第六章 电力系统中的特种变压器1

第8章自耦变压器、三绕组变压器和互感器•变压器的种类很多，除双绕组变压器外，•还有三绕组变压器、自耦变压器和特殊用途变压器，比如PT，CT。•本章重点：介绍常用的三绕组变压器、自耦变压器、仪用互感器的原理及特点。§8.1自耦变压器•自耦变压器：原、副边共用一部分绕组的变压器。•如图所示。•其中a)为结构示意图，b)为绕组接线图。录像1•一、自耦变压器的基本概念•如图所示，有一台双绕组变压器变比k=N1/N2=150/100=1.5在高压绕组100匝抽头处c端与低压绕阻c’端等电位，将他们相连，如图b)所示，对变压器无影响，传递功率仍为1.5kVA,进而将cb与c’b合并，公共线上流过I=I2-I1=5A，如图C)所示这是一台额定容量为1.5KVA变压器,消耗的材料相当于一台SN=0.5KVA的双绕组变压器,如图d)所示,采用自耦变压器可节约材料,经济性好.录像1（一）自耦变压器中电压，电流和功率关系•1．原副边电压和电流关系•忽略漏阻抗压降，原、副边电压关系为u1/u2=E1/E2=ka或u2=u1/ka，•ka自耦变压器的变比。•在自耦变压器中，I1仅沿ac段，沿公共绕组cb中流过的I是原、副边电流的相量之差。•忽略激磁电流，按磁动势平衡关系可得III210INNNI2211即由此看出，自耦变压器中原、副边电压和电流关系与普通双绕组变压器相同，区别只是原、副边有一段公共绕组，因而它们不仅有磁的关系，还有电的联系。0NININNI222121111220ININIkIINNI'2A221212．自耦变压器中的功率传递•当忽略变压器内部损耗时，•从原边输入自耦变压器的功率S1=U1I1全部由副边输出:一部分经过电磁感应作用传递•另一部分直接电传递•S1-Sac=S1/ka=U2I1•S1相当自耦变压器的额定容量，•Sac称自耦变压器计算容量（或称绕组容量）121111(1)acNacacNNaNNSUUSIIkN二、自耦BT的基本方程和等效电路从降压自耦BT电路图可写出电动势方程式。1211212222221221111NNN1aacaakIkEEEEukZZEEIIZEI1121acuuZEI(1)(2)(3)式中z2代表未经折算的ax部分绕组的漏阻抗,z1代表Aa部分的漏阻抗。把(1)(2)带入(3)式得其中为从高压侧测得自耦变压器的短路阻抗。1122121221121222111111aaakaaaaukuZEIkukuZZIIkukkuZZZIIZkZZaka2211根据上式画出等效电路如图所示U1E1EaE2II2I1U2ZlU1I1ZKa=Z1+(Ka-1)2Z2U2’=KaU2ZL’=Ka2ZL三、自耦变压器的优缺点优点：1、省材料，造价降低。2、有功损耗和无功损耗均低于同容量的普通变压器。3、重量减轻，外形尺寸缩小，便于运输和安装，并且扩大了变压器的极限制造容量。缺点：1、由于原、副边有电的直接联系，当高压边过电压时，也会引起低压边产生严重的过电压。为了避免这种危险，原副边都须装放避雷器。2、由于短路阻抗比普通变压器小，故系统短路电流较大。§8.2三绕组变压器•三绕组变压器定义：在同一铁芯上绕有一个原绕组和两个副绕组，且具有电压比U1/U2/U3的变压器，称之三绕组变压器•标准接法：YN,yn,d-12-11和YN,yn,y-12-12•使用场合：在发电厂变电所、变电所要求把几个不同的电压等级的系统互相联系起来。•经济性：经济性较好，有三个电压等级。实现U1/U2，U1/U3若两台双绕组变压器才可实现改用一台三绕组变压器，因而经济性较好一、三绕组变压器的结构特点•三绕组变压器的结构和双绕组变压器相似，且具有如下特点：•（1）三绕组变压器一般采用同心式绕组。•（2）为了绝缘方便，高压绕组放在外面，低压或中压绕组放在最里面。•（3）相互间传递功率较多的绕组应当靠得近些。•三绕组布置示意图如下•其中高压绕组1，中压绕组2，低压绕组3，如图：•图（a）是升压变压器，一般用发电机端接低压。•低压绕组在中间，中压靠近铁芯，高压在最外面。一方面为绝缘方便；另一方面，由低压绕组把功率送到中压和高压绕组上•图（b）是降压变压器，这种变压器一般是高压侧把能量传到中压和低压侧，最理想的应该是高压绕组在中间，但这样增加绝缘的困难，通常是图（b）这样布置二容量分配在三绕组变压器中，高压，中压，低压绕组的容量配置按国家标准规定有：100/100/100100/50/100100/100/50三种从以上这三种来看，两个副绕组容量之和大于原绕组的容量，主要是从这两方面来考虑的，因为两个副绕组通常不是同时达到满载的。三三绕组变压器运行时的物理情况由于三绕组变压器有高压、中压和低压三个绕组，在磁路方面又相互耦合，在分析时不能象双绕组变压器那样简单地使用主磁通Φο和漏磁通Φδ的概念。三绕组变压器正常运行时，磁场中有与三个绕组同时交链的主磁通Φ，同时还有与一个绕组相交链的自漏磁通Φ1δ，Φ2δ，Φ3δ，与两个绕组相交链的互漏磁通Φ12δ，Φ13δ，Φ23δ。令自感L1L2L3电路参数r1r2r3互感M12=M21M13=M31M23=M32自感定义：L1=N1（Φ+Φ1δ+Φ12δ+Φ13δ）/i1L2=N2（Φ+Φ2δ+Φ12δ+Φ23δ）/i2L3=N3（Φ+Φ3δ+Φ13δ+Φ23δ）/i3•互感定义M12=N1（Φ+Φ12δ）/i2M13=N1（Φ+Φ13δ）/i3M23=N2（Φ+Φ23δ）/i3•按电动势感应定律，可写出各绕组感应电动势为：•-Ė1=jω（L1İ1+M12İ2+M13İ3）U1=İ1r1-Ė1•-Ė2=jω（M12İ1+L2İ2+M23İ3）-U2=İ2r2–Ė2•-Ė3=jω（M13İ1+M23İ2+L3İ3）-U3=İ3r3–Ė3•四折算关系•三绕组变压器原、副边三个绕组的匝数不同•原边N1副边N2和N3由此得出原、副变比：•k12=N1/N2，k13=N1/N3，k23=N2/N3，•为了得到等效电路，必须按变比关系把副边量折算到原边。•参照双绕组变压器的折算关系：•r2'=k12²r2M12'=k12M12(因为M12∝N1N2)•E2'=k12E2U2'=k12U2•r3'=k13²r3M13'=k13M13(因为M13∝N1N3)•E3'=k13E3U3'=k13U3•L2'=k12²L2M23'=k12k13M23(因为M23∝N2N3)•L3'=k13²L3•五基本方程•下图是三绕组变压器负载运行的示意图，图中各物理量正方向的选取与双绕组变压器相同。1U2U1N2N3Nm3u2LZ3LZ•x1σ,x2σ',x3σ'各等效漏抗为常数•同理：Z1=r1+jx1σ；Z'2=r2'+jx2σ'；•Z3'=r3'+jx3σ'；是各绕组的等效漏阻抗，亦均为常数。六等效电路•由等效图可以看出：副边两个绕组之间是互相影响的，任一副绕组的电压不仅与自身负载电流的大小与性质有关，还与另一副绕组中负载电流的大小及性质有关。0'3'21III根据电势平衡方程式绘出等效电路如图示•八.三绕组变压器基值的选取•当各绕组容量不等时，应选取最大容量作为统一的容量基准Sb。•取各绕组的额定相电压为相电压基值，即：Ub1Φ=U1NΦ；Ub2Φ=U2NΦ；Ub3Φ=U3NΦ。•各相电流基值为I1b=Sb/3U1NΦ；•I2b=Sb/3U2NΦ；I3b=Sb/3U3NΦ；•注意：如果三绕组变压器的容量分配为100/100/50时，那么三绕组容量基值与各绕组容量之间的关系为：•Sb=S1N=3U1NΦI1NΦ=3Ub1ΦIb1Φ；•Sb=S2N=3U2NΦI2NΦ=3Ub2ΦIb2Φ；•Sb=2S3N=2*3U3NΦI3NΦ=3Ub3ΦIb3Φ；•=Ib1Φ=I1NΦ；Ib2Φ=I2NΦ；Ib3Φ=2I3NΦ。•在这种情况下，如果负载电流I3=I3NΦ。则I3*=I3/I3bΦ=I3NΦ/2I3NΦ=0.5。仍表示额定状态。绝不是半载，这一种情况应引起足够注意。•另外。还可以从磁势平衡方程式（忽略激磁电流时）•I1N1+I2N2+I3N3=0=I1+I2'+I'3=0•=I1*+I’2*+I’3*=0=I1*+I2*+I3*=0互感器是电力系统中供测量和保护用的重要设备。使用互感器的目的：1）扩大常规仪表的量程。2）使测量回路与被测系统隔离，以保工作人员及设备安全。3）由互感器直接带动继电器线圈，为各类继电保护提供控制讯号。互感器按使用的系统不同，分为交流、直流互感器，本节主要讲交流互感器。§8.3互感器交流互感器常称为仪用互感器，作用原理与变压器相同。按用途分为电流互感器和电压互感器。一、电流互感器1、结构原理电流互感器的主要结构与普通变压器相似。不同的是原边匝的较少，通常只有一匝或几匝，截面较大，而副边匝数较多，导线截面较小，接线图如图：•通常，原边绕组串在被测线路中，副边接至电流表或功率表的电流线圈。由于电流表或w表的电流线圈的阻抗很小，因此，电流互感器的运行情况相当于变压器的短路运行。由于CT的铁芯磁密取得很低，一般在0.08~0.1T的范围内，故对应的激磁电流可以忽略.由磁势平衡关系得：NNkIkINNININIii122212122110为电流的变比。由此可见，N1减小→N2增大→ki增大→在一定I1下减小，这就是互感器用小量程电流表测量大电流的原理。一般CT副边的额定电流I为5A。I22、误差在实际中，CT内总有一定的激磁电流，这必然引起了电流的误差。误差包括两方面：副值误差：相位误差：按误差的大小，CT可分为：0.2，0.5，1.0，3.0和10五个标准级。相位差与IIIIIkii211123、注意的几点：1）在运行过程中或带电切换仪表时，绝对不允许CT负边开路。2）为防止绝缘击穿带来的不安全，电流互感器副绕组的一端以及铁芯均应可靠接地。二、电压互感器1、结构原理：原理图如右图：原边并接到被测线路，副边接电压表或功率表的电压线圈。由于电压表和功率表的内阻很大，所以，PT接近于空载运行。如果忽略漏阻抗压降，则有：ukuNNuv22211因此利用原、副绕组不同的匝比可将线路的电压变化为低电压来测量。2、误差实际的PT副方接有测量仪表，不是空载状态，而且负载的大小与所接仪表的数量有关，又电压互感器本身总还有激磁Im和漏阻抗压降存在。此时，与CT类似，它也有幅值误差和相角误差。uu21措施：1）为了减少它的激磁电流，其铁芯采用高性能硅钢片制成，磁通密度取的较低，约0.6－0.8T。2）为了减少原、副边漏阻抗，在绕制时应尽量减少原副绕组间的漏磁。采取以上措施可减少电压互感器的误差。PT副边电压为100伏，准确等级分为：0.2，0.5，1.0，3.0和6.0五个等级。3、在使用时应注意1）付方绝对不允许短路。因为短路电流引起绕组发热，有可能破坏绕组绝缘电阻，导致高电压侵入低压回路，危及人身及设备安全。2）为了保障人身安全，互感器铁芯和副绕组的一端必须可靠接地。作业：8-1思考题：8-4，8-5