.3 分裂变压器分裂变压器 1穿越运行及穿越阻抗sZ当低压的两个分裂绕组并联成一个绕组对高压绕组运行时，称为当低压的两个分裂绕组并联成一个绕组对高压绕组运行时，称为穿越运行，穿越运行，此时的高、低压绕组之间的短路阻抗称为此时的高、低压绕组之间的短路阻抗称为穿越

20、阻抗穿越阻抗 。2半穿越运行及半穿越阻抗二、运行方式与特殊参数低压的一个分裂绕组对高压绕组运行（另一个分裂绕组开路）称为低压的一个分裂绕组对高压绕组运行（另一个分裂绕组开路）称为半穿越运行半穿越运行，此时高、低压绕组之间的短路阻抗称为此时高、低压绕组之间的短路阻抗称为半穿越阻抗半穿越阻抗 。 bZ3分裂运行及分裂阻抗高压绕组开路，低压的一个分裂绕组对另一个分裂绕组运行时，称为高压绕组开路，低压的一个分裂绕组对另一个分裂绕组运行时，称为分裂运行分裂运行，此，此时两个分裂绕组之间的短路阻抗（折算到高压侧）称为时两个分裂绕组之间的短路阻抗（折算到高压侧）称为分裂阻抗分裂阻抗 。 fZ4分裂系数43

21、sffZZk是分裂变压器的基本参数，既用来定性分析分裂变压器的特性，又作为设计指标。是分裂变压器的基本参数，既用来定性分析分裂变压器的特性，又作为设计指标。 * *6.3 6.3 分裂变压器分裂变压器三、等效电路 )(21)(21)(21122313313231222313121sssssssssZZZZZZZZZZZZ双分裂绕组变压器实质上是三绕组变压器，二者等效电路及参数公式相同。双分裂绕组变压器实质上是三绕组变压器，二者等效电路及参数公式相同。为绕组为绕组3开路，绕组开路，绕组1对对2的短路阻抗；的短路阻抗； 12sZ13sZ为绕组为绕组2开路，绕组开路，绕组1对对3的短路阻抗；的短路阻

22、抗； 23sZ为绕组为绕组1开路，绕组开路，绕组2对对3的短路阻抗折算到绕组的短路阻抗折算到绕组1的值。的值。 * *6.3 6.3 分裂变压器分裂变压器1312ssZZ32ZZ由结构特点可知：由结构特点可知：sffsZkZZ 23由阻抗定义可知：由阻抗定义可知：sffsZkZZZZ221212332故故sfsZkZZZZZZZ421/121321穿越阻抗为：穿越阻抗为：sfsfsZkZkZZ)41 (41故故sfsfZkZZZkZ2)41 (321即即 等效电路参数可由等效电路参数可由穿越阻抗穿越阻抗 sZfk分裂系数分裂系数求得。求得。sZ可用短路试验测取，可用短路试验测取，fk为设计值，

23、在为设计值，在14之间。之间。* *6.3 6.3 分裂变压器分裂变压器fk 大小反映了两个分裂绕组的磁耦合程度大小反映了两个分裂绕组的磁耦合程度:sfsfZkZZZkZ2)41 (321032ZZ0fk若若sZZ 1则则表明两个分裂绕组磁耦合最紧密（没有漏磁通）。表明两个分裂绕组磁耦合最紧密（没有漏磁通）。023 ZZf如果分裂变压器的任何一个二次侧发如果分裂变压器的任何一个二次侧发生短路，则另一个二次侧端电压也将生短路，则另一个二次侧端电压也将降为零，这就违背了采用分裂变压器降为零，这就违背了采用分裂变压器的目的，因此是不可取的。的目的，因此是不可取的。32UU此时此时* *6.3 6.3

24、 分裂变压器分裂变压器sfsfZkZZZkZ2)41 (3214fk若若01Z则则sZZZ232ssfZZZZZ43223（最大）（最大） 表明两个分裂绕组磁耦合最弱（漏磁通最多）。表明两个分裂绕组磁耦合最弱（漏磁通最多）。这时分裂变压器的运行特性最为理想，这时分裂变压器的运行特性最为理想，犹如两台互不影响的独立变压器在运行。犹如两台互不影响的独立变压器在运行。 一个分裂绕组负载变化只会引起本身端电压变化，一个分裂绕组负载变化只会引起本身端电压变化，而对另一个分裂绕组端电压没有影响。而对另一个分裂绕组端电压没有影响。 而且限制短路电流的效果也是理想的。而且限制短路电流的效果也是理想的。 01Z

25、制造上是不能实现的，因此设计时取制造上是不能实现的，因此设计时取 5 . 3fk但但* *6.3 6.3 分裂变压器分裂变压器四、主要优点为例说明分裂变压器的优点为例说明分裂变压器的优点 5 . 3fk以以 sZZ125.01sfsfZkZZZkZ2)41 (321sbZZZZ875. 121sZZZ75. 132ssffZZkZ5 . 3因此分裂变压器具有以下优点：因此分裂变压器具有以下优点： 分裂阻抗分裂阻抗fZ半穿越阻抗半穿越阻抗bZ均比一般变压器短路阻抗均比一般变压器短路阻抗 大大sZ1可以降低短路电流可以降低短路电流 半穿越运行短路电流受半穿越运行短路电流受 限制限制sbZZ875.

26、 1sfZZ5 . 3分裂运行短路电流受分裂运行短路电流受 限制限制故短路电流将大大减小。故短路电流将大大减小。一般变压器短路电流受一般变压器短路电流受 限制限制sZ，短路电流较大。，短路电流较大。* *6.3 6.3 分裂变压器分裂变压器2可以提高供电可靠性可以提高供电可靠性一个分裂绕组发生短路时，另一分裂绕组仍能保一个分裂绕组发生短路时，另一分裂绕组仍能保持有较高的电压（又称残余电压），可继续供电，持有较高的电压（又称残余电压），可继续供电，从而提高了厂用电的供电可靠性。从而提高了厂用电的供电可靠性。 03U如绕组如绕组3发生短路发生短路 32II2I忽略忽略131302UZZZUU1)7

27、5. 1125. 0(75. 1UZZss193.0U残余电压残余电压通常发电厂要求残余电压不低于通常发电厂要求残余电压不低于65额定电压，额定电压，因此，分裂变压器可以大大提高厂用电的可靠性。因此，分裂变压器可以大大提高厂用电的可靠性。 3fk即使分裂系数取较小值即使分裂系数取较小值 1286.0UU* *6.3 6.3 分裂变压器分裂变压器6.4 6.4 互感器互感器电流互感器：实现用小量程电流表测量大电流电流互感器：实现用小量程电流表测量大电流 电压互感器：实现用小量程电压表测量高电压电压互感器：实现用小量程电压表测量高电压分分一、电压互感器1工作原理工作原理一次匝数多，接电网；二次匝数

28、少，接电压表。一次匝数多，接电网；二次匝数少，接电压表。 电压表阻抗很大，相当于降压变压器空载运行。电压表阻抗很大，相当于降压变压器空载运行。 2121u=NNUUk电压变比：电压变比： 2u1=UkU被测电压：被测电压：2uUk1U若电压表盘按若电压表盘按 来刻度，可直接读出被测电压来刻度，可直接读出被测电压 电压互感器二次侧额定电压都统一设计成电压互感器二次侧额定电压都统一设计成100V。 2电压互感器的误差电压互感器的误差电压互感器的准确度级别有四级：电压互感器的准确度级别有四级：0.2、0.5、1.0、3.0。 3使用电压互感器应注意的问题使用电压互感器应注意的问题 （1）电压互感器）电压互感器二次侧严禁短路二次侧严禁短路，否则将产生很大的短路电流。为，否则将产生很大的短路电流。为防止二次侧短路，电压互感器一、二次回路中应串接熔断器。防止二次侧短路，电压互感器一、二次回路中应串接熔断器。误差是由误差是由 之间的变比误差和相角误差引起的。之间的变比误差和相角误差引起的。 2