电力变压器绕组Y,yn和Y,zn联接法的比较

①：朱正芳，男，讲师。

1.问题的提出近年来，随着输电线路绝缘水平的提高，雷击变压器的事故相应地增多了。一般地区雷击损坏率约1；农村和多雷区有的达30；在非洲湿热带高原地区，每年雷击日达130~150天，国产变压器的雷击损坏率几乎高达50，因而对变压器的耐雷性能提出了更高的要求。

据江苏省电力公司调查统计，在配电系统中，特别是在农村电网中，有25~40的配电变压器（以台为单位）其零线电流超过允许不平衡率。这样使变压器的损耗增加50，占线损率的23.为降低线损，提高电能传输效率，必须定期测量变压器的低压负荷，并进行调整使之基本平衡。很显然这是一个经常性的、较复杂的和量大的工作。

上述两个问题的产生，在很大程度上与所选用的变压器绕组的联接方法有关。那么，有没有一种既具有篼的耐雷性能，又有一定的适应三相不平衡负荷工作性能的变压器呢，Y，znll系列变压器就具有这样的性能。我国过去对变压器绕组只规定Y/Y.Y/YYo/Y.YM和YQ/A五种标准联结法，未列人Y，zn联结法，为此，下文对在相同条件下工作的Y，yn与Y，zn联接法的两种变压器（主要是中小型配电变压器）的性能进行分析和比较。

耐雷性能的比较变压器在运行中有时会遭遇过电压。过电压情况主要有内部过电压和大气过电压两种。对配电变压器以大气过电压的威胁大。

大气过电压又分雷击过电压和感应过电压。这两种过电压是输电线直接遭受雷击，或由于雷云的感应而产生的。一般说来，雷击过电压的机率较高，且危害性较大，所以我们着重讨~50微秒）非周期性脉冲电压波，又叫冲击波，它以近于光的速度沿线路传播，首先经线路的管型避雷器放电，余波经由变压器前的阀型避雷器流人地中，在此避雷器上产生一个电压降，叫做残压，直接作用于变压器上（由于避雷器与变压器之间有一段距离，残压在进人变压器前由于反射叠加而升篼，故实际作用在变压器上的冲击波电压还要略篼于残压）。

冲击波在大多数情况下，是从变压器的高压侧进人，对Y，yn接法的变压器产生逆变过电压；也有由变压器低压侧进人而产生正变换过电压。这两种过电压是雷击损坏变压器的主要因素。

2.1雷击损坏Y，yn联接法变压器的分析~10KV级采用Y，yn变压器的配电系统，高压侧由阀型避雷器保护，采取避雷器的接地线、低压绕组的中性点和变压器金属外壳连在一起，即三点共同接地的防雷保护接线。

2.1.1逆变换过电压损坏变压器高压侧三相进波，引起避雷器动作放电，在避雷器的阀片电阻上产生很大的电压降残压。此残压是一个频率可达10万赫兹以上的高频电压波，它作用于变压器的篼压绕组端子上。在高频电压波的作用下，高压绕组的电抗（X）很大，而容抗（xe）很小，电流只在高压绕组的匝间或段间电容和对地电容流过，可用的等值电路来表示。

电压分布曲线过电压时篼绕组的电容等值电路冲击波侵人绕组后，如为饼式绕组，则沿着绕组高度上起始电压的分布取决于段间电容C‘和每段对地电容C’f.e的比例。一部分雷电流由C‘Ft分流，一部分流过C’，故每段间电容流过的电流不相等，且沿绕组高度自上而下递减，导致起始电压分布不均，在绕组端部出现较大的电压梯度，见的双曲线5.上的曲线1、2、3、5是按照绕组对地总电容（CFe=nC‘Fe，n?绕组段数）与段间总电容（C，=CVn）之比开平方所得系数绘制的。绕组端部较大的电压梯度对匝间和段间绝缘造成威胁。因此在设计、制造变压器时，对容量在8002500KVA、电压等级为35KV的变压器，要对首末两端各四段绕组加强对地绝缘；对110KV以高压绕组，则广泛采用纠结式绕组；对于?10?上的容量小于800KVA，电压等级在35KV以下，高压绕组系多层圆筒式结构。后者层间电容远大于每层对地电容，故冲击电压的起始分布可以认为是接近后分布，残压威胁不大，通常不再加强首末端绝缘。对于容量小于800KVA而电压等级为35KV~38.5KV的变压器，可采用“静电屏”来增大纵向电容，以改善电压起始分布。上述是冲击电压施加在高压绕组上的情况。此外，雷电流经过避雷器和接地线放电时，在接地电阻上也产生一个很大的冲击电压降，通过低压中性线而大部分施加在低压绕组。这样在低压绕组内也流过雷电流，上，见由此而产生的零序磁通将匝链于高压绕组，在其上产生一个很高的感应电压，通常称为逆变换过电压。它的幅值取决于进波电流的幅值、波长、接地电阻，以及变压比等因素。起始电压在绕组中按线性分布，见直线4.由于是逆变换电压，其方向与残压相反，所以大值出现在高压中性点上。它的幅值比残压大几倍到几十倍，对主绝缘造成很大威胁，这就是变压器往往在中性点附近被击毁的原因。

等值电路图当高压三相进波时，高压绕组中性点电位将由冲击电位和逆变换电压这两个电压分量叠加。当侵人避雷器电流为1000A，接地电阻为100时，一般中小变压器篼压绕组中性点电位可达150KV，这势必击穿绕组的绝缘。

正变换过电压损坏变压器在山坡下的空旷地区或平原地区的低压线路，往往容易直接落雷或产生感应过电压。低压二相进波如7K.低压三相进波示意图这时，电压分配在低压绕组和接地电阻上，侵人的雷电流通过电磁感应在高压绕组上产生感应电压，通常称为正变换过电压。它的大小与进波的电压幅值，变压比以及接地电阻有关。当进波电为10KV时，篼压绕组中性点电位可达134KV，必将导致高压绕组绝缘击穿。

Y，znll系列变压器耐雷性能分析根据雷电击坏Y，yn变压器的分析，可知变压器的主要威胁来自正、逆变换所引起的过电压。无论是正变换过电压还是逆变换过电压，均是由于低压绕组中有雷电流流过，并在高压绕组中感应出高电压而击坏变压器的。

为了防止正、逆变换过电压的危害，提出了低压绕组的Z形联结法。

我们将低压绕组上的每一相绕组都分成两半，把一相绕组上的上一半和另一相绕组的下一半反接串联，组成新的一相，再把每一半绕组的下一半的起端a2，b2，c2连在一起作为中点，见。这种联接称为Z型联结或曲折联结。

Z形联结此种联结的优点是，当雷击发生时，无论是高压侧进波，还是由低压侧进波，因每个铁心柱上的绕组分为匝数相等的上、下两半，并且下半段是反接，所以其中流过的雷电流大小相等，方向相反（见所示）。由于这种绕组的冲击零序阻抗很小，所以雷电流在每一个铁心柱上的总磁势几乎等于零，在高压绕组中就不会产生感应高电压，从而消除了正、逆变换过电压，使篼电压中性点的电位大大降低。

Y，Zn变压器高低压侧进波示意图值得指出的是，近年来已不断改善了变压器的防雷保护措施，如在配电变压器低压侧也加装低压避雷器或压敏电阻。这样，中性点电位被限制在60KV以下，耐压水平可达10KV，但仍没有根除正、逆变换过电压对变压器的危害，还应指出，低压的保护装置还存在一定的问题，如FS一0.5避雷器残压太高；一些压敏电阻热容量小，易损坏；低压磁吹残压避雷器，电弧气体容易把防雨罩冲落，造成进水烧毁等。

变压器仍然容易受到雷击损坏，绝非完全之计，好还是采用Y，zn?11系列变压器。下面一个例子是好的说明。

无锡电视传播台采用Y，yn变压器安装于山顶，低压线直接进机房。变压器篼低压侧均装了防雷装置，曾发生过两次雷击损坏变压器事故。后来改装Y，Zn变压器后，虽然接地电阻很高（97欧），但经多年运行，虽遭受多次雷击，其中一次雷电压高达260KV，而变压器仍完好恙因此，Y，zn联结的变压器有着其他接法所不能比拟的良好耐雷性。

在三相负荷不平衡时运行情况的比较在三相四线制低压配电系统中运行的变压器，三相负荷经常会出现不平衡的情况，有时甚至只有单相负载，或有一相短路。出现这些情况后，Y，yn联结法的变压器会在不同程度上产生中性点位移的现象，从而导致供电线路的过电压。

3.1Y，yn变压器的不对称运行分析为简化分析，设变压器二次侧a相的负荷大于c，b两相，且c，b两相的负荷相等。用“对称分量法”把不对称的这三相负荷电流m分解成正序、负序和零序三组三相对称电流。

零序：ia二U正序：ia+在不对称的三相负荷电流中，各相是其相应的三个分量的矢量和，即：以上联立方程组，可求得每组的对称分量。其中零序分量：电流。

一、二次侧中的正序电流与三相在对称负荷下运行的情况一样，负序电流与三相在对称负荷下运行的情况相似，一、二次侧是互相平衡的，对变压器运行可以认为没有影响。零序电流则不同，由于一次侧中没有零线，零序电流不能流通，二次侧中零序电流产生的磁势没有一次侧相应的磁势相平衡，于是二次侧零序电流将成为励磁电流，建立起同时和一、二次侧相交链的零序主磁通￠0.感应出零序电势Eo不对称负荷的矢量图如果二次侧三相负荷平衡，则三相相电压对称，矢量图见，分别为。,（，图中。

是线电压三角形的重心。当3相负荷超过额定值时，产生零序电流I它滞后于1约90°，建立与它同相的磁通￠，并在各相中感应出滞后于磁通90°的零序电势E现仅作定性分析，可以忽略零序漏磁阻抗压降，则￡。=IX，把此电压与各相电压相叠加，即得二次侧各相的电（1.，0/=江+由图可见，a相电压比对称运行时降低了，b、c两相电压升高了，导致三相电压不对称。此时，二次侧的线电压三角形abc仍保持不变，但相电压星形的中点却从原来的点移到了\’点，这种现象称为中点移动。中点漂移给输电系统带来很大的危害，主要如下：由于b、c两相电压升高，使在这两相上工作的低压电器，如日光灯，电视机等的使用寿命降低，甚至烧毁。如在额定电压下工作的灯泡寿命为100，当电压升高1，寿命则降低13；当电压升高5，寿命就缩短一半。

电容器寿命亦然。

由于零序磁通不能在铁心里流通，只能通过油和油箱闭合，则在铁心、绕组和油箱壁中产生涡流，引起附加损耗和局部过热。

引起变压器一次侧供电网络电压的波动，降低供电质量。

丫，211变压器不对称运行情况现在我们仍以a相过负荷为例。此时，a相零序电流仍为：因为零序电流是同大小，同相位的矢量，即：前面述及，Y，m联结的变压器的低压绕组把一相绕组的上一半和另一相绕组的下一半反接串联，组成新的一相。这种特殊的联结法，使得在每柱铁心上的上下两半绕组中，同时流过大小相等、方向相反的零序电流，它建立起来的零序磁通和感应出来的零序电势皆在每柱上互相抵消，其值都等于零。零序电流通过变压器的情况见。

零序电流通过绕组示意图0），从理论上说Y，zn变压器在三相负荷不对称运行时，不会发生中性点漂移现象，从而保证了配电系统电压的稳定。

关于三次谐波的分析由于变压器铁心的饱和现象、空载电流与主磁通之间的关系是非线性的。这样，当电源电压为正弦波时，反电势和主磁通也应是正弦波，但空载电流并非正弦波，而是尖顶波。此尖顶波的空载电流（主要是磁化电流）可用傅立叶级数分解为一系列的谐波分量：1，3，5，7，等奇次项。除基波（一次项）外，以三次谐波的幅值大。三相空载电流的三次谐波的特点是：同时、同相位、同大小。它在不同联结组别的变压器中，对电势波形产生不同的影响。

Y，yn变压器中的三次谐波此种联结法变压器一次侧是星形而无中线，三次谐波电流不能流通，于是空载电流中无三次谐波分量，使主磁通中包含了三次谐波分量，引起磁通波形畸变。此时，变压器一、二次侧的相电势中出现三次谐波，但因二次侧绕组中有中线，三次谐波相电势便在二次回路中产生三次谐波电流。由于一次侧没有三次谐波电流和二次侧相平衡，因此二次侧三次谐波电流起到了励磁作用，与一次侧的空载电流（近似等于负载时的励磁电流）一起共同建立主磁通，使一、二次侧的感应电势近似保持为正弦波形，基本上消除了三次谐波对相电势的影响。至于线电势，则因三次谐波的性质，对它的波形无影响。

Y，zn变压器中的三次谐波三次谐波在此系统中的情况与Y，yn完全相同，只有一点不同，就是Y，yn变压器二次侧的三次谐波电流起到励磁作用，而Y，zn变压器二次侧中的三次谐波电流，由于在每柱铁心中产生的总磁势为零，故不起励磁作用，从而使一、二次侧的相电势波形稍有畸变，这是它的缺点。必须指出，三次谐波电流在Y，yn变压器和Y，Zn变压器的配电系统中都存在，由它建立的三次谐波磁通和零序磁通一样在变压器中产生附加损耗。由于三次谐波磁通不能经由铁心闭合，而是经油、箱壁闭合，这些磁路的磁阻很大，所以三次谐波磁通很小，主磁通仍然接近正弦波。Y，zn变压器的相电势仍接近一13容量正弦波。为建立正弦波形的主磁通所需的三次谐波电流也是很小的，我们可以认为对变压器的运行影响甚微，可以忽略不计。

0曲折形联接法及其矢量图U）绕组联结法；（b）上半部矢量图（c）下半部矢量图；（d）合成矢量图至于三次和其他次谐波对变压器以外的供电网络的影响（可能导致系统的铁磁谐振），这是大部分采用铁磁材料的电气设备的通病，在此不作分析。

5.Y，yn与Y，zn变压器的技术经济指标Y，yn变压器每一相的电势是由放于两个铁心柱上的，在相位上相差300°的矢量合成，如0所示。由图可知，每相电势是半个绕组电势的A倍。Y，yn联接法的每相电势是半个绕组电势的2倍。在相同电势下，Y，zn接法的绕组匝数等于Y，yn接法的2冶=1.1547倍。也就是说，线材增加了，当然相应的各种原材料消耗也有所增加。现将按照电力变压器国家标准GB1094设计的Y，yn0系列的变压器和Y，znll系列变压器的铜、铁（硅钢片）耗量列表如由表可知，Y，zn接法的变压器比Y，yn接法的变压器硅钢片耗量平均增加9.61，铜线耗量平均增加20.6.此外，在设计上由于Y，zn联结法的漏磁等效面积计算方法和三绕组变压器一样，较为复杂，增加了设计工作量。Y，zn变压器的低压绕组制造和接线工艺均较Y，yn的复杂，从而增加了制造工时。因此，Y，znll系列变压器的价格比Y，yn的为篼。从节约原材料和减少使用单位购置变压器的费用来看，当然是以选用Y，yn变压器为好。这也是Y，Zn不能广泛使用的主要原因，但综合上述两种变压器的分析、比较，Y，znll系列变压器有着Y，yn变压器不可比拟的优点。因此，在选用变压器时，应对两种变压器的利弊多作权衡。

6.结对于低压配电系统，为了经济合理地选用变压器，我们提出如下建议：凡是下列情况必须采用Y，znll系列产品；土壤电阻率篼，接地电阻超过4~10O的地区；三相负载常处于不平衡状况下工作的配电网络；光力合用的工厂和照明的机关、学校、旅馆等的配电系统。

当然对于少雷的平原、坝区，只要加强变压器的防雷保护措施，还是选用Y，yn变压器比较经济。