模塊2變壓器的應用

1第3章變壓器2本章要點變壓器的基本結構、分類和運行原理。變壓器的參數測定、運行特性及變壓器分析計算方法。三相變壓器磁路、聯結組別以及并聯運行分析。

自耦變壓器、儀用互感器、電焊變壓器工作原理及結構特點。33.1變壓器概述3.2變壓器的結構和工作原理3.3單相變壓器的運行分析3.4變壓器參數的測定3.5變壓器的運行特性3.6三相變壓器3.7其他用途的變壓器本章主要內容43.1變壓器概述變壓器是一種利用電磁感應原理制成的靜止電器，將一種電壓等級的交流電能轉換成同頻率的另一種電壓等級的交流電能。它具有電壓變換、電流變換和阻抗變換的功能，在電力系統、電子技術和自動控制等諸多領域中獲得了廣泛應用。53.1變壓器概述任務1變壓器的外形觀察與銘牌解讀

任務2電力變壓器的拆裝及結構觀察任務3變壓器參數測試6任務1變壓器的外形觀察與銘牌解讀1、觀察變壓器的外觀圖3-1為干式電力變壓器，圖3-2為油浸式電力變壓器。圖3-1干式變壓器圖3-2油浸式電力變壓器（1）電力變壓器7任務1變壓器的外形觀察與銘牌解讀圖3-3為自耦變壓器，圖3-4為電壓互感器，圖3-5為電流互感器。圖3-3自藕變壓器圖3-5電流互感器圖3-4電壓互感器（2）特殊變壓器8任務1變壓器的外形觀察與銘牌解讀2、觀察變壓器的銘牌閱讀變壓器銘牌中各項參數，了解其銘牌參數的含義，將銘牌數據記錄在表3-1中中表1-1直流電動機的銘牌數據產品型號額定頻率阻抗電壓開關位置分接電壓額定容量冷卻方式器身重Ⅰ額定電壓高壓使用條件油重量Ⅱ低壓額定電流高壓連接組別總重量Ⅲ低壓9任務2電力變壓器的拆裝及結構觀察1、電力變壓器拆卸首先斷電，進行機身放電，拆下一、二次外接線。清掃變壓器外部，檢查油箱、散熱器、儲油柜、防爆筒、瓷套管等有無滲漏現象。然后放出變壓器油，當油面放至接近鐵芯、鐵軛頂面時，即可拆除儲油柜、防爆筒、瓦斯斷電器。拆除箱蓋上的連接螺栓，用起重設備將箱蓋連同變壓器鐵芯繞組一起吊出箱殼。2、電力變壓器的結構觀察當電力變壓器的外殼拆開后，可觀察到變壓器的組成：鐵芯、繞組、油箱、冷卻裝置、絕緣套管和保護裝置等。觀察變壓器的內部結構，將變壓器各構成部件名稱記錄在表3-2中。10任務2電力變壓器的拆裝及結構觀察3、變壓器裝配

表3-2變壓器組成各部件名稱變壓器拆卸并觀察其內部結構后，便可進行裝配。變壓器裝配的步驟是：用干燥的熱油沖洗變壓器器身，把變壓器中的殘油完全放出，并擦干箱底；將變壓器芯吊入箱殼，安裝附屬部件；密封好油箱，再將變壓器油注入變壓器，進行油箱密封試驗。11任務3變壓器參數測試1、空載實驗

1）在三相調壓交流電源斷電的條件下，按圖3-6接線。

2）選好所用電表量程。

3）測取數據時，U=UN點必須測，并在該點附近測的點較密，共測取數據多組。

4）為了計算變壓器的變比，在UN以下取點測取原、副邊電壓數據，并將測試數據記錄于表3-3中。圖3-6空載實驗接線圖12任務3變壓器參數測試表3-3變壓器空載實驗參數序號實驗數據U0/VI0/AP0/WUAX/V123413任務3變壓器參數測試2、短路實驗

1）在三相調壓交流電源斷電的條件下，按圖3-7接線。將變壓器的高壓線圈接電源，低壓線圈直接短路。

2）選好所有電表量程，將交流調壓器旋鈕調到輸出電壓為零的位置。圖3-7短路實驗接線圖

3）接通交流電源，逐次緩慢增加輸入電壓，直到短路電流等于1.1IN為止。

4）測取數據時，Ik=IN點必須測，共測取數據多組，并將測試數據記錄于表3-4中。14任務3變壓器參數測試表3-4變壓器短路實驗參數序號實驗數據Uk/VIk/APk/W12343、根據空載試驗和短路試驗的參數，計算變壓器變比。4、繪出空載特性曲線和計算勵磁參數。5、繪出短路特性曲線Uk=f(Ik)，pk=f(Ik)。153.2變壓器的結構和工作原理1．變壓器的基本結構鐵心：由鐵芯柱和鐵軛構成，既是變壓器的支撐骨架，又是它的主磁路。一、

變壓器的基本結構及分類

變壓器的組成繞組：變壓器的電路部分，分為同心繞組和交疊式繞組，分別如圖3-12、3-13所示。附件：由油箱、絕緣套管、分接開關、儲油柜、安全氣道構成。其作用是使變壓器安全可靠地運行。電力變壓器結構示意圖如圖3-8所示。163.2變壓器的結構和工作原理圖3-8電力變壓器結構示意圖1-凈油器2-儲油柜3-氣體繼電器4-接地線5-壓力釋放器6-低壓導管7-板式散熱器8-高壓導管9-分接開關10-開關箱儲油柜11-溫度計12-注油管13-取樣嘴173.2變壓器的結構和工作原理圖3-12變壓器同心繞組1-高壓繞組2-低壓繞組

圖3-13變壓器交疊式繞組1-低壓繞組2-高壓繞組3-鐵芯4-鐵軛183.2變壓器的結構和工作原理2．變壓器的分類（1）按用途分類：分為電力變壓器和特種變壓器兩類。（2）按繞組數目分類：分為單繞組變壓器、雙繞組變壓器、三繞組變壓器。（3）按相數分類：分為單相變壓器、三相變壓器和多相變壓器。（4）按冷卻介質和冷卻方式分類：分為干式變壓器、油浸變壓器和充氣式冷卻變壓器。193.2變壓器的結構和工作原理二、變壓器的基本工作原理

圖3-14變壓器工作原理示意圖變壓器的結構是在一個閉合鐵芯上套有兩個繞組，其原理如圖3-14所示。這兩個繞組具有不同的匝數且互相絕緣，兩繞組間只有磁的耦合而沒有電的聯系。其中，接于電源側的繞組稱為原繞組或一次繞組，一次繞組各量用下標“1”表示；用于接負載的繞組稱為副繞組或二次繞組，二次繞組各量用下標“2”表示。兩個繞組中感應出同頻率的電動勢e1和e2。203.2變壓器的結構和工作原理三、變壓器的銘牌數據每臺變壓器上都裝有一銘牌，在銘牌上標明了變壓器型號、額定值、器身重量、制造編號和制造廠家等有關技術數據。只有理解銘牌上額數據的含義，才能正確使用變壓器。圖3-15所示為某三相變壓器的銘牌內容。圖3-15電力變壓器銘牌數據21

（1）型號變壓器的型號表示一臺變壓器的系列形式和產品規格，包括變壓器結構特點、額定容量、電壓等級、冷卻方式等內容。變壓器的型號用字母和數字表示，其各位字母或數字的含義如圖3-16所示。3.2變壓器的結構和工作原理1．變壓器型號及系列圖3-16電力變壓器型號含義說明22（2）變壓器主要系列目前我國生產的變壓器系列產品有SJL1（三相油浸自冷式鋁線電力變壓器）、SFPL1（三相強油風冷鋁線變壓器）、SFPSL1（三相強油風冷三鋁線電力變壓器）等，目前國內自己設計并大量生產的產品系列有SL7（三相油浸自冷式鋁線電力變壓器）、S7（三相油浸自冷式銅線電力變壓器）、SCL1（三相環氧樹脂澆注干式變壓器）以及SF7、SZ7、SZL7等系列。3.2變壓器的結構和工作原理23（1）額定容量SN

額定容量SN指在額定使用條件下變壓器所能輸出的視在功率，單位為VA或kVA。三相變壓器額定容量為三相容量之和；由于變壓器效率很高，雙繞組變壓器原、副邊的額定容量可認為相等。3.2變壓器的結構和工作原理2．變壓器的額定值（2）額定電壓U1N/U2N

額定電壓指變壓器長時間運行時所能承受的工作電壓，單位為V或kV。一次側額定電壓U1N是指根據絕緣強度規定加到一次側的工作電壓；二次側額定電壓U2N是指變壓器一次側加額定電壓，分接開關位于額定分接頭時，二次側空載時的二次端電壓。在三相變壓器中，額定電壓指的是線電壓。24

（3）額定電流I1N/I2N

額定電流指變壓器在額定容量下，允許長期通過的電流，單位為A。三相變壓器的額定電流指的是線電流。變壓器的額定容量、電壓、電流之間的關系是：單相變壓器3.2變壓器的結構和工作原理

三相變壓器此外，還有效率、溫升等額定值。除額定值外，銘牌上還標有變壓器的相數、聯結組別、阻抗電壓（或短路阻抗相對值或標么值）、接線圖等。25

【例3-1】一臺三相油浸自冷式鋁線變壓器，SN=220kVA，U1N/U2N=10/0.4kV，Y，y接線，求變壓器一、二次額定電流。3.2變壓器的結構和工作原理解：263.3單相變壓器的運行分析一、單相變壓器的空載運行變壓器的空載運行是指變壓器一次繞組接在額定電壓、額定頻率的交流電源上，而二次繞組開路時的運行狀態，如圖3-17所示，一次、二次繞組的匝數分別為N1和N2。圖3-17單相變壓器空載運行示意圖27空載電流：當一次繞組接入交流電源后，繞組內便產生一交變電流，也稱為激勵電流。主磁通：通過鐵芯形成閉合的磁路，同時穿過一次繞組和二次繞組，用表示；一次漏磁通：它只穿過一次繞組而不流經鐵芯，從非磁性介質（空氣或油）穿過而形成閉合磁通，用表示。3.3單相變壓器的運行分析1．空載運行時的物理狀況28（1）在性質上，主磁通磁路由鐵磁材料組成，具有飽和特性，與呈非線性關系；而漏磁通磁路由非鐵磁材料組成，磁路不飽和，與呈線性關系。（2）在數量上，鐵芯的磁導率較大，磁阻小，所以總磁通的絕大部分通過鐵芯而閉合構成主磁通，故主磁通遠大于漏磁通，一般主磁通可占總磁通的99％以上。（3）在作用上，主磁通在二次繞組中感應電動勢，起了傳遞能量的媒介作用；而漏磁通僅在一次繞組中感應漏磁電動勢，只起漏抗壓降的作用。3.3單相變壓器的運行分析主磁通和漏磁通的區別：293.3單相變壓器的運行分析（1）主磁通感應的電動勢設主磁通按正弦規律變化，即Ф0=Фmsinωt，按照圖3-17中參考方向的規定，一、二次繞組感應電動勢瞬時值為

2．感應電動勢和漏磁電動勢其對應的有效值分別為303.3單相變壓器的運行分析其對應的相量表達式為由此可見，一、二次感應電動勢的大小與電源頻率、繞組匝數及主磁通最大值成正比，且在相位上滯后主磁通90°。（2）漏磁通感應的電動勢313.3單相變壓器的運行分析3．空載時的電動勢方程式（1）電動勢平衡方程式一次側和二次側電動勢的平衡方程變壓器空載運行時，由于和Z1均很小，故漏阻抗壓降常忽略不計，上式可變成323.3單相變壓器的運行分析（2）變比變壓器變比k定義為一、二次繞組電動勢之比變比k是變壓器的一個重要參數，對于單相變壓器，變比為兩側繞組匝數比或空載時兩側電壓之比。對三相變壓器，變比指一、二次側相電動勢之比，也就是一、二次側額定相電壓之比。333.3單相變壓器的運行分析在變壓器運行時，將變壓器中的電和磁之間的關系用一個純電路來等效表示，稱為等效電路，如圖3-18所示。4．空載時的等效電路和相量圖（1）空載時的等效電路圖3-18變壓器空載等效電路343.3單相變壓器的運行分析為了直觀地表示變壓器空載運行時各電磁量的大小和相位關系，在同一張圖上將各電磁量用相量的形式表示出來，稱之為變壓器的相量圖，如圖3-19所示。（2）空載時相量圖圖3-19變壓器空載相量圖與之間的夾角φ0即為變壓器空載運行時的功率因數角，由圖可見，φ0≈90°，即變壓器空載運行時的功率因數很低，一般cosφ0在0.1～0.2之間。353.3單相變壓器的運行分析變壓器的一次側接在額定電壓、額定頻率的交流電源上，二次側接上負載ZL的運行狀態，稱為變壓器的負載運行。如圖3-20所示。

二、單相變壓器的負載運行1．負載運行時的物理狀況圖3-20變壓器負載運行示意圖363.3單相變壓器的運行分析負載時產生主磁通的合成磁通勢和空載時產生主磁通的勵磁磁通勢基本相等，即由于很小，常將其忽略，有

2．負載運行時的基本方程式（1）磁通勢平衡方程式上式表明，一、二次側電流的大小近似與繞組匝數成反比。高壓繞組匝數多，電流小；低壓繞組匝數少，電流大。可見兩側繞組匝數不同，不僅能變電壓，同時也能變電流。373.3單相變壓器的運行分析（2）電動勢平衡方程式負載時的一次、二次繞組的電動勢平衡式為38一、變壓器的空載試驗變壓器的空載試驗是在變壓器空載運行時測量其空載電流I0、空載電壓U0以及空載損耗p0，并計算變比k、勵磁參數rm、Xm、Zm。變壓器空載試驗電路如圖3-21所示。圖3-21變壓器的空載試驗接線圖勵磁電阻勵磁阻抗勵磁電抗變比3.4變壓器參數的測定393.4變壓器參數的測定高壓側加電壓低壓側短路二、變壓器的短路試驗變壓器短路試驗是在二次繞組短路的條件下進行的，短路試驗的接線如圖3-22所示。圖3-22短路試驗接線圖短路阻抗短路電阻短路電抗403.5變壓器的運行特性1．電壓變化率變壓器運行性能的主要指標則有電壓變化率和效率特性。電壓變化率是變壓器供電的質量指標，效率是變壓器運行時的經濟指標。變壓器的輸出電壓隨負載電流變化的關系即為外特性，效率隨負載變化的關系即效率特性。一、變壓器的電壓變化率與外特性電壓變化率是指變壓器一次側施以額定頻率的額定電壓，且負載功率因數一定時，從副邊空載電壓U20與帶負載后在某一功率因數下副邊電壓U2之差與副邊額定電壓U2N的比值，用ΔU表示，即413.5變壓器的運行特性2．變壓器的外特性當電源電壓和負載的功率因數等于常數時，二次端電壓隨負載電流變化的規律，即U2=f(I2)曲線稱為變壓器的外特性（曲線）。圖3-23表示不同負載性質時變壓器的外特性曲線。由圖可知，變壓器二次電壓的大小不僅與負載電流的大小有關，而且還與負載的功率因數有關。圖3-23變壓器外特性曲線423.5變壓器的運行特性變壓器在傳遞能量過程中會產生損耗，其損耗包括鐵損耗和原、副繞組的銅損耗兩部分。（1）鐵損耗由于鐵芯中的磁通是交變的，所以在鐵芯中要產生磁滯損耗和渦流損耗，統稱為鐵芯損失，即鐵損耗pFe。二、變壓器的損耗、效率和效率特性1．變壓器的損耗（2）銅損耗變壓器的銅損耗pCu主要是電流在原、副繞組直流電阻上的損耗以及渦流損耗等。變壓器總損耗為：433.5變壓器的運行特性2．變壓器的效率及效率特性變壓器效率是指變壓器的輸出功率P1與輸入功率P2之比，用百分數表示，即變壓器效率的大小反映了變壓器運行的經濟性能的好壞，是表征變壓器運行性能的重要指標之一。但工程上常用間接法來計算變壓器的效率，即通過空載試驗和短路試驗，求出變壓器的鐵損耗pFe和銅損耗pCu，然后按下式計算效率：443.6三相變壓器由三臺單相變壓器組成的三相變壓器稱為三相變壓器組，其相應的磁路稱為組式磁路。由于每相的主磁通Ф各沿自己的磁路閉合，彼此不相關聯。三相組式變壓器的磁路系統如圖3-24所示。一、三相變壓器的磁路系統1．三相變壓器組的磁路圖3-24三相組式變壓器的磁路系統453.6三相變壓器把三個鐵芯柱連在一起的變壓器稱為三相心式變壓器，三相心式變壓器每相有一個鐵芯柱，三個鐵芯柱用鐵軛連接起來，構成三相鐵芯，如圖3-25所示。圖3-25三相心式變壓器的鐵芯演化a）有中間鐵芯柱b）無中間鐵芯柱c）常用型2．三相心式變壓器的磁路463.6三相變壓器1．三相繞組的聯結法為了在使用變壓器時能正確聯結而不至發生錯誤，變壓器繞組的每個出線端都給予一個標志，其繞組首、末端的標志如表3-5所示。繞組名稱單相變壓器三相變壓器中性點首端末端首端末端高壓繞組AXA、B、CX、Y、ZN

低壓繞組axa、b、cx、y、zn

中壓繞組Am

Xm

Am、Bm、Cm

Xm、Ym、Zm

Nm

二、三相變壓器的電路系統--聯結組別表3-5繞組的首端和末端的標志473.6三相變壓器在三相變壓器中，繞組主要采用星形和三角形兩種聯結方法，分別如圖3-26所示。圖3-26三相繞組的星形、三角形聯結方法a）星形聯接b）星形聯接中點引出c）三角形逆聯d）三角形順聯483.6三相變壓器（1）變壓器的同極性端圖3-27變壓器繞組的同極性端a）繞組繞向相同b）繞組繞向不同變壓器在任一瞬間，高壓繞組和低壓繞組必有兩個端點的電位相同，即同時為正（高電位）或同時為負（低電位），這兩個極性相同的端子稱為同極性端，用符號“?”或“*”表示，如圖3-27所示，這取決于繞組的繞向。2．單相變壓器的聯結組別493.6三相變壓器（2）單相變壓器的聯接組為了形象地表示高、低壓繞組電動勢之間的相位關系，采用所謂“鐘時序數表示法”，如圖3-28所示。圖3-28單相變壓器的聯接組a）II0聯接組b）II6聯接組503.6三相變壓器3．三相變壓器的聯結組別由于變壓器繞組可采用不同的聯結，因此一、二次繞組的對應線電動勢間將產生相位移，為了簡明表示繞組的聯結以及對應線電動勢間的相位關系，將變壓器一、二次繞組的聯結分成不同的組合稱為繞組的聯結組，而一、二次繞組的對應線電動勢間的相位關系用聯結組標號來表示。變壓器聯結組標號采用所謂“鐘時序數表示法”進行確定，其具體方法是：分別作出高、低壓側電動勢相量圖，把高壓繞組線電動勢相量作為時鐘的長針，并固定指在“12”上，其對應的低壓繞組線電動勢相量作為時鐘的短針，這時短針所指的數字即為三相變壓器聯結組別的組別號，將該數字乘以30°就是副繞組線電動勢滯后于原繞組相應線電動勢的相位角。513.6三相變壓器圖3-29Yy0聯結組a）聯結組b）相量圖c）簡明表示將相量圖中的A點放在鐘面的“12”處，這時由于高、低壓側繞組對應的相電動勢同相位，可平行作出低壓繞組的電動勢相量圖，a點處于鐘面的“0”位，所以聯接組的標號為“0”，高、低壓側為Yy聯結，即為Yy0聯結組。（1）Yy0聯結523.6三相變壓器（2）Yd11聯結組高、低壓側繞組聯結為Yd(逆聯a-y)，同極性，與平行方向一致，低壓繞組其余相量類似，且a聯y，則a點處在鐘面的“11”處，聯結組標號為“11”。所以為Yd11。圖3-30Yd11聯結組a）聯結組b）相量圖c）簡明表示533.6三相變壓器（3）Dy1聯結將相量圖中的A點放在鐘面的“12”處，這時由于高、低壓側繞組對應的相電動勢同相位，可平行作出低壓繞組的電動勢相量圖，a點處于鐘面的“1”位，所以聯接組的標號為“1”，高、低壓側分別為Dy聯結即為Dy1聯結組。圖3-31Dy1聯結組a）聯結組b）相量圖c）簡明表示543.6三相變壓器（4）Dd0聯結將相量圖中的A點放在鐘面的“12”處，這時由于高、低壓側繞組對應的相電動勢同相位，可平行作出低壓繞組的電動勢相量圖，a點處于鐘面的“0”位，所以聯接組的標號為“0”，高、低壓側為Dd聯結，即為Dd0聯結組。圖3-32Dd0聯結組a）聯結組b）相量圖c）簡明表示553.6三相變壓器（5）Yd1聯結組將相量圖中的A點放在鐘面的“12”處，這時由于高、低壓側繞組對應的相電動勢同相位，可平行作出低壓繞組的電動勢相量圖，a點處于鐘面的“1”位，所以聯接組的標號為“1”，高、低壓側為Yd聯結，即為Yd1聯結組。圖3-33Yd1聯結組a）聯結組b）相量圖c）簡明表示563.6三相變壓器變壓器聯結組的數目很多，為了方便制造和并聯運行，對于三相雙繞組電力變壓器，一般采用Ｙyn0、Yd11、ＹNd11、ＹNy0、Ｙy0等五種標準聯結組，其中前三種最常用。對單相變壓器只采用II0聯結組。但在電力電子技術中還是有各種聯結法的。綜上所述，高、低壓側繞組聯結相同(Yy和Dd)時，其聯結組標號為0、2、4、6、8、10等六個偶數；高、低壓側繞組聯結不相同（Yd和Dy)時，其聯結組標號為1、3、5、7、9、11等六個奇數組。573.6三相變壓器三、變壓器并聯運行變壓器并聯運行是指幾臺變壓器的一、二次繞組分別連接到一、二次側的公共母線上，共同向負載供電的運行方式，如圖3-34所示。圖3-34三相變壓器的并聯運行a)單相變壓器并聯b)三相變壓器并聯變壓器并聯運行的優點：①提高供電的可靠性。②提高供電的經濟性。③減少初裝時的一次投資。583.6三相變壓器1．并聯運行的理想條件變壓器并聯運行的理想情況是：①空載時并聯運行的各變壓器繞組之間無環流；②帶負載后，各變壓器的負載系數相等，即各變壓器所分擔的負載電流按各自容量大小成正比例分配；③帶負載后，各變壓器所分擔的電流應與總的負載電流同相位。若要達到上述理想情況，并聯運行的變壓器需滿足如下條件：（1）各變壓器一、二次側的額定電壓應分別相等，即變比相同；（2）各變壓器的聯結組必須相同；（3）各變壓器的短路阻抗（或短路電壓）的相對值要相等。變壓器實際并聯運行時，同時滿足以上三個條件不容易也不現實，所以除第二條必須嚴格保證外，其余兩條允許稍有差異。593.6三相變壓器2．并聯條件不滿足時的運行分析