變壓器繞組

變壓器繞組指的是變壓器的電路部分，由電導率較高的銅導線或鋁導線繞制而成，套用於電力系統。繞組應具有足夠的絕緣強度、機械強度和耐熱能力。

繞組通常分為層式和餅式兩種。繞組的線匝沿其軸向依次排列連續繞制的，稱為層式繞組。一般層式繞組每層如筒狀，所以由兩層組成的繞組稱雙層圓筒式；由多層組成的稱多層圓筒式。

基本介紹

• 中文名：變壓器繞組
• 外文名：transformer winding
• 套用：電力系統
• 分類：層式和餅式
• 概念：變壓器的電路部分
• 組成：電導率較高的銅導線或鋁導線
• 特點：絕緣強度、機械強度和耐熱能力高

變壓器介紹

變壓器的電路部分就是繞組，由電導率較高的銅導線或鋁導線繞制而成。繞組應具有足夠的絕緣強度、機械強度和耐熱能力。

繞組通常分為層式和餅式兩種。繞組的線匝沿其軸向依次排列連續繞制的，稱為層式繞組。一般層式繞組每層如筒狀，所以由兩層組成的繞組稱雙層圓筒式；由多層組成的稱多層圓筒式。

繞組的線匝沿其輻向連續繞制而成一餅(段)，再由許多餅沿軸向排列組成的繞組，稱為餅式繞組。它包括連續式、插入電容式和糾結式等。

介於層式和餅式之間的繞組有箔式繞組和螺旋式繞組。箔式繞組形式也如筒狀，線匝是沿軸向連續繞制的。一般情況下一匝就是一層，故可屬於層式繞組。螺旋式繞組一般為每一餅一匝，或兩餅、四餅一匝。而各匝又沿軸向連續繞制，但形式是由各餅組成，故可屬於餅式繞組。

層式繞組結構緊湊，生產效率高，耐受衝擊電壓的性能好，但其機械強度差。餅式繞組散熱性能好，機械強度高，適用範圍大，但其耐受衝擊電壓的性能差。

變壓器繞組的形式細分如下：

圓筒式——單層圓筒式、雙層圓筒式、多層圓筒式和分段圓筒式

箔式——一般箔式、分段箔式

連續式——一般連續式、半連續式、糾結連續式

糾結式——普通糾結式和插花糾結式、插入電容式

螺旋式——單螺旋式(單半螺旋式)、雙螺旋式(雙半螺旋式)和四螺旋式

交錯式——由連續式或螺旋式線段交錯排列而成

其中所謂半連續式、半螺旋式，是油道與紙圈交錯分布的連續式或螺旋式繞組。

發電廠和變電所通常出現3種不同等級的電壓，所以三繞組變壓器在電力系統中套用比較廣泛。

每相的高中低壓繞組均套於同一鐵心柱上。為了絕緣使用合理，通常把高壓繞組放在最外層，中壓和低壓繞組放在內層。

額定容量是指容量最大的那個繞組的容量，一般容量的百分比按高中低壓繞組有三種形式100/100/50、100/50/100、100/100/100。

繞組的繞向

繞組中電流所產生的磁場方向，以及當磁場變化時繞組中感應電勢方向都與繞組的繞向有關。繞組的繞向有左繞向和右繞向兩種。

圖1 繞組的繞向示意圖

若線匝從起頭向繞組中部沿線匿方向是逆時針方向，稱左繞向；若沿線匝方向是順時針方向，稱右繞向。

在繞線時，操作者面向繞線機，導線由操作者後面進入繞線機的情況下，那么起頭在繞線機左側繞成的繞組稱右繞向繞組，起頭在繞線機右側繞成的繞組稱左繞向繞組。簡單地說，“左起右繞向，右起左繞向”，如圖1所示。

左繞向繞組繞制方便，所以繞組一般採用左繞向。一般來說，繞組繞完後繞向是不可改變的。但是，雙數層圓筒式繞組和只有一個單餅的繞組，起、完頭符合對調，繞向是要改變的。因為這時對起頭來講沿線匝方向改變了。由變壓器原理可知，兩柱式單相變壓器中一次繞組有一個繞向錯了，鐵心中不會有磁通；而二次繞組有一個繞向錯了，則其並聯時為短路，而串聯時二次電壓為零。一次或者二次繞組繞向錯了，將使變壓器的聯結組發生變化。

圖2

三相變壓器中一次繞組有一個繞向錯了，磁通同樣在鐵心中不成迴路，而一次或二次所有繞組繞向錯了，同樣也將使變壓器的聯結組發生變化。

由此可見，變壓器中繞組的繞向是不允許繞錯的。

一台變壓器中各個繞組的繞向並不一定一致，這要視其聯結方式而定，例如常見的單相變壓器的兩柱並聯聯結時，繞向必然不同，一柱為左繞向，另一柱必為右繞向，如圖2所示。

一個繞組中繞向也不一定一致，如反接法繞組的兩部分線段繞向就相反，上下並聯的繞組上下兩並聯支路的繞向也相反，如圖3所示。

圖3

特性

3個變比：

k12=N1/N2≈U1/U2

k13=N1/N3≈U1/U3

k23=N2/N3≈U2/U3

負載運行時若不計空載電流I0,則，變壓器的磁勢平衡方程為

I1N1+I2N2+I3N3=0

I1+I2/k12+I3/k13=0

I1+I2'+I3'=0

簡化等效電路中的Z1=R1+jX1為1次側的阻抗，Z2'=R2'+jX2'為2次側折算到1次側的阻抗；Z3'=R3'+jX3'為3次側折算到1次側的阻抗，6個參數可以根據短路試驗求得。

Zk12=Rk12+jXk12=(R1+R2')+j(X1+X2')

Zk13=Rk13+jXk13=(R1+R3')+j(X1+X3')

Zk23'=Rk23'+jXk23'=(R2'+R3')+j(X2'+X3')

R1=1/2(Rk12+Rk13-Rk23')

X1=1/2(Xk12+Xk13-Xk23')

R2'=1/2(Rk12+Rk23'-Rk13)

X2'=1/2(Xk12+Xk23'-Xk13)

R3'=1/2(Rk13+Rk23'-Rk12)

X3'=1/2(Xk13+Xk23'-Xk12)

知道參數後就可以根據等效電路計算特性了。

特點

在電力系統中最常用的是三繞組變壓器。用一台三繞組變壓器連線3種不同電壓的輸電系統比用兩台普通變壓器經濟、 占地少、維護管理也較方便。

三相三繞組變壓器通常採用Y-Y-△接法, 即原、副繞組均為Y接法,第三繞組接成△。△接法本身是一個閉合迴路,許可通過同相位的三次諧波電流,從而使Y接原、副繞組中不出現三次諧波電壓。 這樣它可以為原、副邊都提供一個中性點。在遠距離輸電系統中，第三繞組也可以接同步調相機以提高線路的功率因數。

三繞組變壓器容量以 3個繞組中容量最大的那個繞組的容量表示。

電源變壓器

在電子設備中，也常採用多繞組變壓器，如電源變壓器。兩個相同的原邊繞組可以串聯或並聯聯接以配合兩種不同的電源電壓。副邊繞組可輸出不同電壓以滿足不同的需要。它也可以保證各個電路相互隔離的要求。

n13=N1/N3=E1/E3≈U1/U3

n23=N2/N3=E2/E3≈U2/U3

三繞組變壓器的容量以 3個繞組中容量最大的那個繞組的容量表示。

過電壓保護

變壓器運行中常常受到雷電過電壓、操作過電壓與工頻過電壓的作用，所以在繞組上常常採用靜電屏、靜電環、加強線餅和鋁箔禁止等內部改善電場分布的措施。

繞組在受到過電壓作用時，由於衝擊波的波形陡，等值頻率甚高，所以衝擊電流開始主要從電容通路流過，而不從電感通路流過。由於繞組對地各點的電容分布關係，所以通過繞組的衝擊電流從頭到尾分布很不均勻，造成電壓梯度相差很大。

靜電屏

當變壓器採用圓筒式繞組時，沿整個繞組的衝擊電壓分布雖然比連續式繞組好，但往往是第一層的過電壓梯度分布比其他層大。為了減弱第一層的過電壓梯度，在繞組線端放置靜電屏，將第一層導線繞在靜電屏上，線端與靜電屏出頭連在一起引出。加上靜電屏後，就改善了繞組對地電容分布，因而降低了第一層的過電壓梯度。

為避免靜電屏的放電，靜電屏不應伸出繞組端部。採用連續式繞組時，變壓器在遭到雷電過電壓襲擊時，沿整個繞組的過電壓梯度的分布不是均勻的。繞組端部進線的靜電環的作用是改善第一個線餅對地電容分布。靜電環也可改善對地的電場分布。中部進線的變壓器繞組，如採用糾結式則可以增加匝間電容，以改善過電壓的分布，因繞組中部電場分布是均勻的，所以中部進線的糾結式繞組可以不放置靜電環。儘管人們採取了一些靜電保護措施(靜電屏、靜電環)和改進了繞組的結構(糾結、內禁止電容等)，但繞組的頭幾匝、頭幾餅的電壓梯度仍然較高。為了使頭幾匝和頭幾餅不被擊穿，整個繞組又比較經濟，所以有時採用加強餅，這就是加強線餅的承受過電壓能力。

靜電屏與靜電環的電極都是用導電材料做的，所以在製造時要注意導電材料之間不可形成短路匝。圍成靜電屏的導電材料都要在重疊包紮部分墊絕緣，即在靜電屏下放一張絕緣紙。靜電環中所繞的銅帶也要有重疊包紮部分，並墊以絕緣紙，即在起頭與末頭間墊絕緣紙，因為不墊絕緣紙也會使靜電環形成短路路匝。

尖角放電

高壓繞組的線端與靜電環連線的焊接頭要用鋁箔包紮。這是因為靜電環與高壓繞組線端要用銅焊連線起來，就連線點來說，儘管工藝上要求銼平，但畢竟還會有凹凸不平之處，這樣導體的表面電場的分布不均勻的。越是尖角的地方，電場分布得越集中，再加上此焊接點多處於離上鐵軛較近的地方，更加大了此處的電場強度，因而放電的可能性就更大。為了使此處的電場比較均勻，消滅尖角放電的現象，所以要有與導線等電位的禁止鋁箔，以禁止尖角。

操作方法是先用紙墊條墊平，再用皺紋紙包平整，然後將鋁箔平整地包在焊接點上，並使鋁箔邊離焊接點40mm以上，有一邊與導線相連。最後按工藝規定在鋁箔的外面包上適當厚度的皺紋紙、白布帶。要注意的是，包在鋁箔外面的絕緣紙沿導線的延伸長度是包紮皺紋紙厚度的7—10倍。

110kV及以上的變壓器，一般引線焊接點均需用鋁箔禁止。

套用

當發電廠需要用兩種不同電壓向電力系統或用戶供電時，或當變電站需要連線幾級不同電壓的電力系統時，通常採用三繞組變壓器。

三繞組變壓器有高壓、中壓、低壓三個繞組，每相的三個繞組套在一個鐵心柱上，為了便於絕緣，高壓繞組通常都置於最外層。

升壓變壓器的低壓繞組放在高、中壓繞組之間，這樣布置的目的是使漏磁場分布均勻，漏抗分布合理，不致因低壓和高壓繞組相距太遠而造成漏磁通增大以及附加損耗增加，從而保證有較好的電壓調整率和運行性能。

降壓變壓器主要從便於絕緣考慮，將中壓繞組放在高壓、低壓繞組之間。根據國內電力系統電壓組合的特點，三相三繞組變壓器的標準連線組標號有YN，yn0，d11和YN，yn0，y0兩種。

容量配置

三繞組電力變壓器各繞組的容量按需要分別規定。其額定容量是指三個繞組中容量最大的那個繞組的容量，一般為一次繞組的額定容量。並以此作為100%，則三個繞組的容量配置有100/100/50、100/50/100、100/100/100三種。

三繞組變壓器的空載運行原理與雙繞組變壓器基本相同，但有三個電壓比，即高壓與中壓、高壓與低壓、中壓與低壓三個。

等值電路

三繞組變壓器負載運行時，主磁通同時與三個繞組的磁通相交鏈，由三個繞組的磁勢（電流與匝數和乘積）共同產生，因此，負載時的磁勢平衡方程式為三個繞組的磁勢之相量和等於勵磁磁勢相量（即空載電流與一次繞組匝數的乘積），將副邊折算到原邊後，變為三側電流之相量和等於空載電流相量。忽略空載電流，變為三側電流之相量和等於零。

三繞組變壓器中，凡不同時與三個繞組相鏈的磁通都是漏磁通，其中僅與一個繞組相鏈而不與其它兩個繞組相鏈的磁通稱為自漏磁通；僅與兩個繞組相鏈而不與第三個繞組相鏈的磁通，稱為互漏磁通。每一個繞組的漏磁壓降，都受到另外兩個繞組的影響，因此，三繞組變壓器的漏電抗與雙繞組變壓器的漏電抗含義不一樣。為建立電壓平衡方程式和等值電路，引入了等值電抗的概念，高、中、低壓繞組的等值電抗包含各自繞組的自感電抗和繞組之間的互感電抗，與各繞組等值電抗相應的還有各自的等值阻抗，且均為折算到一次側的數值。

電勢平衡方程式

仿照雙繞組變壓器的分析方法，列出電勢平衡方程式，即：

電勢平衡方程式

一次側電壓相量等於一次電流在一次等值阻抗上的壓降相量和二次電流折算值在二次等值阻抗上的負壓降相量，以及二次繞組端電壓負相量之和；也等於一次電流在一次等值阻抗上的壓降相量和三次電流折算值在三次等值阻抗上的負壓降相量，以及三次繞組端電壓負相量之和。

由磁勢平衡方程式和電壓平衡方程式可作出三繞組變壓器的簡化等值電路，它由二、三次等值阻抗並聯，再懷一次等值阻抗串聯組成。

兩個副繞組負載電流互相影響，當任一副繞組的電流變化時，不僅影響本側端電壓，而且另一副繞組的端電壓也會隨著變化。因為原邊電流由兩個副邊電流決定，原邊阻抗壓降同時受到兩個副邊電流的影響，而原邊電流在原邊等值阻抗上的壓降，直接影響副邊電壓。為了減小兩個副邊之間的相互影響，應盡力減小原邊等值陰抗。

參數的測定和試驗

三繞組變壓器的短路試驗要分別做三次，即高中壓、高低壓、中低太，不論做哪兩側之間的短路試驗，都是將無關側開路，相關側一側加壓，另一側短路。

三繞組變壓器

然後根據三個試驗所得值，由公式可算出每個繞組的折算到一次側的等值阻抗值。

公式的語言描述如下：

某一側的等值阻抗等於與該側有關的兩個試驗所得值之和，減去與該側無關的試驗所得值，得數除二。

如一次側的等值阻抗等於一、二次間的試驗所得值加上一、三次間的試驗所得值，減去二、三次間的試驗所得值，得數再除二。

由此可知，要減小一次側的等值阻抗，就必須減小一、二次間的等值阻抗和一、三次間的等值阻抗，增大二、三次間的等值阻抗值，升壓變壓器之所以將低壓繞組放在中間，就是為了使原邊具有較小的等值阻抗。

三繞組變壓器高壓繞組和低壓繞組的線端標誌與雙繞組變壓器相同，中壓繞組的首、末端下標換成了m。