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　　①：朱正芳，男，講師。

　　1.問題的提出近年來，隨著輸電線路絕緣水平的提高，雷擊變壓器的事故相應(yīng)地增多了。一般地區(qū)雷擊損壞率約1；農(nóng)村和多雷區(qū)有的達(dá)30；在非洲濕熱帶高原地區(qū)，每年雷擊日達(dá)130~150天，國產(chǎn)變壓器的雷擊損壞率幾乎高達(dá)50，因而對變壓器的耐雷性能提出了更高的要求。

　　據(jù)江蘇省電力公司調(diào)查統(tǒng)計，在配電系統(tǒng)中，特別是在農(nóng)村電網(wǎng)中，有25~40的配電變壓器（以臺為單位）其零線電流超過允許不平衡率。這樣使變壓器的損耗增加50，占線損率的23.為降低線損，提高電能傳輸效率，必須定期測量變壓器的低壓負(fù)荷，并進(jìn)行調(diào)整使之基本平衡。很顯然這是一個經(jīng)常性的、較復(fù)雜的和量大的工作。

　　上述兩個問題的產(chǎn)生，在很大程度上與所選用的變壓器繞組的聯(lián)接方法有關(guān)。那么，有沒有一種既具有篼的耐雷性能，又有一定的適應(yīng)三相不平衡負(fù)荷工作性能的變壓器呢，Y，znll系列變壓器就具有這樣的性能。我國過去對變壓器繞組只規(guī)定Y/Y.Y/YYo/Y.YM和YQ/A五種標(biāo)準(zhǔn)聯(lián)結(jié)法，未列人Y，zn聯(lián)結(jié)法，為此，下文對在相同條件下工作的Y，yn與Y，zn聯(lián)接法的兩種變壓器（主要是中小型配電變壓器）的性能進(jìn)行分析和比較。

　　耐雷性能的比較變壓器在運行中有時會遭遇過電壓。過電壓情況主要有內(nèi)部過電壓和大氣過電壓兩種。對配電變壓器以大氣過電壓的威脅大。

　　大氣過電壓又分雷擊過電壓和感應(yīng)過電壓。這兩種過電壓是輸電線直接遭受雷擊，或由于雷云的感應(yīng)而產(chǎn)生的。一般說來，雷擊過電壓的機(jī)率較高，且危害性較大，所以我們著重討~50微秒）非周期性脈沖電壓波，又叫沖擊波，它以近于光的速度沿線路傳播，首先經(jīng)線路的管型避雷器放電，余波經(jīng)由變壓器前的閥型避雷器流人地中，在此避雷器上產(chǎn)生一個電壓降，叫做殘壓，直接作用于變壓器上（由于避雷器與變壓器之間有一段距離，殘壓在進(jìn)人變壓器前由于反射疊加而升篼，故實際作用在變壓器上的沖擊波電壓還要略篼于殘壓）。

　　沖擊波在大多數(shù)情況下，是從變壓器的高壓側(cè)進(jìn)人，對Y，yn接法的變壓器產(chǎn)生逆變過電壓；也有由變壓器低壓側(cè)進(jìn)人而產(chǎn)生正變換過電壓。這兩種過電壓是雷擊損壞變壓器的主要因素。

　　2.1雷擊損壞Y，yn聯(lián)接法變壓器的分析~10KV級采用Y，yn變壓器的配電系統(tǒng)，高壓側(cè)由閥型避雷器保護(hù)，采取避雷器的接地線、低壓繞組的中性點和變壓器金屬外殼連在一起，即三點共同接地的防雷保護(hù)接線。

　　2.1.1逆變換過電壓損壞變壓器高壓側(cè)三相進(jìn)波，引起避雷器動作放電，在避雷器的閥片電阻上產(chǎn)生很大的電壓降??殘壓。此殘壓是一個頻率可達(dá)10萬赫茲以上的高頻電壓波，它作用于變壓器的篼壓繞組端子上。在高頻電壓波的作用下，高壓繞組的電抗（X）很大，而容抗（xe）很小，電流只在高壓繞組的匝間或段間電容和對地電容流過，可用的等值電路來表示。

　　電壓分布曲線過電壓時篼繞組的電容等值電路沖擊波侵人繞組后，如為餅式繞組，則沿著繞組高度上起始電壓的分布取決于段間電容C‘和每段對地電容C’f.e的比例。一部分雷電流由C‘Ft分流，一部分流過C’，故每段間電容流過的電流不相等，且沿繞組高度自上而下遞減，導(dǎo)致起始電壓分布不均，在繞組端部出現(xiàn)較大的電壓梯度，見的雙曲線5.上的曲線1、2、3、5是按照繞組對地總電容（CFe=nC‘Fe，n?繞組段數(shù)）與段間總電容（C，=CVn）之比開平方所得系數(shù)繪制的。繞組端部較大的電壓梯度對匝間和段間絕緣造成威脅。因此在設(shè)計、制造變壓器時，對容量在800 2500KVA、電壓等級為35KV的變壓器，要對首末兩端各四段繞組加強對地絕緣；對110KV以高壓繞組，則廣泛采用糾結(jié)式繞組；對于?10?上的容量小于800KVA，電壓等級在35KV以下，高壓繞組系多層圓筒式結(jié)構(gòu)。后者層間電容遠(yuǎn)大于每層對地電容，故沖擊電壓的起始分布可以認(rèn)為是接近后分布，殘壓威脅不大，通常不再加強首末端絕緣。對于容量小于800KVA而電壓等級為35KV~38.5KV的變壓器，可采用“靜電屏”來增大縱向電容，以改善電壓起始分布。上述是沖擊電壓施加在高壓繞組上的情況。此外，雷電流經(jīng)過避雷器和接地線放電時，在接地電阻上也產(chǎn)生一個很大的沖擊電壓降，通過低壓中性線而大部分施加在低壓繞組。這樣在低壓繞組內(nèi)也流過雷電流，上，見由此而產(chǎn)生的零序磁通將匝鏈于高壓繞組，在其上產(chǎn)生一個很高的感應(yīng)電壓，通常稱為逆變換過電壓。它的幅值取決于進(jìn)波電流的幅值、波長、接地電阻，以及變壓比等因素。起始電壓在繞組中按線性分布，見直線4.由于是逆變換電壓，其方向與殘壓相反，所以大值出現(xiàn)在高壓中性點上。它的幅值比殘壓大幾倍到幾十倍，對主絕緣造成很大威脅，這就是變壓器往往在中性點附近被擊毀的原因。

　　等值電路圖當(dāng)高壓三相進(jìn)波時，高壓繞組中性點電位將由沖擊電位和逆變換電壓這兩個電壓分量疊加。當(dāng)侵人避雷器電流為1000A，接地電阻為100時，一般中小變壓器篼壓繞組中性點電位可達(dá)150KV，這勢必?fù)舸├@組的絕緣。

　　正變換過電壓損壞變壓器在山坡下的空曠地區(qū)或平原地區(qū)的低壓線路，往往容易直接落雷或產(chǎn)生感應(yīng)過電壓。低壓二相進(jìn)波如7K.低壓三相進(jìn)波示意圖這時，電壓分配在低壓繞組和接地電阻上，侵人的雷電流通過電磁感應(yīng)在高壓繞組上產(chǎn)生感應(yīng)電壓，通常稱為正變換過電壓。它的大小與進(jìn)波的電壓幅值，變壓比以及接地電阻有關(guān)。當(dāng)進(jìn)波電為10KV時，篼壓繞組中性點電位可達(dá)134KV，必將導(dǎo)致高壓繞組絕緣擊穿。

　　Y，znll系列變壓器耐雷性能分析根據(jù)雷電擊壞Y，yn變壓器的分析，可知變壓器的主要威脅來自正、逆變換所引起的過電壓。無論是正變換過電壓還是逆變換過電壓，均是由于低壓繞組中有雷電流流過，并在高壓繞組中感應(yīng)出高電壓而擊壞變壓器的。

　　為了防止正、逆變換過電壓的危害，提出了低壓繞組的Z形聯(lián)結(jié)法。

　　我們將低壓繞組上的每一相繞組都分成兩半，把一相繞組上的上一半和另一相繞組的下一半反接串聯(lián)，組成新的一相，再把每一半繞組的下一半的起端a2，b2，c2連在一起作為中點，見。這種聯(lián)接稱為Z型聯(lián)結(jié)或曲折聯(lián)結(jié)。

　　Z形聯(lián)結(jié)此種聯(lián)結(jié)的優(yōu)點是，當(dāng)雷擊發(fā)生時，無論是高壓側(cè)進(jìn)波，還是由低壓側(cè)進(jìn)波，因每個鐵心柱上的繞組分為匝數(shù)相等的上、下兩半，并且下半段是反接，所以其中流過的雷電流大小相等，方向相反（見所示）。由于這種繞組的沖擊零序阻抗很小，所以雷電流在每一個鐵心柱上的總磁勢幾乎等于零，在高壓繞組中就不會產(chǎn)生感應(yīng)高電壓，從而消除了正、逆變換過電壓，使篼電壓中性點的電位大大降低。

　　Y，Zn變壓器高低壓側(cè)進(jìn)波示意圖值得指出的是，近年來已不斷改善了變壓器的防雷保護(hù)措施，如在配電變壓器低壓側(cè)也加裝低壓避雷器或壓敏電阻。這樣，中性點電位被限制在60KV以下，耐壓水平可達(dá)10KV，但仍沒有根除正、逆變換過電壓對變壓器的危害，還應(yīng)指出，低壓的保護(hù)裝置還存在一定的問題，如FS一0.5避雷器殘壓太高；一些壓敏電阻熱容量小，易損壞；低壓磁吹殘壓避雷器，電弧氣體容易把防雨罩沖落，造成進(jìn)水燒毀等。

　　變壓器仍然容易受到雷擊損壞，絕非完全之計，好還是采用Y，zn?11系列變壓器。下面一個例子是好的說明。

　　無錫電視傳播臺采用Y，yn變壓器安裝于山頂，低壓線直接進(jìn)機(jī)房。變壓器篼低壓側(cè)均裝了防雷裝置，曾發(fā)生過兩次雷擊損壞變壓器事故。后來改裝Y，Zn變壓器后，雖然接地電阻很高（97歐），但經(jīng)多年運行，雖遭受多次雷擊，其中一次雷電壓高達(dá)260KV，而變壓器仍完好恙因此，Y，zn聯(lián)結(jié)的變壓器有著其他接法所不能比擬的良好耐雷性。

　　在三相負(fù)荷不平衡時運行情況的比較在三相四線制低壓配電系統(tǒng)中運行的變壓器，三相負(fù)荷經(jīng)常會出現(xiàn)不平衡的情況，有時甚至只有單相負(fù)載，或有一相短路。出現(xiàn)這些情況后，Y，yn聯(lián)結(jié)法的變壓器會在不同程度上產(chǎn)生中性點位移的現(xiàn)象，從而導(dǎo)致供電線路的過電壓。

　　3.1Y，yn變壓器的不對稱運行分析為簡化分析，設(shè)變壓器二次側(cè)a相的負(fù)荷大于c，b兩相，且c，b兩相的負(fù)荷相等。用“對稱分量法”把不對稱的這三相負(fù)荷電流m分解成正序、負(fù)序和零序三組三相對稱電流。

　　零序：ia二U正序：ia+在不對稱的三相負(fù)荷電流中，各相是其相應(yīng)的三個分量的矢量和，即：以上聯(lián)立方程組，可求得每組的對稱分量。其中零序分量：電流。

　　一、二次側(cè)中的正序電流與三相在對稱負(fù)荷下運行的情況一樣，負(fù)序電流與三相在對稱負(fù)荷下運行的情況相似，一、二次側(cè)是互相平衡的，對變壓器運行可以認(rèn)為沒有影響。零序電流則不同，由于一次側(cè)中沒有零線，零序電流不能流通，二次側(cè)中零序電流產(chǎn)生的磁勢沒有一次側(cè)相應(yīng)的磁勢相平衡，于是二次側(cè)零序電流將成為勵磁電流，建立起同時和一、二次側(cè)相交鏈的零序主磁通￠0.感應(yīng)出零序電勢Eo不對稱負(fù)荷的矢量圖如果二次側(cè)三相負(fù)荷平衡，則三相相電壓對稱，矢量圖見，分別為。,（，圖中。

　　是線電壓三角形的重心。當(dāng)3相負(fù)荷超過額定值時，產(chǎn)生零序電流I它滯后于1約90°，建立與它同相的磁通￠，并在各相中感應(yīng)出滯后于磁通90°的零序電勢E現(xiàn)僅作定性分析，可以忽略零序漏磁阻抗壓降，則￡。=IX，把此電壓與各相電壓相疊加，即得二次側(cè)各相的電（1.，0/=江+由圖可見，a相電壓比對稱運行時降低了，b、c兩相電壓升高了，導(dǎo)致三相電壓不對稱。此時，二次側(cè)的線電壓三角形abc仍保持不變，但相電壓星形的中點卻從原來的點移到了'點，這種現(xiàn)象稱為中點移動。中點漂移給輸電系統(tǒng)帶來很大的危害，主要如下：由于b、c兩相電壓升高，使在這兩相上工作的低壓電器，如日光燈，電視機(jī)等的使用壽命降低，甚至燒毀。如在額定電壓下工作的燈泡壽命為100，當(dāng)電壓升高1，壽命則降低13；當(dāng)電壓升高5，壽命就縮短一半。

　　電容器壽命亦然。

　　由于零序磁通不能在鐵心里流通，只能通過油和油箱閉合，則在鐵心、繞組和油箱壁中產(chǎn)生渦流，引起附加損耗和局部過熱。

　　引起變壓器一次側(cè)供電網(wǎng)絡(luò)電壓的波動，降低供電質(zhì)量。

　　丫，211變壓器不對稱運行情況現(xiàn)在我們?nèi)砸詀相過負(fù)荷為例。此時，a相零序電流仍為：因為零序電流是同大小，同相位的矢量，即：前面述及，Y，m聯(lián)結(jié)的變壓器的低壓繞組把一相繞組的上一半和另一相繞組的下一半反接串聯(lián)，組成新的一相。這種特殊的聯(lián)結(jié)法，使得在每柱鐵心上的上下兩半繞組中，同時流過大小相等、方向相反的零序電流，它建立起來的零序磁通和感應(yīng)出來的零序電勢皆在每柱上互相抵消，其值都等于零。零序電流通過變壓器的情況見。

　　零序電流通過繞組示意圖0），從理論上說Y，zn變壓器在三相負(fù)荷不對稱運行時，不會發(fā)生中性點漂移現(xiàn)象，從而保證了配電系統(tǒng)電壓的穩(wěn)定。

　　關(guān)于三次諧波的分析由于變壓器鐵心的飽和現(xiàn)象、空載電流與主磁通之間的關(guān)系是非線性的。這樣，當(dāng)電源電壓為正弦波時，反電勢和主磁通也應(yīng)是正弦波，但空載電流并非正弦波，而是尖頂波。此尖頂波的空載電流（主要是磁化電流）可用傅立葉級數(shù)分解為一系列的諧波分量：1，3，5，7，等奇次項。除基波（一次項）外，以三次諧波的幅值大。三相空載電流的三次諧波的特點是：同時、同相位、同大小。它在不同聯(lián)結(jié)組別的變壓器中，對電勢波形產(chǎn)生不同的影響。

　　Y，yn變壓器中的三次諧波此種聯(lián)結(jié)法變壓器一次側(cè)是星形而無中線，三次諧波電流不能流通，于是空載電流中無三次諧波分量，使主磁通中包含了三次諧波分量，引起磁通波形畸變。此時，變壓器一、二次側(cè)的相電勢中出現(xiàn)三次諧波，但因二次側(cè)繞組中有中線，三次諧波相電勢便在二次回路中產(chǎn)生三次諧波電流。由于一次側(cè)沒有三次諧波電流和二次側(cè)相平衡，因此二次側(cè)三次諧波電流起到了勵磁作用，與一次側(cè)的空載電流（近似等于負(fù)載時的勵磁電流）一起共同建立主磁通，使一、二次側(cè)的感應(yīng)電勢近似保持為正弦波形，基本上消除了三次諧波對相電勢的影響。至于線電勢，則因三次諧波的性質(zhì)，對它的波形無影響。

　　Y，zn變壓器中的三次諧波三次諧波在此系統(tǒng)中的情況與Y，yn完全相同，只有一點不同，就是Y，yn變壓器二次側(cè)的三次諧波電流起到勵磁作用，而Y，zn變壓器二次側(cè)中的三次諧波電流，由于在每柱鐵心中產(chǎn)生的總磁勢為零，故不起勵磁作用，從而使一、二次側(cè)的相電勢波形稍有畸變，這是它的缺點。必須指出，三次諧波電流在Y，yn變壓器和Y，Zn變壓器的配電系統(tǒng)中都存在，由它建立的三次諧波磁通和零序磁通一樣在變壓器中產(chǎn)生附加損耗。由于三次諧波磁通不能經(jīng)由鐵心閉合，而是經(jīng)油、箱壁閉合，這些磁路的磁阻很大，所以三次諧波磁通很小，主磁通仍然接近正弦波。Y，zn變壓器的相電勢仍接近一13容量正弦波。為建立正弦波形的主磁通所需的三次諧波電流也是很小的，我們可以認(rèn)為對變壓器的運行影響甚微，可以忽略不計。

　　0曲折形聯(lián)接法及其矢量圖U）繞組聯(lián)結(jié)法；（b）上半部矢量圖（c）下半部矢量圖；（d）合成矢量圖至于三次和其他次諧波對變壓器以外的供電網(wǎng)絡(luò)的影響（可能導(dǎo)致系統(tǒng)的鐵磁諧振），這是大部分采用鐵磁材料的電氣設(shè)備的通病，在此不作分析。

　　5.Y，yn與Y，zn變壓器的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)Y，yn變壓器每一相的電勢是由放于兩個鐵心柱上的，在相位上相差300°的矢量合成，如0所示。由圖可知，每相電勢是半個繞組電勢的A倍。Y，yn聯(lián)接法的每相電勢是半個繞組電勢的2倍。在相同電勢下，Y，zn接法的繞組匝數(shù)等于Y，yn接法的2冶=1.1547倍。也就是說，線材增加了，當(dāng)然相應(yīng)的各種原材料消耗也有所增加。現(xiàn)將按照電力變壓器國家標(biāo)準(zhǔn)GB1094設(shè)計的Y，yn0系列的變壓器和Y，znll系列變壓器的銅、鐵（硅鋼片）耗量列表如由表可知，Y，zn接法的變壓器比Y，yn接法的變壓器硅鋼片耗量平均增加9.61，銅線耗量平均增加20.6.此外，在設(shè)計上由于Y，zn聯(lián)結(jié)法的漏磁等效面積計算方法和三繞組變壓器一樣，較為復(fù)雜，增加了設(shè)計工作量。Y，zn變壓器的低壓繞組制造和接線工藝均較Y，yn的復(fù)雜，從而增加了制造工時。因此，Y，znll系列變壓器的價格比Y，yn的為篼。從節(jié)約原材料和減少使用單位購置變壓器的費用來看，當(dāng)然是以選用Y，yn變壓器為好。這也是Y，Zn不能廣泛使用的主要原因，但綜合上述兩種變壓器的分析、比較，Y，znll系列變壓器有著Y，yn變壓器不可比擬的優(yōu)點。因此，在選用變壓器時，應(yīng)對兩種變壓器的利弊多作權(quán)衡。

　　6.結(jié)對于低壓配電系統(tǒng)，為了經(jīng)濟(jì)合理地選用變壓器，我們提出如下建議：凡是下列情況必須采用Y，znll系列產(chǎn)品；土壤電阻率篼，接地電阻超過4~10O的地區(qū)；三相負(fù)載常處于不平衡狀況下工作的配電網(wǎng)絡(luò)；光力合用的工廠和照明的機(jī)關(guān)、學(xué)校、旅館等的配電系統(tǒng)。

　　當(dāng)然對于少雷的平原、壩區(qū)，只要加強變壓器的防雷保護(hù)措施，還是選用Y，yn變壓器比較經(jīng)濟(jì)。