变压器绕组

变压器的电路部分

变压器绕组指的是变压器的电路部分，由电导率较高的铜导线或铝导线绕制而成，应用于电力系统。绕组应具有足够的绝缘强度、机械强度和耐热能力。

变压器介绍

变压器的电路部分就是绕组，由电导率较高的铜导线或铝导线绕制而成。绕组应具有足够的绝缘强度、机械强度和耐热能力。

绕组通常分为层式和饼式两种。绕组的线匝沿其轴向依次排列连续绕制的，称为层式绕组。一般层式绕组每层如筒状，所以由两层组成的绕组称双层圆筒式；由多层组成的称多层圆筒式。

绕组的线匝沿其辐向连续绕制而成一饼(段)，再由许多饼沿轴向排列组成的绕组，称为饼式绕组。它包括连续式、插入电容式和纠结式等。

介于层式和饼式之间的绕组有箔式绕组和螺旋式绕组。箔式绕组形式也如筒状，线匝是沿轴向连续绕制的。一般情况下一匝就是一层，故可属于层式绕组。螺旋式绕组一般为每一饼一匝，或两饼、四饼一匝。而各匝又沿轴向连续绕制，但形式是由各饼组成，故可属于饼式绕组。

层式绕组结构紧凑，生产效率高，耐受冲击电压的性能好，但其机械强度差。饼式绕组散热性能好，机械强度高，适用范围大，但其耐受冲击电压的性能差。

变压器绕组的形式细分如下：

圆筒式——单层圆筒式、双层圆筒式、多层圆筒式和分段圆筒式

箔式——一般箔式、分段箔式

连续式——一般连续式、半连续式、纠结连续式

纠结式——普通纠结式和插花纠结式、插入电容式

螺旋式——单螺旋式(单半螺旋式)、双螺旋式(双半螺旋式)和四螺旋式

交错式——由连续式或螺旋式线段交错排列而成

其中所谓半连续式、半螺旋式，是油道与纸圈交错分布的连续式或螺旋式绕组。

发电厂和变电所通常出现3种不同等级的电压，所以三绕组变压器在电力系统中应用比较广泛。

每相的高中低压绕组均套于同一铁心柱上。为了绝缘使用合理，通常把高压绕组放在最外层，中压和低压绕组放在内层。

额定容量是指容量最大的那个绕组的容量，一般容量的百分比按高中低压绕组有三种形式100/100/50、100/50/100、100/100/100。

绕组的绕向

绕组中电流所产生的磁场方向，以及当磁场变化时绕组中感应电势方向都与绕组的绕向有关。绕组的绕向有左绕向和右绕向两种。

若线匝从起头向绕组中部沿线匿方向是逆时针方向，称左绕向；若沿线匝方向是顺时针方向，称右绕向。

在绕线时，操作者面向绕线机，导线由操作者后面进入绕线机的情况下，那么起头在绕线机左侧绕成的绕组称右绕向绕组，起头在绕线机右侧绕成的绕组称左绕向绕组。简单地说，“左起右绕向，右起左绕向”，如图1所示。

左绕向绕组绕制方便，所以绕组一般采用左绕向。一般来说，绕组绕完后绕向是不可改变的。但是，双数层圆筒式绕组和只有一个单饼的绕组，起、完头符合对调，绕向是要改变的。因为这时对起头来讲沿线匝方向改变了。由变压器原理可知，两柱式单相变压器中一次绕组有一个绕向错了，铁心中不会有磁通；而二次绕组有一个绕向错了，则其并联时为短路，而串联时二次电压为零。一次或者二次绕组绕向错了，将使变压器的联结组发生变化。

三相变压器中一次绕组有一个绕向错了，磁通同样在铁心中不成回路，而一次或二次所有绕组绕向错了，同样也将使变压器的联结组发生变化。

由此可见，变压器中绕组的绕向是不允许绕错的。

一台变压器中各个绕组的绕向并不一定一致，这要视其联结方式而定，例如常见的单相变压器的两柱并联联结时，绕向必然不同，一柱为左绕向，另一柱必为右绕向，如图2所示。

一个绕组中绕向也不一定一致，如反接法绕组的两部分线段绕向就相反，上下并联的绕组上下两并联支路的绕向也相反，如图3所示。

特性

3个变比：

k12=N1/N2≈U1/U2

k13=N1/N3≈U1/U3

k23=N2/N3≈U2/U3

负载运行时若不计空载电流I0,则，变压器的磁势平衡方程为

I1N1+I2N2+I3N3=0

I1+I2/k12+I3/k13=0

I1+I2'+I3'=0

简化等效电路中的Z1=R1+jX1为1次侧的阻抗，Z2'=R2'+jX2'为2次侧折算到1次侧的阻抗；Z3'=R3'+jX3'为3次侧折算到1次侧的阻抗，6个参数可以根据短路试验求得。

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)

知道参数后就可以根据等效电路计算特性了。

特点

在电力系统中最常用的是三绕组变压器。用一台三绕组变压器连接3种不同电压的输电系统比用两台普通变压器经济、占地少、维护管理也较方便。

三相三绕组变压器通常采用Y-Y-△接法, 即原、副绕组均为Y接法,第三绕组接成△。△接法本身是一个闭合回路,许可通过同相位的三次谐波电流,从而使Y接原、副绕组中不出现三次谐波电压。这样它可以为原、副边都提供一个中性点。在远距离输电系统中，第三绕组也可以接同步调相机以提高线路的功率因数。

三绕组变压器容量以 3个绕组中容量最大的那个绕组的容量表示。

在电子设备中，也常采用多绕组变压器，如电源变压器。两个相同的原边绕组可以串联或并联联接以配合两种不同的电源电压。副边绕组可输出不同电压以满足不同的需要。它也可以保证各个电路相互隔离的要求。

n13=N1/N3=E1/E3≈U1/U3

n23=N2/N3=E2/E3≈U2/U3

三绕组变压器的容量以 3个绕组中容量最大的那个绕组的容量表示。

过电压保护

变压器运行中常常受到雷电过电压、操作过电压与工频过电压的作用，所以在绕组上常常采用静电屏、静电环、加强线饼和铝箔屏蔽等内部改善电场分布的措施。

绕组在受到过电压作用时，由于冲击波的波形陡，等值频率甚高，所以冲击电流开始主要从电容通路流过，而不从电感通路流过。由于绕组对地各点的电容分布关系，所以通过绕组的冲击电流从头到尾分布很不均匀，造成电压梯度相差很大。

当变压器采用圆筒式绕组时，沿整个绕组的冲击电压分布虽然比连续式绕组好，但往往是第一层的过电压梯度分布比其他层大。为了减弱第一层的过电压梯度，在绕组线端放置静电屏，将第一层导线绕在静电屏上，线端与静电屏出头连在一起引出。加上静电屏后，就改善了绕组对地电容分布，因而降低了第一层的过电压梯度。

为避免静电屏的放电，静电屏不应伸出绕组端部。采用连续式绕组时，变压器在遭到雷电过电压袭击时，沿整个绕组的过电压梯度的分布不是均匀的。绕组端部进线的静电环的作用是改善第一个线饼对地电容分布。静电环也可改善对地的电场分布。中部进线的变压器绕组，如采用纠结式则可以增加匝间电容，以改善过电压的分布，因绕组中部电场分布是均匀的，所以中部进线的纠结式绕组可以不放置静电环。尽管人们采取了一些静电保护措施(静电屏、静电环)和改进了绕组的结构(纠结、内屏蔽电容等)，但绕组的头几匝、头几饼的电压梯度仍然较高。为了使头几匝和头几饼不被击穿，整个绕组又比较经济，所以有时采用加强饼，这就是加强线饼的承受过电压能力。

静电屏与静电环的电极都是用导电材料做的，所以在制造时要注意导电材料之间不可形成短路匝。围成静电屏的导电材料都要在重叠包扎部分垫绝缘，即在静电屏下放一张绝缘纸。静电环中所绕的铜带也要有重叠包扎部分，并垫以绝缘纸，即在起头与末头间垫绝缘纸，因为不垫绝缘纸也会使静电环形成短路路匝。

高压绕组的线端与静电环连接的焊接头要用铝箔包扎。这是因为静电环与高压绕组线端要用铜焊连接起来，就连接点来说，尽管工艺上要求锉平，但毕竟还会有凹凸不平之处，这样导体的表面电场的分布不均匀的。越是尖角的地方，电场分布得越集中，再加上此焊接点多处于离上铁轭较近的地方，更加大了此处的电场强度，因而放电的可能性就更大。为了使此处的电场比较均匀，消灭尖角放电的现象，所以要有与导线等电位的屏蔽铝箔，以屏蔽尖角。

操作方法是先用纸垫条垫平，再用皱纹纸包平整，然后将铝箔平整地包在焊接点上，并使铝箔边离焊接点40mm以上，有一边与导线相连。最后按工艺规定在铝箔的外面包上适当厚度的皱纹纸、白布带。要注意的是，包在铝箔外面的绝缘纸沿导线的延伸长度是包扎皱纹纸厚度的7—10倍。

110kV及以上的变压器，一般引线焊接点均需用铝箔屏蔽。

应用

当发电厂需要用两种不同电压向电力系统或用户供电时，或当变电站需要连接几级不同电压的电力系统时，通常采用三绕组变压器。

三绕组变压器有高压、中压、低压三个绕组，每相的三个绕组套在一个铁心柱上，为了便于绝缘，高压绕组通常都置于最外层。

升压变压器的低压绕组放在高、中压绕组之间，这样布置的目的是使漏磁场分布均匀，漏抗分布合理，不致因低压和高压绕组相距太远而造成漏磁通增大以及附加损耗增加，从而保证有较好的电压调整率和运行性能。

降压变压器主要从便于绝缘考虑，将中压绕组放在高压、低压绕组之间。根据国内电力系统电压组合的特点，三相三绕组变压器的标准连接组标号有YN，yn0，d11和YN，yn0，y0两种。

容量配置

三绕组电力变压器各绕组的容量按需要分别规定。其额定容量是指三个绕组中容量最大的那个绕组的容量，一般为一次绕组的额定容量。并以此作为100%，则三个绕组的容量配置有100/100/50、100/50/100、100/100/100三种。

三绕组变压器的空载运行原理与双绕组变压器基本相同，但有三个电压比，即高压与中压、高压与低压、中压与低压三个。

等值电路

三绕组变压器负载运行时，主磁通同时与三个绕组的磁通相交链，由三个绕组的磁势（电流与匝数和乘积）共同产生，因此，负载时的磁势平衡方程式为三个绕组的磁势之相量和等于励磁磁势相量（即空载电流与一次绕组匝数的乘积），将副边折算到原边后，变为三侧电流之相量和等于空载电流相量。忽略空载电流，变为三侧电流之相量和等于零。

三绕组变压器中，凡不同时与三个绕组相链的磁通都是漏磁通，其中仅与一个绕组相链而不与其它两个绕组相链的磁通称为自漏磁通；仅与两个绕组相链而不与第三个绕组相链的磁通，称为互漏磁通。每一个绕组的漏磁压降，都受到另外两个绕组的影响，因此，三绕组变压器的漏电抗与双绕组变压器的漏电抗含义不一样。为建立电压平衡方程式和等值电路，引入了等值电抗的概念，高、中、低压绕组的等值电抗包含各自绕组的自感电抗和绕组之间的互感电抗，与各绕组等值电抗相应的还有各自的等值阻抗，且均为折算到一次侧的数值。

电势平衡方程式

仿照双绕组变压器的分析方法，列出电势平衡方程式，即：

一次侧电压相量等于一次电流在一次等值阻抗上的压降相量和二次电流折算值在二次等值阻抗上的负压降相量，以及二次绕组端电压负相量之和；也等于一次电流在一次等值阻抗上的压降相量和三次电流折算值在三次等值阻抗上的负压降相量，以及三次绕组端电压负相量之和。

由磁势平衡方程式和电压平衡方程式可作出三绕组变压器的简化等值电路，它由二、三次等值阻抗并联，再怀一次等值阻抗串联组成。

两个副绕组负载电流互相影响，当任一副绕组的电流变化时，不仅影响本侧端电压，而且另一副绕组的端电压也会随着变化。因为原边电流由两个副边电流决定，原边阻抗压降同时受到两个副边电流的影响，而原边电流在原边等值阻抗上的压降，直接影响副边电压。为了减小两个副边之间的相互影响，应尽力减小原边等值阴抗。

参数的测定和试验

三绕组变压器的短路试验要分别做三次，即高中压、高低压、中低太，不论做哪两侧之间的短路试验，都是将无关侧开路，相关侧一侧加压，另一侧短路。

然后根据三个试验所得值，由公式可算出每个绕组的折算到一次侧的等值阻抗值。

公式的语言描述如下：

某一侧的等值阻抗等于与该侧有关的两个试验所得值之和，减去与该侧无关的试验所得值，得数除二。

如一次侧的等值阻抗等于一、二次间的试验所得值加上一、三次间的试验所得值，减去二、三次间的试验所得值，得数再除二。

由此可知，要减小一次侧的等值阻抗，就必须减小一、二次间的等值阻抗和一、三次间的等值阻抗，增大二、三次间的等值阻抗值，升压变压器之所以将低压绕组放在中间，就是为了使原边具有较小的等值阻抗。