曲折连接变压器的特性及应用

2010-12-08王一鸣

黄河水利职业技术学院学报 2010年2期

王一鸣

（合肥工业大学电气与自动化工程学院，合肥 230009）

0 引言

曲折连接变压器早期只作整流变压器用。随着人们对曲折连接变压器特性认识的深入和电网结构参数的变化（尤其是城网中电缆线路的增多），曲折连接变压器越来越多地被应用。目前，我国电力系统中6-35kV 电网接地变压器广泛采用曲折连接变压器。因此，对曲折连接变压器特性的认识和研究是十分必要的。

1 曲折连接变压器的特性

与普通变压器相比较，曲折连接变压器具有以下特性。

1.1 正序阻抗高，零序阻抗低[1～3]

三相变压器等值电路的参数大小与变压器铁心和绕组的结构、绕组的连接方式、绕组与外电路的连接形式及三相绕组中所通过电流的相序有关。例如，对于YNy 连接的变压器，若铁心结构为三相组式或三相五柱式，空载时（设高压侧接电源）的正序等值阻抗与零序等值阻抗相等；若铁心结构为三相三柱式，空载时零序等值阻抗比正序等值阻抗小很多。

对于曲折连接变压器，无论铁心结构为何种形式，其零序等值阻抗总是远小于正序等值阻抗。试以ZNyn11 连接的变压器为例，来证明这一结论。

ZNyn11 连接变压器高压侧外加三相正序电压时的电路如图1 所示。

根据KCL，可得磁动势平衡方程式（以A 相为例）：

图1 ZNyn11 连接变压器的接线图Fig.1 ZNyn11 connection transformer wiring diagram

对A 相电路应用KVL，可得高、低压侧电动势平衡方程式，分别为

式中：R1、R2分别为高压绕组的上、下半绕组的电阻；X1、X2分别为高压绕组的上、下半绕组的漏抗；Zm=Rm+jXm为折算到高压侧的励磁阻抗。

根据KVL,可得低压侧电动势平衡方程式

根据式（2）～（5），可画出ZNyn11 连接变压器折算到高压侧的一相等值电路，如图2 所示。

图2 ZNyn11 连接变压器的等值电路Fig.2 ZNyn11 connection transformer equivalent circuit

空载时，正序等值阻抗为

当ZNyn11 连接变压器的高压侧外加三相零序电压时，高压绕组中通过三相零序电流。因为三相零序电流大小相等、相位相同，所以每一铁心柱上高压侧两个半绕组的磁动势大小相等，相位相反，合成磁动势等于零。可见，高压侧两个半绕组的磁动势是一对平衡磁动势，它们只产生漏磁通，不产生沿铁心闭合的主磁通。若不考虑互漏磁通对低压绕组的作用，则无论低压绕组开路还是短路，其中都不会产生电流。因此，ZNyn11 连接变压器的一相零序等值电路如图3 所示。

图3 ZNyn11 连接变电器一相零序等值电路Fig.3 ZNyn11 connection transformer one-phase zero-sequence equivalent circuit

ZNyn11 连接变压器的零序等值阻抗为

式中R1、R2分别为高压绕组的上、下半绕组的零序电阻，零序电阻等于正序电阻；X10、X20分别为高压绕组的上、下半绕组的零序漏抗，零序漏抗与正序漏抗相差不会很大。

比较式（9）与（6）或（8）可知，无论短路状态，还是空载状态，曲折连接变压器的零序等值阻抗总是远小于正序等值阻抗。

1.2 不会产生正、逆变换过电压，具有良好的防雷特性

配电变压器通常采用将高压侧避雷器接地、低压绕组中性点接地和变压器油箱接地连在一起接地的保护方式。 Yzn 连接变压器的防雷接地如图4 所示。

图4 Yzn 连接变压器的防雷接地图Fig.4 ZNyn11 connection transformer lighting-protection grounding diagram

如图4（a）所示，当高压侧输电线路遭雷击、雷电波从高压侧三相线路入侵变压器时，避雷器放电，产生很大的雷电流，雷电流通过避雷器和接地装置流入大地。雷电流在接地电阻Re上产生很大的冲击电压uR, 这一电压通过低压绕组的中性线施加在低压绕组上。低压绕组通过低压线路的波阻抗Zc、大地及接地装置构成回路，因而低压绕组中产生雷电流。三相雷电流大小相等、方向相同，又因为低压绕组的上、下两个半绕组匝数相等、反向串联，故每个铁心柱上的低压绕组的两个半绕组的磁动势大小相等、方向相反，总磁动势等于零。因此，高压绕组中不会产生很高的感应电压，即不会产生逆变换过电压。

如图4（b）所示，当Yzn 连接变压器低压侧三相进波时，低压绕组中有雷电流通过。雷电流通过每个铁心柱上低压绕组的两个半绕组所产生的磁动势大小相等、方向相反，总磁动势等于零。因此，高压绕组中也不会产生很高的感应电压，即不会产生正变换过电压。可见，曲折连接变压器具有良好的防雷性能。

1.3 具有较强的承受不平衡负载的能力[2～3]

应用对称分量法求得Yyn 连接变压器带单相负载时的负载电流和负载电压，公式分别为

对于三相变压器组或三相五柱式变压器，零序励磁阻抗很大，因而变压器内部等值阻抗Zm0)很大。当负载阻抗（设为感性）减小时，负载电流应有所增大。但负载电流若稍有增加，变压器内部阻抗压降就会增加很多，变压器副边电压就将急剧下降，影响正常供电，同时，负载电流也大不起来。这表明，Yyn 连接变压器承受不平衡负载的能力较低。

应用对称分量法，求得Yzn 连接变压器带单相负载时的负载电流和负载电压的公式为

对于单相负载（或不平衡负载）而言，Yzn 连接变压器的内部等值阻抗很小。当负载阻抗减小时，负载电流增大，负载电压随之而下降。但负载电压不会大大降低，因而会影响正常供电。这表明，Yzn 连接变压器具有较强的承受不平衡负载的能力。

1.4 材料用量大，造价高

由于硅钢片耗用量和导线长度的增加，导致曲折连接变压器运行时的功率损耗也有所增加。

2 曲折连接变压器的应用

因为曲折连接变压器具有上面所说的一些特殊性能，故在一些特殊场合得到了应用。

2.1 用作接地变压器

近几年来，由于城市电网迅速发展，电缆线路逐步增加和线路对地电容不断增大，系统发生单相接地故障时的接地电流也越来越大。实践证明，当10 kV电网接地电流大于30 A 时，接地点将产生稳定电弧。高温电弧可能烧坏设备，甚至导致相间短路。当接地电流小于30 A 而大于10 A 时，接地点可能产生间歇性电弧，可能产生电弧接地过电压和铁磁谐振过电压，对系统设备的绝缘产生危害，造成互感器损坏，甚至引起避雷器爆炸。为了防止上述现象的发生，需要在系统中性点装设消弧线圈或接地电阻。而我国10 kV 配电电网中，所接电力变压器10 kV侧绕组大部分采用三角形连接，没有中性点引出。因此，需要在系统内的适当地点装设接地变压器。对接地变压器特性的要求，主要是正序阻抗高，零序阻抗低。这样，在正常运行时，通过变压器的电流小、损耗小，而当系统发生单相接地故障时，变压器呈现低阻抗，接地电流可以顺畅地从中性点流向线路。曲折连接变压器的特性正好满足上述要求，故我国配电电网中越来越多地采用曲折连接变压器作为接地变压器。三相接地变压器可以只设置一个曲折连接的一次绕组，也可以设置二次绕组，以此可兼作发电厂或变电所的自用电源。曲折连接的接地变压器与系统的连接如图5 所示。