1、第1章變壓器的基本知識(shí)和結(jié)構(gòu)1.11.1 變壓器的基本原理和分類一、變壓器的基本工作原理變壓器是利用電磁感應(yīng)定律把一種電壓等級(jí)的交流電能轉(zhuǎn)換成同頻率的另一種電壓等級(jí)的交流電能。變壓器工作原理圖當(dāng)原邊繞組接到交流電源時(shí)，繞組中便有交流電流流過(guò)，并在鐵心中產(chǎn)生與外加電壓頻率相同的磁通，這個(gè)交變磁通同時(shí)交鏈著原邊繞組和副邊繞組。原、副繞組的感應(yīng)分別表示為一d一deNi2N2dtdt則也亙*ku2e2N2變比 k k：表示原、副繞組的匝數(shù)比，也等于原邊一相繞組的感應(yīng)電勢(shì)與副邊一相繞組的感應(yīng)電勢(shì)之比。改變變壓器的變比，就能改變輸出電壓。但應(yīng)注意，變壓器不能改變電能的頻率二、電力變壓器的分類變壓器的種類很

2、多，可按其用途、相數(shù)、結(jié)構(gòu)、調(diào)壓方式、冷卻方式等不同來(lái)進(jìn)行分類。按用途分類：升壓變壓器、降壓變壓器；按相數(shù)分類：?jiǎn)蜗嘧儔浩骱腿嘧儔浩鳎话淳€圈數(shù)分類：雙繞組變壓器、三繞組變壓器和自耦變壓器；按鐵心結(jié)構(gòu)分類：心式變壓器和殼式變壓器；按調(diào)壓方式分類：無(wú)載（無(wú)勵(lì)磁）調(diào)壓變壓器、有載調(diào)壓變壓器；按冷卻介質(zhì)和冷卻方式分類：油浸式變壓器和干式變壓器等；按容量大小分類：小型變壓器、中型變壓器、大型變壓器和特大型變壓器。三相油浸式電力變壓器的外形， 見(jiàn)圖 1,1,鐵心和繞組是變壓器的主要部件， 稱為器身見(jiàn)圖 2,2,器身放在油箱內(nèi)部。1.2電力變壓器的結(jié)構(gòu)、鐵心1 1 . .鐵心的材料采用高磁導(dǎo)率的鐵磁材料一

3、 0.350.350.5mm0.5mm 厚的硅鋼片疊成。為了提高磁路的導(dǎo)磁性能，減小鐵心中的磁滯、渦流損耗。變壓器用的硅鋼片其含硅量比較高。硅鋼片的兩面均涂以絕緣漆，這樣可使疊裝在一起的硅鋼片相互之間絕緣2 2 . .鐵心形式鐵心是變壓器的主磁路，電力變壓器的鐵心主要采用心式結(jié)構(gòu)、繞組1.繞組的材料銅或鋁導(dǎo)線包繞絕緣紙以后繞制而成2.形式圓筒式、螺旋式、連續(xù)式、糾結(jié)式等結(jié)構(gòu)。為了便于絕緣，低壓繞組靠近鐵心柱，高壓繞組套在低壓繞組外面，兩個(gè)繞組之間留有油道。變壓器繞組外形如圖所示三、油箱及其他附件1 1 . .油箱變壓器油的作用：加強(qiáng)變壓器內(nèi)部絕緣強(qiáng)度和散熱作用要求：用質(zhì)量好的鋼板焊接而成，能承

4、受一定壓力，某些部位必須具有防磁化性能形式：大型變壓器油箱均采用了鐘罩式結(jié)構(gòu)；小型變壓器采用吊器身式。2 2 . .儲(chǔ)油柜作用：減少油與外界空氣的接觸面積，減小變壓器受潮和氧化的概率。在大型電力變壓器的儲(chǔ)油柜內(nèi)還安放一個(gè)特殊的空氣膠囊，它通過(guò)呼吸器與外界相通，空氣膠囊阻止了儲(chǔ)油柜中變壓器油與外界空氣接觸。3 3 . .呼吸器作用：內(nèi)裝硅膠的干燥器，與油枕連通，為了使潮氣不能進(jìn)入油枕使油劣化。硅膠對(duì)空氣中水份具有很強(qiáng)的吸附作用，干燥狀態(tài)狀態(tài)為蘭色，吸潮飽和后變?yōu)榉奂t色。吸潮的硅膠可以再生。4 4 . .冷卻器作用：加強(qiáng)散熱。裝配在變壓器油箱壁上， 對(duì)于強(qiáng)迫油循環(huán)風(fēng)冷變壓器， 電動(dòng)泵從油箱頂部抽出

5、熱油送入散熱器管簇中，這些管簇的外表受到來(lái)自風(fēng)扇的冷空氣吹拂，使熱量散失到空氣中去，經(jīng)過(guò)冷卻后的油從變壓器油箱底部重新回到變壓器油箱內(nèi)。5 5 . .絕緣套管作用：使繞組引出線與油箱絕緣。絕緣套管一般是陶瓷的，其結(jié)構(gòu)取決于電壓等級(jí)。1kV1kV 以下采用實(shí)心磁套管，101035kV35kV 采用空心充氣或充油式套管，110kV110kV 及以上采用電容式套管。為了增大外表面放電距離，套管外形做成多級(jí)傘形裙邊。電壓等級(jí)越高，級(jí)數(shù)越多。6 6 . .分接開關(guān)作用：用改變繞組匝數(shù)的方法來(lái)調(diào)壓一般從變壓器的高壓繞組引出若干抽頭，稱為分接頭，用以切換分接頭的裝置叫分接開關(guān)。分接開關(guān)分為無(wú)載調(diào)壓和有載調(diào)壓

6、兩種， 前者必須在變壓器停電的情況下切換； 后者可以在變壓器帶負(fù)載情況下進(jìn)行切換。分接開關(guān)安裝在油箱內(nèi)，其控制箱在油箱外，有載調(diào)壓分接開關(guān)內(nèi)的變壓器油是完全獨(dú)立的，它也有配套的油箱、瓦斯繼電器、呼吸器。7 7 . .壓力釋放閥作用：為防止變壓器內(nèi)部發(fā)生嚴(yán)重故障而產(chǎn)生大量氣體，引起變壓器發(fā)生爆炸8 8 . .氣體繼電器（瓦斯繼電器）作用：變壓器的一種保護(hù)裝置，安裝在油箱與儲(chǔ)油柜的連接管道中，當(dāng)變壓器內(nèi)部發(fā)生故障時(shí)（如絕緣擊穿、匝間短路、鐵芯事故、油箱漏油使油面下降較多等）產(chǎn)生的氣體和油流，迫使氣體繼電器動(dòng)作。輕者發(fā)出信號(hào)，以便運(yùn)行人員及時(shí)處理。重者使斷路器跳閘，以保護(hù)變壓器。1.3變壓器的名牌數(shù)

7、據(jù)一、型號(hào)型號(hào)表示一臺(tái)變壓器的結(jié)構(gòu)、額定容量、電壓等級(jí)、冷卻方式等內(nèi)容。例如：SL-500/10SL-500/10: :表示三相油浸自冷雙線圈鋁線，額定容量為 500kVA,500kVA,高壓側(cè)額定電壓為 10kV10kV 級(jí)的電力變壓器。、額定值額定運(yùn)行情況：制造廠根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)和設(shè)計(jì)、試驗(yàn)數(shù)據(jù)規(guī)定變壓器的正常運(yùn)行狀態(tài)。表示額定運(yùn)行情況下各物理量的數(shù)值稱為額定值。額定值通常標(biāo)注在變壓器的銘牌上。變壓器的額定值主要有：額定容量 SN:銘牌規(guī)定在額定使用條件下所輸出的視在功率。原邊額定電壓UlN:正常運(yùn)行時(shí)規(guī)定加在一次側(cè)的端電壓，對(duì)于三相變壓器， 額定電壓為線電壓。副邊額定電壓 UN:一次側(cè)加額定

8、電壓，二次側(cè)空載時(shí)的端電壓。原邊額定電流I1N：變壓器額定容量下原邊繞組允許長(zhǎng)期通過(guò)的電流，對(duì)于三相變壓器，I1N為原邊額定線電流。副邊額定電流I2N:變壓器額定容量下原邊繞組允許長(zhǎng)期通過(guò)的電流，對(duì)于三相變壓器，I2N為副邊額定線電流。單相變壓器額定值的關(guān)系式：SNU1NI1NU2NI2N三相變壓器額定值的關(guān)系式：SN3U1NI1N3U2NI2N額定頻率fN:我國(guó)工頻：50Hz50Hz；還有額定效率、溫升等額定值。2.1變壓器的空載運(yùn)行變壓器空載運(yùn)行是指變壓器原邊繞組接額定電壓、額定頻率的交流電源，副邊繞組開路時(shí)的運(yùn)行狀態(tài)。變壓器空載運(yùn)行圖一、空載時(shí)各物理量產(chǎn)生的因果關(guān)系.廠-中曲.U/-E?

9、V-VJMTEID加J、電勢(shì)與磁通的大小和相位關(guān)系設(shè)主磁通按正弦規(guī)律變化，根據(jù)電磁感應(yīng)定律可推導(dǎo)出原繞組感應(yīng)電勢(shì)Ej=-j4,44fNt6m同理可得ZJer=-j4-44fNi0jffm所以，變壓器原、副繞組的感應(yīng)電勢(shì)大小與磁通成正比，與各自的匝數(shù)成正比，感應(yīng)電勢(shì)在相位上滯后磁通 9090。三、原邊漏電抗和激磁電抗1. .原邊漏電抗引入原邊漏電抗修仃二Eity-ih)Xis2.激磁電抗U/一/-*尸。N/0=-j4.44fNPfn非線性.鐵耗引入激磁阻抗Zm=與h*E1=LiZn尸-。療*4jx喇）四、原副邊回路方程和等效電路1 1 . .電動(dòng)勢(shì)平衡方程變壓器空載運(yùn)行時(shí)，各物理量的正方向通常按

10、上圖標(biāo)定，根據(jù)基爾霍夫電壓定律，原邊回路方程為Ui=-Ei-Eihn=-Ei+jiixiff+hrf對(duì)于電力變壓器，空載時(shí)原繞組的漏阻抗壓降 I I0Z Z1很小，其數(shù)值不超過(guò) U Ui的 0.2%,0.2%,將I I0Z Z1忽略，則有U產(chǎn)Et=4.44fN.副邊回路方程2 2 . .空載時(shí)的等效電路ZlZm、m5惻=FflR主磁路二口=寸4氣加必門義后載電流 I I。的波形是尖頂波。希望空載電流越小越好，因此變壓器采用高導(dǎo)磁率的鐵磁材料，以增大Zm減少I0變壓器空載時(shí)既吸收無(wú)功功率，也吸收有功功率，無(wú)功功率主要用于建立主磁通，有功功率主要用于鐵耗。2.2變壓器負(fù)載運(yùn)行變壓器負(fù)載運(yùn)行是指變壓

11、器原邊繞組接額定電壓、額定頻率的交流電源，副邊繞組接負(fù)載時(shí)的運(yùn)行狀態(tài)。變壓器負(fù)載運(yùn)行圖一、負(fù)載時(shí)電磁關(guān)系1 1 . .磁動(dòng)勢(shì)平衡關(guān)系從空載到負(fù)載，由于變壓器所接的電源電壓 U U 不變，且 U=U=Ei,所以主磁通不變，負(fù)載時(shí)的磁動(dòng)勢(shì)等于與空載時(shí)的磁動(dòng)勢(shì)相等。即磁動(dòng)勢(shì)平衡關(guān)系Fi+FzFoLNK，八.k這表明，變壓器原、副邊電流與其匝數(shù)成正比，當(dāng)負(fù)載電流 I I2增大時(shí)，原邊電流I Il將隨著增大，即輸出功利增大時(shí)，輸入功率隨之增大。所以變壓器是一個(gè)能量傳遞裝置，它在變壓的同時(shí)也在改變電流的大小。2 2 . .原、副邊回路方程式按上圖所規(guī)定的正方向，根據(jù)基爾霍夫電壓定律，可寫出原、副邊回路方程

12、式Uk-EahFt+jhxg、折算折算的目的：由于原、副邊回路只有磁路的耦合，沒(méi)有電路的直接聯(lián)系，為了得到變壓器的等效電路，需對(duì)變壓器進(jìn)行繞組折算。折算：就是把副邊繞組匝數(shù)看成與原邊繞組匝數(shù)相等時(shí)，對(duì)副邊回路各參數(shù)進(jìn)行的調(diào)整。折算原則是折算前后副邊磁動(dòng)勢(shì)不變、副邊各部分功率不變，以保持變壓器內(nèi)部電磁關(guān)系不變。副邊各物理量的折算方法：r1”一E；=kEaUjkU2門r=內(nèi)心EK?ZI-F折算后的基本方程式為.BA5=-0十門十”爐后6y二門;巫上/5=力三、負(fù)載時(shí)的等效電路1 1 .T.T 形等效電路根據(jù)折算后的基本方程式可以構(gòu)成變壓器的 T T 形等效電路門XJXJ。門丫才2 2.較準(zhǔn)確等效電

13、路由于 ZmZm乙，可把“r r形等效電路中的激磁支路移到電源端，便得變壓器的較準(zhǔn)確等效電路，較準(zhǔn)確等效電路的誤差很小。3 3 . .簡(jiǎn)化等效電路在電力變壓器中，I0VIN,因此，在工程計(jì)算中可忽略 I I。，即去掉激磁支路，將原、副邊的漏阻抗合并，而得到變壓器的簡(jiǎn)化等效電路。0err-.Ui-UN7對(duì)于簡(jiǎn)化等效電路，可寫出變壓器的方程組h-hr簡(jiǎn)化等效電路所對(duì)應(yīng)的相量圖在工程上，簡(jiǎn)化等效電路及其方程式、相量圖給變壓器的分析和計(jì)算帶來(lái)很大的便利，得到廣泛應(yīng)用。2.3變壓器參數(shù)的測(cè)定一、空載試驗(yàn)1 1 .變壓器的空載試驗(yàn)?zāi)康模呵蟪鲎儽纫芽蛰d損耗 P Pk和激磁阻抗 Z Zm。2 2 . .空載試

14、驗(yàn)的接線通常在低壓側(cè)加電壓，將高壓側(cè)開路3.3.空載試驗(yàn)的過(guò)程電源電壓由零逐漸升至1.2UIN,測(cè)取其對(duì)應(yīng)的 U U、I I。、p p。變壓器原邊加不同的電壓，建立的磁通不同，磁路的飽和程度不同，激磁阻抗由變壓器空載時(shí)等效電路可知，因ZiZnriL2N作為一、二次側(cè)電壓的基值；取一、二次側(cè)額定電流I1mI2N作為一、二次側(cè)電流的基值；一、二次側(cè)阻抗的基值分別為 UIN/|IN、U2N/|2NO在各物理量原來(lái)的符號(hào)上加上一上標(biāo)“*”來(lái)表示該物理量的標(biāo)么值。例如，*Ui=UI/UINO一、外特性和電壓變化率1 1 . .外特性外特性：指原邊加額定電壓，負(fù)載功率因數(shù)一定時(shí)，副邊電壓U隨負(fù)載電流變化的

15、關(guān)系，即 U=f(IU=f(I2)。變壓器在純電阻和感性負(fù)載時(shí)，副邊電壓 U U2隨負(fù)載增加而降低，容性負(fù)載時(shí)，副邊電壓隨負(fù)載增加而可能升高。2 2 . .電壓變化率用變壓器的簡(jiǎn)化相量圖可推導(dǎo)出電壓變化率的參數(shù)表達(dá)式電壓變化率的大小與負(fù)載的大小成正比。在一定的負(fù)載系數(shù)下，短路阻抗的標(biāo)么值越大，電壓變化率也越大。當(dāng)負(fù)載為感性時(shí)，為正值，說(shuō)明副邊電壓比空載電壓低；當(dāng)負(fù)載為容性時(shí)口有可能為負(fù)值。當(dāng)為負(fù)值時(shí)，說(shuō)明副邊電壓比空載電壓高。為了保證變壓器的副邊波動(dòng)在土 5 5 姆圍內(nèi)， 通常采用改變高壓繞組匝數(shù)的辦法來(lái)調(diào)節(jié)副邊電壓。二、變壓器的損耗和效率1 1 . .變壓器的損耗變壓器的損耗包括鐵耗和銅耗兩大類。鐵耗不隨負(fù)載大小變化，也稱為不變損耗；銅耗隨負(fù)載大小變化，也稱為可變損耗。2 2 . .變壓器的效率通過(guò)變壓器的空載試驗(yàn)和短路試驗(yàn)，測(cè)出變壓器的空載損耗和短路損耗，就可以方便的計(jì)算出任意負(fù)載下的