Yyn型三相三柱式变压器励磁电流性质研究_课题研究_机械工业北京电工技术经济研究所

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Yyn型三相三柱式变压器励磁电流性质研究

作者: ​李井阳  来源:(国网吉林省电力有限公司培训中心) 时间:2020-11-20

 

摘要:基本所有文献都认为三相三柱式变压器三相励磁电流是对称的。对此,作者通过实验发现,对于Yyn接线的变压器,三相励磁电流不对称,两相呈感性负载,一相呈容性发电,是什么原因引起的?又是哪些条件决定的?本文运用电磁原理对此进行研究并给出结论。

关键词:励磁电流;磁通;磁压;磁势

 

0  引言

目前,没有针对Yyn型三相三柱式变压器三相励磁电流性质研究的文献,都认为它们是对称的三相感性电流,并且直接利用这个条件进行相关运算。实际上,在Yyn型变压器Y接原绕组中,三相励磁电流不仅大小不相等,相位也不对称,通过实验发现:有两相是吸收能量,一相是发出能量。对此,本文在副绕组开路的情况下,通过原绕组的实验数据,利用电磁原理对空载变压器励磁电流性质进行深度研究。

 

1  实验设备及参考方向

实验设备是三相三柱式原、副绕组匝数比即相电压变比为220/110V的双绕组变压器。同一电压等级绕组的匝数相同,绕组之间彼此独立,可根据需要随意连接。如图1。

 image.png

变压器三个铁心柱横截面积基本相同,磁路工作在线性区域,由参考文献[1]可知,磁通的大小由绕组端电压的大小决定。电压与磁通成正比。由于三相三柱式变压器两边磁柱基本对称,所以它们的磁阻接近相等。对于中间磁柱,它比边柱磁路短,所以其磁阻比边柱小。

选择每个绕组电流与电压为关联参考方向,都由同极性端指向末端,电流产生的磁通参考方向与电流参考方向之间符合右螺旋定则。如图1。

 

2  实验数据及原理分析

根据电路基尔霍夫电流定律、磁路基尔霍夫第一定律、第二定律(以下分别简称“KCL”、“磁通定律”、“磁压定律”)、磁路欧姆定律分析实验数据。

2.1  两相原绕组同时加等值反相电源电压

将单相电源经过接触调压器、四象限相位表、电流表(以下测量回路都接入调压器和这两种表)接在图1中第一相原绕组UX两端;再将同一电源反相接在第三相原绕组ZW两端;第二相原绕组开路。测得三相原绕组的电压、励磁电流、以及励磁电流与本相电压的相位角数据如表1第一行所示(线电压等未列出)。同理测得第三相、第一相原绕组分别开路时的数据,如表1第二行、第三行。

表1 两相绕组加等值反相电压时的测量值

A相高压侧绕组

B相高压侧绕组

C相高压侧绕组

U1

I1

Ψ1

U2

I2

Ψ2

U3

I3

Ψ3

220

0.61

hl840

0

--

--

-220

0.57

hl840

220

0.61

hl840

-220

0.3

hl850

2.1

--

--

2.3

--

--

-220

0.3

hl850

220

0.57

hl840

注:电压、电流单位分别为:V(伏)、A(安),hl:负荷感性

对于表1第一行,当两个边柱加等值反相电压时,第二相原绕组开口两端电压U2等于零,电流I2也为零。根据磁路欧姆定律,电压U2对应的磁通Φ2及其产生的磁压Φ2RM都为零,电流产生的磁势IN也为零。这说明第二相磁柱两端总磁压(指一个磁柱上所有磁势与所有磁压之和)为零。根据磁压定律,即并联磁柱两端总磁压相等原理,每个边柱总磁压也一定为零。因每个边柱上只有两个量:一个是原绕组的励磁电流产生的磁势;另一个是原绕组电压对应的磁通产生的磁压。所以这两个量一定是大小相等、相位相反的两个量[2]

按照磁通与电压关系、磁通参考方向,可得两个边柱磁通的大小相等、相位反相,互成回路,亦能得出中间磁柱的磁通为零,使三个并联铁心柱的磁通满足磁通定律,且中间柱绕组的电压为零。

当一个边柱和一个中间柱加上等值反相电压时,另一个边柱原绕组开口两端感应电压的有效值为2V多,不等于零,与额定电压相比很小,所以2V电压对应的磁通(或磁压)也相对很小,由此可得中间磁柱的磁势与磁压的大小与相位结论基本同两个边柱。

2.2  三相原绕组加三相对称电源电压

将实验变压器三相原绕组末端X、Y、Z直接相连,三相原绕组首端U、V、W分别接在相电压为220V的三相对称Y接电源A、B、C上(相位表电压线圈接本相电源电压)。调节调压器,使各相电压都为220V,测量数据如表2第一行所示。

表2 变压器接三相对称电压时的测量值

A

B

C

UA

IA

ΨA

UB

IB

ΨB

UC

IC

ΨC

220

0.57

fc840

220

0.39

hl860

220

0.55

hl730

220

0.61

hl840

220

0.3

hl850

220

0.57

hl840

注: fc:发电容性,hl:负荷感性

以A相电压为参考相量,用表2第一行和三个线电压测量数据(381V、381V、382V)画出相量图2。 


image.png

图2 变压器三相原绕组的电压、电流相量图

根据磁压定律即三相并联磁柱两端总磁压的大小和相位相等原理分析如下。

从表1第一行数据和图2都能直接看出,三相励磁电流大小不相等,相位既不对称也不同相,所以三相励磁电流产生的磁势相位也一定不同相;

三相原绕组电压对称,这三相电压产生的磁通也对称,所以这三相磁通产生的磁压相位一定不同相。由文献[2]可知,每个磁柱中的磁压与磁势相位反相。所以,在这些条件下除了每个磁柱中的总磁压等于零才能使三相并联磁柱两端的总磁压相等以外(这是三相变压器没有零序电流时的运行状态。但是对本文变压器,三相电压虽然相等,但三相励磁电流不相等,所以无法满足),每个磁柱中总磁压的相位都无法与另外两个相位同相。即:不满足磁压定律。

因此,为了满足磁压定律,首先要将表2第一行的三相励磁电流的每一相进行分解,使分解出来的电流分量产生的磁势与本相电压对应的磁通产生的磁压完全抵消,即分解出表1对应的励磁电流和相位(已复制到表2第二行),并画于图2中。那么剩余那个分量就应该是大小相等、相位同相的一组三相零序电流才能满足磁压定律。实验结果如何呢?

将表2中第一行励磁电流分解出第二行电流,剩余的电流即第一行电流与第二行电流之差就应该为一组零序电流iA0、iB0、iC0的相量,如图2。为直观、清楚地看到三相零序电流的大小和相对偏移的相位,将此组零序电流画到一起,以三相零序电流之和的相量为参考相量,计算出相对相位,画出相量如图3(a),大小如图3(b)。

    由文献[3]可知,Yyn型变压器有零序电流通过时,在变压器三相绕组内会引起不同的损耗,这损耗只能表现在三相原绕组励磁电流的变化中,所以导致计算出来的iA0、iB0、iC0三个电流只能接近一组零序电流。产生误差的其它原因见第4节。尽管如此,从每相零序电流相位或者三相零序电流之和的总相位的趋势看,这个损耗在后面对论文结论的分析中没有影响。

image.png


3  一相绕组发出能量

表2中第二行三相电流相量如图3(c)。在三个并联磁柱中,由于中间磁柱的磁阻RM小,所以相同电压作用下对应的磁通产生的磁压ΦRM就小,匝数相同时完全抵消这个磁压所需的磁势IN的励磁电流就小[2]。在三相对称电压作用下,就会使三相励磁电流不对称,且三相电流之和的负值-Δi=0.292A不为零,无法在变压器Y接原绕组自成回路。换言之,为了在原绕组Y接中点满足KCL,必须使Δi等于零。在必须保证表2第二行电流分量后,这缺少的0.292A电流也必须补全,所以只能使Δi分成三个零序电流,即每相零序电流大小为Δi的1/3、相位与-Δi同相。从图3(c)看出,零序电流的相位与磁阻较小的磁柱即中间磁柱(设为B相)的励磁电流相位接近。

在图2中看图3(c)三个励磁电流,对于它们在叠加零序电流(-Δi/3)后的相位,容易看出,只有超前中间磁柱B相电压的A相中的励磁电流,叠加上零序电流分量后的总电流(即表2第一行A相励磁电流),才有可能使这个总电流滞后其电压(A相电压)的相位角由小于90o时的感性负载,转变成大于90o时的容性发电,即图2中变压器A相励磁电流由滞后84o变为滞后96o,此时A相绕组发出电能。其它两相都不会有此现象。所以不是所有变压器都有这种现象。对于本文结构的变压器,有这种现象的主要条件是:涡流损耗较小即励磁电流滞后其电压相位角约80o以上(基本所有变压器都满足)时,就会产生这种现象。

 

4  误差分析

图3中,(a)或(b)中的Δi与(c)中的Δi的差值为0.033A(0.325-0.292),不等于零的原因是因为实验过程中,电源电压也一直在波动,而需要测量的量有三相电源相电压、三相变压器原绕组相电压、三个线电压、三相相电流、三个相位角等15个测量量,由于不能同时测量(用一个万用表分别测量9个电压值),所以就会产生误差。从数据上看误差占其值的11%,当然这百分数里包括零序电流在绕组内产生的损耗。所以,对结果影响很小。结论是正确的。

 

5  结束语

综上所述,变压器三相励磁电流并不对称,其结构原因只有一个,是由于三相三柱式变压器三个并联铁心柱的磁阻不同引起的。而决定Yyn型三相三柱式变压器空载时原绕组励磁电流的因素是,所产生的励磁电流既要满足磁压定律使三个并联磁柱两端总磁压的大小和相位都相等;又要满足KCL使三相原绕组中的电流在Y接中点自成回路。同时导致三相原绕组中有零序电流分量,使得三相三柱式铁心柱两端的总磁压不为零。正因为这个零序电流,使得Yyn接线的变压器三相励磁电流无法对称,两相励磁电流呈感性负载,性质没变,但大小和相位都不一样;另一相励磁电流呈容性,不是吸收能量的负载,而是发出能量的电源。

 

参考文献

[1]李发海,陈汤铭等.电机学[M](上).北京.科学出版社.1984.10: 34-35.

[2]李井阳.配电变压器非全相运行空载电压深度研究[J].变压器,2019,56(09):44-46.

[3]李井阳.Yyn型三相三柱式变压器零序电流物理意义[J].变压器,2020,57(03):23-26

(收稿日期:2020-03-03)

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