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作者简介:本文作者朱英浩同志系沈阳变压器研究所总工程师,我国变压器行业唯一的中国工程院院士。 变压器接法与联结组用于国内变压器的高压绕组一般联成 Y接法,中压绕组与低压绕组的接法要视系统情况而决定。所谓系统情况就是指高压输电系统的电压相量与中压或低压输电系统的电压相量间关系。如低压系配电系统,则可根据标准规定决定。高压绕组常联成 Y接法是由于相电压可等于线电压的57.7%,每匝电压可低些。1). 国内的500、330、220与110kV的输电系统的电压相量都是同相位的,所以,对下列电压比的三相三绕组或三相自耦变压器,高压与中压绕组都要用星形接法。当三相三铁心柱铁心结构时,低压绕组也可采用星形接法或角形接法,它决定于低压输电系统的电压相量是与中压及高压输电系统电压相量为同相位或滞后30°电气角。2). 国内60与35kV的输电系统电压有二种不同相位角。如 220/60kV变压器采用YNd11接法,与220/69/10kV变压器用YN,yn0,d11接法,这二个60kV输电系统相差30°电气角。当 220/110/35kV变压器采用YN,yn0,d11接法,110/35/10kV变压器采用YN,yn0,d11接法,以上两个35kV输电系统电压相量也差30°电气角。所以,决定 60与35kV级绕组的接法时要慎重,接法必须符合输电系统电压相量的要求。根据电压相量的相对关系决定60与35kV级绕组的接法。否则,即使容量对,电压比也对,变压器也无法使用,接法不对,变压器无法与输电系统并网。3). 国内10、6、3与0.4kV输电与配电系统相量也有两种相位。在上海地区,有一种10kV与110kV输电系统电压相量差60°电气角,此时可采用110/35/10kV电压比与YN,yn0,y10接法的三相三绕组电力变压器,但限用三相三铁心柱式铁心。4). 但要注意:单相变压器在联成三相组接法时,不能采用YNy0接法的三相组。三相壳式变压器也不能采用YNy0接法。三相五柱式铁心变压器必须采用 YN,yn0,yn0接法时,在变压器内要有接成角形接法的第四绕组,它的出头不引出(结构上要做电气试验时引出的出头不在此例)。5). 不同联结组的变压器并联运行时,一般的规定是联结组别标号必须相同。6). 配电变压器用于多雷地区时,可采用Yzn11接法,当采用z接法时,阻抗电压算法与Yyn0接法不同,同时z接法绕组的耗铜量要多些。Yzn11接法配电变压器的防雷性能较好。7). 三相变压器采用四个卷铁心框时也不能采用YNy0接法。8). 以上都是用于国内变压器的接法,如出口时应按要求供应合适的接法与联结组标号。9). 一般在高压绕组内都有分接头与分接开关相联。因此,选择分接开关时(包括有载调压分接开关与无励磁调压分接开关),必须注意变压器接法与分接开关接法相配合(包括接法、试验电压、额定电流、每级电压、调压范围等)。对YN接法的有载调压变压器所用有载调压分接开关而言,还要注意中点必须能引出。 变压器接法目前变压器的常用接法有 Y与D两种,配电变压器也有采用Z接法的。1).Y 接法的优点:对高压绕组而言最经济 ;可有中点可以利用; 允许直接接地或通过阻抗接地; 允许降低中点的绝缘水平 (即分级绝缘);可在每相中点处设分接头,分接开关也可位于中点处; 允许接单相负载,中点可载流。 2).D 接法的优点:对大电流低压绕组而言最经济; 与 Y接绕组配合使用时可以降低零序阻抗值。3).Z 接法的优点:允许中点载流的负载且有较低的零序阻抗; 可用作接地变压器的接法形成人工中点; 可降低系统中电压不平衡 (系统中三相负载不平衡时);可作多雷地区使用配电变压器的一种接法。 以上是单一接法的优点,一般变压器至少有两个绕组,因此变压器有几种接法的组合。 (1).YNyn 和OYN(YN自耦接法)零序电流会在绕组间转换,即高压与低压绕组都有零序电流,且能安匝平衡以达到变压器有低的零序阻抗,对系统变压器而言,必须有 D接平衡绕组与此接法一并采用。(2).YNy 和Yyn有中点引出的绕组中有零序电流,但在另一无中点引出的绕组无此电流,故零序电流不能安匝平衡,故对铁心而言,有一个激磁零序电流,它受零序激磁阻抗控制,根据磁路的设计,这一零序激磁阻抗可以较大 (如三相三柱铁心)或特别大(如三相五柱铁心、三相壳式铁心)。相对地电压的对称会受到影响,中点会偏移,因此,这种接法不能用于三相五柱铁心、单相组成的三相组或三相壳式铁心(见下面说明)。(3).YNd ,Dyn,YNyd或YNy+d+d 表示此绕组仅作平衡绕组用而不接负载。d表示此绕组既作平衡绕组又可接负载。在有中点引出的绕组中有零序电流时,在角接绕组有补偿此电流的循环电流。零序阻抗是很低的,约等于绕组间正序短路阻抗。 (4).Yzn 或ZNy在曲折接法绕组中的零序电流会在每个铁心柱上两个线圈中作安匝平衡,且有低的零序阻抗值。 不同接法的组合能否采用与铁心结构有关,常用的铁心有:单相铁心、三相三柱、三相五柱、三相壳式、三相七柱壳式等。 对单相铁心组成的三相组变压器、三相五柱与各种壳式铁心三相变压器都不能采用 Yyn、YNyn接法。三相三柱铁心变压器可以采用 Yyn、YNyn接法。正序和负序磁通分量在铁心中可成回络,而零序磁通从轭到轭通过外部空间形成回络,磁阻很高。当电压中有零序分量时,就有较高激磁电流(因零序激磁阻抗较小,但阻抗是非线性的,与零序电压分量有关)。 在单相铁心组成的三相组变压器、三相五柱与各种壳式铁心变压器中零序磁通可在低磁阻的旁轭中通过,相当于正序电压有相当高的激磁阻抗。零序磁通不能在旁轭中饱和。饱和后,电感下降,导致有尖顶畸变电流。对这些铁心,变压器中应有一D接绕组。 变压器的零序阻抗变压器运行时,一般有对称与不对称运行两类。不对称运行包括事故运行,如单相或两相短路,三相负载不对称,最不对称是单相负载,配电变压器常有这类负载 ,低压为yn接法时,线与中点间单相负载就是不对称负载。三相变压器与单相变压器组成的三相组的不对称三相运行情况与作为磁路的铁心结构、绕组的联结组有关。 不对称运行条件包括瞬间故障 (如单相接地)、瞬间干扰(如三相涌流具有不同的瞬时值)与不对称连续负载,这些不对称运行会引起:(1) 三相对称电压产生的瞬时或连续性损耗,包括绕组与铁心中损耗;(2) 由于瞬时或连续性的不对称负载电流,尤其通过中点的电流,会使电压的稳定性受到影响,如电压不对称、中点电压偏移,会产生漏磁及使铁心激磁。为使变压器能适应不对称运行的要求,某些铁心结构与绕组联结组的配合是不能选用的,因此,必须对不对称运行作一些分析。 在研究不对称运行条件时,先假设:三相具有同步和正弦的电压,电流与三相具有等值的恒定阻抗或导纳相关联,用线性方程式求解,利用对称分量法进行计算。 将电压、电流与阻抗电压分解为正序、负序与零序三个分量。 正序电压与电流是指逆时钟旋转的三个互差 120°电气角的对称电压与电流分量,旋转顺序为A、B、C,正常对称负载条件下具有这个正序分量。正序阻抗是正序电流的阻抗。负序电压与电流是由不对称条件下建立起来的分量,对称运行无此分量,也是逆时钟旋转的三个互差 120°电气角的对称电压与电流分量,但旋转顺序为A、C、B。负序阻抗是负序电流的阻抗。零序电压与电流是单相的分量,是不对称条件下建立起来的剩余分量。零序分量是同相位同幅值。零序阻抗是零序电流的阻抗。 正序分量与负序分量在每一瞬间之和都是零,但零序分量之和不是零,在每一相中的幅值为零序分量的三分之一。 经以上分解后,瞬时值不等于零的不对称量 (相量图不对称的星形、三个相量不形成闭合的三角形接法)就可以计算了。各个分量在实际变压器中的特点: (1)Y 接法(中点绝缘的星形联接,如10kV的高压绕组常采用这一接法)因为没有返回的接地导线或中点引出导线,故系统中二个线电流之和必须等于零,按对称分量分解时,只含有正序与负序电流分量,而无零序电流分量存在。从系统流向角形联接的绕组电流也有这一特性。 (2)YN 接法,中点接地时有流向地的中点电流或通过中点引出导线的电流(如配电系统的四线制),系统的相电流就含有零序分量电流;因零序电流分量在三个相中同相同幅值,零序电流分量为中点电流的三分之一。四线制配电系统的线与地间有单相负载时就属于这一条件。对高压输变电系统而言,一般不带任何较大的中点负载电流,不对称负载一般是指线与线间的负载,可分解为含有负序电流分量,而无零序分量。 (3)D 接法,三相角形联接绕组的三个线电压之和为零,由于它是闭合的联接,所以不会含有零序电压分量。但在角接绕组内可有零序循环电流、短路电流的流通,这些电流都是从另一绕组中感应过来的。另一绕组无零序电流分量,角接绕组内也无零序电流分量。有了角接绕组后,零序电流分量可以互相平衡、去磁,最后零序电流安匝可以平衡,降低零序阻抗值。变压器和电抗器都是静止电器,所以具有正序阻抗等于负序阻抗的特性,正序阻抗就是变压器的阻抗,因此正序阻抗可在出厂试验时测出,零序阻抗决定于磁路形式、绕组的联接法、绕组相对位置、漏磁的通道。正序阻抗相同的不同变压器可有不同的零序阻抗。如用优质碳素钢 (沸腾钢)制成的波纹油箱与普通碳素(镇静钢)制成的平板油箱有不同的零序特性。有些情况甚至可有非线性的零序阻抗。零序阻抗测量为特殊试验。对 Yyn联结组而言,在不对称负载时,只有一侧(yn侧)有零序电流分量,所以能在铁心中激磁,当铁心为不同结构时,就有不同的零序激磁阻抗(并联零序阻抗):(1) 三相三柱铁心零序磁通一部分回路是空气,所以磁阻大,相当于并联零序磁阻抗较为小些,约为 60%左右。(2) 三相五柱铁心、三相壳式铁心、单相铁心组成的三相组铁心。零序磁通可在铁心中形成回路,所以磁阻小,并联零序激磁阻抗很大,有时达 10000%,如零序磁通饱和,还会引起电流畸变。零序磁通感应的零序电压分量会使中点偏移。因此,对Yyn接法而言,不宜采用三相五柱铁心、三相壳式铁心。单相变压器也不能采用Yyn的三相组联结组。对 YNd联结组而言,如在不对称运行时,高压与低压绕组内都可含有零序电流分量,两者可达到安匝平衡,所以零序磁通很小,零序阻抗为串联阻抗,其值约等于90%~100%的阻抗电压。铁心结构不影响此零序阻抗值。下面列出一般接法的零序阻抗值。 (1)YNy ,三相三柱铁心,高压绕组激磁时零序阻抗典型值为50%;(2)Yyn ,三相三柱铁心,低压绕组激磁时零序阻抗典型值为60%;(3)YN ,yn,y,三相三柱铁心,高压绕组激磁时,零序阻抗典型值为a1·Z12,a1为系数,0.8<a1<1,Z12为高压与中压间阻抗电压;(4)YN ,yn,y,三相三柱铁心,中压绕组激磁时,零序阻抗典型值为a2Z12,a2为系数;a1<a2<1。(5)YN ,yn,y,三相五柱铁心,高压绕组与中压绕组激磁时,零序阻抗典型值都是Z12。但这种接法的高压与中压中点必须同时接地,否则,零序电流分量无法互相平衡。(6)YNd ,三相三柱铁心,高压绕组激磁时,零序阻抗典型值为a1Z12。(7)YNd ,三相五柱铁心,高压绕组激磁时,零序阻抗典型值为Z12。(8)Dyn ,三相三柱铁心,低压绕组激磁时,零序阻抗典型值为a2Z12。(9)Dyn ,三相五柱铁心,低压绕组激磁时,零序阻抗典型值为Z12。(10)YNynd ,三相三柱铁心,高压绕组激磁时,零序阻抗典型值为:a1[Z1+Z2‖Z3], Z1、Z2、Z3分别为高压、中压、低压单一绕组阻抗,如Z1=(Z12+Z13-Z23),Z2‖Z3表示Z2与Z3的并联值,Z2‖Z3=中压绕组激磁时,零序阻抗典型值为: a2(Z2+Z1 ‖Z3)(11)YNynd ,三相五柱铁心高压绕组激磁时,零序阻抗典型值为 Z1+Z2 ‖Z3中压绕组激磁时,零序阻抗典型值为: Z2+Z1 ‖Z3以上典型值中 a1、a2是绕组对位置的系数,激磁绕组靠近心柱时系数接近于1。这里还应注意:零序激磁并联阻抗与对称运行时激磁阻抗的概念是不同的。 当高压与低压绕组中都有零序电流分量时零序激磁并联阻抗较小,而激磁电流始终存在的,是电压的函数,为非线性,因此激磁阻抗也是非线性值。 变压器并联运行并联运行是指同一变电站或发电厂内几台变压器的出线端子与出线端子的直接联接,现以双绕组变压器为例加以说明。 为获得满意的并联运行,必须符合下列各条: (1) 相位关系要相同,即时钟顺序数要相同(附加的可能组合见下面说明);(2) 变压比要相同,允许偏差也相同(尽量满足电压比在允许偏差范围±0.5%内),调压范围与每级电压要相同;(3) 阻抗电压相同,尽量控制在允许偏差范围±7.5%以内,还应注意极限正分接位置阻抗电压与极限负分接位置阻抗电压要分别相同;(4) 容量比在0.5与2之间。(5) 不同联结组别的变压器并联运行将变压器的联结组分成 4组:组Ⅰ包括时钟顺序数 0、4和8;组Ⅱ包括时钟顺序数 6、10和2;组Ⅲ包括时钟顺序数 1和5;组Ⅳ包括时钟顺序数 7和11。同一联组不同时钟顺序可按图 1作并联运行的联结法。属于组Ⅲ和组Ⅳ的变压器可按图 2作并联运行。电压比不同时,在并联变压器之间就有循环电流,设二台变压器的额定容量分别为 Sa和Sb,其相对阻抗为Za和Zb,在高压和低压并联,空载下激磁,空载电压分别为Ua和Ub,设Ur为额定电压,电压差的标么值电压差引起循环电流 Ic,设相应的无功功率为Qc,Ic和Qc的标么值为:如 Sa=Sb,Za=Zb=Z,以上表达式为当 Z=0.1,时,,这一感性电流将与负载电流作相量和。当阻抗电压不等时,阻抗电压较小的变压器将有较多的输出容量,有时可能超过额定容量。所以尽量使并联运行的变压器具有绝对值接近的阻抗电压值。当超过额定容量时,应估计负载损耗值与温升值。 当二台有载调压变压器并联运行时,应注意绕组排列。设高压侧有分接引线。 绕组排列为:心柱―低压―高压―调压时正分接时阻抗电压上升,负分接时阻抗电压下降; 图1 同一联结组不同标号的变压器,并联运行联法
绕组排列为:心柱―高压―低压―调压时正分接时阻抗电压下降,负分接时阻抗电压上升。这样,如上述二种排列方式的绕组作并联运行时,就会有较大循环电流。
1(组Ⅲ) 7(组Ⅳ) 5(组Ⅲ) 7(组Ⅳ) 或 或7( 组Ⅳ) 1(组Ⅲ) 7(组Ⅳ) 5(组Ⅲ)
1( 组Ⅲ) 11(组Ⅳ) 5(组Ⅲ) 11(组Ⅳ)或 或 11( 组Ⅳ) 1(组Ⅲ) 11(组Ⅳ) 5(组Ⅲ)图 2 属于组Ⅲ、组Ⅳ联结组的变压器并联运行联结法变压器过激磁现象 变压器过激磁是设计、制造与运行中常遇到的现象。产生过激磁的原因很多,主要为: (1) 铁心结构上原因目前都采用冷轧晶粒取向硅钢片作为铁心导磁材料,铁心为全斜 45°接缝的叠片方式,接缝分两处并有一搭接距离.在搭接处的截面虽增大了倍,但有效厚度却少了,故实际截面还是小了,故在接缝处有过激磁,磁通密度大了倍.因此目前在发展阶梯式接缝,即接缝在六处错开,这样,有效厚度可保持,实际面积是增加了。作为过渡,接缝在三处错开,因阶梯接缝需改变剪切线的软件。(2) 恒磁通调压的变压器带有负载时,为保持不同负载下的输出电压为恒定值就必须补偿阻抗压降,必须通过分接位置的变换或增加外施电压。当外施电压大于分接电压时或增加外施电压时会产生过激磁。(3) 自耦变压器采用中点调压方式时,在铁心中有过激磁现象。自耦变压器的电压比越接近,过激磁越严重。一般是电压比大于等于2时的自耦变压器才能采用中点调压方式。(4) 空载变压器在合闸瞬间的过渡过程有过激磁。当铁心中有剩磁通时,且在外施电压过零时的瞬间合闸,过激磁最大,是最不利的空载合闸状态。这是变压器固有特性所引起的瞬时过激磁现象。当fn=50Hz时,在0.01s内磁通达最大值。现正发展电子型电压达峰值时合闸的断路器以减少合闸瞬间过激磁。 (5) 三相三柱式铁心,Yyn0接法变压器,由于负载不平衡引起中点电压浮动,此时铁心中也会过激磁。(6) 发电机甩负载时会在变压器与发电机联接端子上出现过电压,并引起过激磁。当fn=50Hz时,磁通可在0.02s内达最大值。(7) 在中点接地系统中,在单相接地故障的异常工况下,健全相的相电压会增加,110kV及以上系统,此电压会增加1.3倍。故障期间,铁心会过激磁。(8) 当电网频率低于额定频率时,当感性电压不变时,频率的降低会引起铁心中磁通的增加,会有过激磁。铁心中产生过激磁时会影响: (1) 空载损耗会增加;(2) 变压器的噪声水平将增加;(3) 空载电流中高次谐波含量增加;(4) 涌流会大于空载电流,引起较大的机械力;(5) 过激磁时杂散磁通会离开主磁路引起结构件中附加损耗;(6) 铁心的温升会增加;(7) 过激磁的同时还有过电压,绝缘结构应能承受住这一过电压。因此,在 IEC76―1标准上对过激磁能力有一规定,在设计时要保证变压器能具有一定的过激磁能力。在运行中,要保持一定的过激磁水平。 如不具有过激磁能力或承受较大过激磁能力,会影响变压器的安全运行。 在制造中常采用高频机组作电源是为了铁心中磁通密度为额定值,如感应试验时一般要采用 100Hz及以上频率的电源。
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