1.5 三相变压器
三相变压器在为大型负载和大规模电力分配方面更具经济性。尽管大多数用电设备是通过单相变压器连接的，但从经济角度来看，单相变压器并不适用于大规模电力分配。
三相电力几乎用于电力系统的各个领域，包括发电、输电和配电环节，以及所有工业部门都采用三相系统供电。因此，在三相系统中升高（或增加）或降低（或减少）电压时，需要使用三相变压器。与单相变压器相比，三相变压器具有许多优势，例如在相同的功率处理能力下，其构造更小、更轻，且运行特性更好。
什么是三相变压器
三相变压器用于在电力传输系统的各个阶段升高或降低高电压。在各个发电站产生的电力是三相的，电压范围为13.2kV或22kV。为了减少传输过程中的功率损耗，电力以更高的电压（如132kV或400kV）进行传输。因此，为了以更高的电压传输电力，需要使用三相升压变压器来提高电压。同样，在传输或配电的末端，这些高电压需要降低到6600V、400V、230V等较低的电压水平，这时需要使用三相降压变压器。
三相变压器可以通过两种方式构建：一种是使用三个单相变压器组成一个三相变压器组；另一种是使用一个单体的三相变压器。
前者是通过将三个具有相同额定值和运行特性的单相变压器适当连接而成。在这种情况下，如果其中一个变压器发生故障，系统仍然可以通过其他两个变压器以开三角形连接的方式保持运行，从而维持供电的连续性。这种连接方式常用于矿山，因为单个单相变压器更容易运输。
三相变压器还可以通过一个单体的三相变压器构建，该变压器在公共多腿铁芯上设有六个绕组。由于是单体结构，相比三个相同额定值的单相变压器单元，其重量和成本都降低了，同时节省了绕组、铁芯中的铁量和绝缘材料。安装单体变压器所需的空间也比安装三相变压器组少。然而，单体三相变压器的唯一缺点是，如果任何一个相发生故障，则整个单元必须从服务中移除。
三相变压器的构造
三相变压器可以通过使用公共磁芯来构建初级和次级绕组。正如我们在单相变压器中讨论的那样，其构造可以是芯式或壳式。因此，对于三相芯式变压器组，三个芯式单相变压器被组合在一起。同样，三相壳式变压器组是通过适当组合三个壳式单相变压器而形成的。在壳式变压器中，EI型叠片铁芯环绕着线圈，而在芯式变压器中，线圈环绕着铁芯。
芯式构造
在芯式三相变压器中，铁芯由三个支腿（或腿）和两个轭组成。这些轭和支腿之间形成了磁路。每个支腿上都同心地绕有初级和次级绕组。这种类型的变压器使用圆柱形线圈作为绕组。一个相的初级和次级绕组绕在一个支腿上。在平衡条件下，每个支腿中的磁通量相互抵消，总和为零。因此，在正常情况下，不需要返回支腿。但如果负载不平衡，会产生很大的环流，因此在这种情况下，最好使用三个单相变压器。
壳式构造
在壳式变压器中，三个相更加独立，因为每个相都有独立的磁路，与芯式变压器相比。其构造类似于一个单相壳式变压器叠放在另一个上面。这种变压器的磁路是并联的。因此，可以忽略公共磁路中的饱和效应。然而，在实际应用中，壳式构造的变压器很少被使用。
三相变压器的工作原理
考虑下图，其中变压器的初级绕组以星形方式连接到铁芯上。为了简化，图中仅显示了初级绕组，它连接到三相交流电源上。三个铁芯之间的夹角为120度。每个铁芯的空闲支腿被组合在一起，形成中心支腿，如图所示。
当变压器的初级绕组被三相电源激励时，电流、和分别流经各个相绕组。这些电流在各自的铁芯中产生磁通量、和。由于中心支腿是所有铁芯的公共部分，因此所有三个磁通量的总和由它承载。在三相系统中，任何瞬间所有电流的矢量和为零。相应地，在任何瞬间所有磁通量的总和也为零。因此，中心支腿在任何瞬间都不承载任何磁通量。即使移除中心支腿，也不会对变压器的其他条件产生影响。
同样，在三相系统中，任意两根导线作为第三根导线中电流的回路，如果移除三相变压器的中心支腿，任意两个支腿也会作为第三个支腿的磁通量回路。因此，在设计三相变压器时，会使用这一原理。
这些磁通量在各自的相中感应出次级电动势，它们保持相位角。这些电动势驱动次级电流，进而流向负载。根据所使用的连接方式和每个相的匝数，感应出的电压会有所不同，从而实现电压的升高或降低。
三相变压器的连接方式
如上所述，无论是使用单个三相变压器还是三个单相变压器组合，都可以实现三相变换。无论是使用三相变压器 的三个绕组还是三个单相变压器的三个绕组，绕组的连接方式是相同的。初级和次级绕组可以以不同的方式连接，例如三角形或星形或这两种方式的组合。三相变压器的电压和电流额定值取决于合适的连接方式。最常用的连接方式包括：
- 星形-三角形
- 三角形-星形
- 三角形-三角形
- 星形-星形
星形-三角形连接
这种连接方式通常用于在传输末端的变电站降低电压至较低值。公用事业公司使用这种连接方式来降低配电系统的电压水平。
- 在这种连接方式中，变压器的初级绕组以星形连接，次级绕组以三角形连接。
- 初级或高压侧的中性点可以接地，这在大多数情况下是可取的。
- 次级和初级之间的线电压比是每个变压器的变比的倍。
- 初级和次级线电压之间存在30度的相位差。
- 由于实际的初级线圈电压是初级线电压的58%，使用这种绕组连接方式可以降低高压绕组的绝缘要求。
- 在这种连接方式中，即使在初级或高压侧由于中性线而存在不平衡电流的情况下，也能在次级或低压侧获得平衡的三相电压。中性线接地还可以提供雷电浪涌保护。
三角形-星形连接
- 这种连接方式用于升高电压水平，通常用于高压输电系统的起始端或发送端。
- 在这种连接方式中，初级绕组以三角形连接，次级绕组以星形连接，从而在次级实现三相四线制系统。
- 次级向负载提供的电压是三角形连接初级电压的倍。同时，负载电 流和次级电流相同，因为它们是同一串联电路。
- 这种连接方式可以提供三个单相电路，分别在高低电压端，并且在高电压端提供一个三相电路，从而可以同时供应单相和三相负载。
- 在三角形-星形连接中可以获得双电压。通过在任意一相和地之间接线，可以获得较低的单相电压；通过在任意两相之间接线，可以获得较高的单相电压。
- 通过将所有三相连接到负载，可以获得三相电压。由于次级采用星形连接（每相匝数较少），高压侧的绝缘要求降低。
- 与星形-三角形连接类似，这种连接方式也会在初级和次级线电压之间产生30度的相位差。
- 由于初级和次级电压的相位差，这种连接方式不能与三角形-三角形和星形-星形变压器并联运行。
三角形-三角形连接
- 当电源为三角形连接，且次级负载需要单电压和高电流时，采用这种连接方式。这种连接方式通常用于三相动力负载（如三相电机）。
- 在这种连接方式中，初级和次级绕组都以三角形连接。
- 负载上的电压等于次级电压，初级绕组上的电压等于电源电压。在这种情况下，负载上的电流是次级电流的1.732倍，馈线电流等于初级绕组电流的1.732倍。由于这些高电源和负载电流，建议将变压器放置在靠近电源和负载电路的位置。
- 在这种连接方式中，初级和次级电压之间没有相位差。
- 即使负载不平衡，三相电压仍保持恒定，因此允许不平衡负载。
- 这种连接方式的主要优点是，如果一台变压器出现故障或被移除进行维修（开三角连接），剩下的两台变压器仍可以以降低的负载能力继续提供三相功率。
星形-星形连接
- 在这种连接方式中，初级和次级绕组都以星形连接，并且初级和次级电压之间没有相位差。
- 在这种连接方式中，流过初级和次级绕组的电流等于它们所连接的线路电流（电源和负载）。并且，两端的线间电压等于各自绕组电压的1.732倍。
- 由于存在中性点，这种连接方式非常适合三相四线制系统。
- 如果负载平衡，这种连接方式可以正常工作。但如果负载不平衡，中性点的偏移会导致各相电压不相等。
- 如果没有中性点连接，初级和次级绕组中会出现较大的三次谐波电压，这可能导致绝缘损坏。
- 这种连接方式还会显著干扰通信线路，因此在这种连接配置下，电话线路不能与之并行敷设。
- 由于这些缺点，星形-星形连接很少被使用，实际中也不被采用。
斯科特连接
- 这种连接方式用于将三相功率转换为两相功率，使用两台单相变压器。
- 其中一台变压器称为主变压器，具有中心或50%抽头，连接在三相线中的两条线之间。另一台变压器称为辅助变压器，具有86.6%抽头,连接在第三相线和主变压器的50%抽头之间。
- 每台变压器的次级绕组提供两相系统的两个相。
- 如果两台变压器的次级绕组匝数相等，则两台变压器的次级电压大小相等，并且产生的电压彼此相差90度相位。
- 这种连接方式主要用于向两相电机供电。
三相变压器的优点
- 由于已经预接线且随时可以安装，因此安装起来更加方便。
- 提供相同的kVA时，所需的铁芯材料比三台单相变压器少得多。
- 体积更小、重量更轻。
- 安装所需空间更少。
- 效率更高。
- 与三台单相变压器相比，成本更低。
- 运输更加方便，运输成本也更低。
- 单台三相变压器的母线结构和开关设备安装更简单。
- 三相变压器只需引出三个端子，而三台单相变压器需要引出六个端子。
三相变压器的缺点
如果一个相出现故障或丢失，会导致整个单元停机。这是因为三相变压器的所有三个单元共享一个公共铁芯。如果一个单元出现故障，由于缺少反向磁场，该故障单元的铁芯会立即饱和。这会导致更多的磁通量从铁芯泄漏到金属外壳中。这进一步增加了金属部件的发热，在某些情况下，这种热量足以引发火灾。因此，如果任何一个相出现故障，必须停用整个三相变压器（或整个单元）。
- 三相变压器的维修成本更高。
- 与单台单相变压器的备用单元相比，恢复服务所需的备用单元成本更高。
- 当采用自冷方式时，变压器的容量会降低。