第三章變壓器

第三章

變壓器的基本作用原理與理論分析5電力變壓器的原理、結(jié)構(gòu)和額定值1變壓器空載運(yùn)行2變壓器負(fù)載運(yùn)行3標(biāo)幺值465變壓器的運(yùn)行性能65參數(shù)測(cè)定方法5第一節(jié)

變壓器的原理、結(jié)構(gòu)和額定值一、變壓器的基本工作原理變壓器——

是一種靜止的電磁裝置，它利用電磁感應(yīng)原理，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。

變壓器的主要部件是一個(gè)鐵芯和套在鐵芯上的兩個(gè)繞組。兩繞組只有磁耦合沒(méi)電聯(lián)系。在一次繞組中加上交變電壓，一次側(cè)就有電流存在，該電流在鐵芯中可產(chǎn)生一個(gè)交變的主磁通Φ，主磁通在兩繞組中分別感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)e1、e2。根據(jù)電磁感應(yīng)定律可寫出電動(dòng)勢(shì)的瞬時(shí)方程式：

只要：(1)磁通有變化量;(2)一、二次繞組的匝數(shù)不同，就能達(dá)到改變電壓的目的。因e1≈u1，e2≈u2，有：所以：改變變壓器的變比k，就能達(dá)到改變二次電壓u2的作用。若N1>N2，變壓器起降壓作用；若N1<N2，變壓器起升壓作用。變壓器分類按用途：升壓變壓器、降壓變壓器；按相數(shù)：?jiǎn)蜗嘧儔浩骱腿嘧儔浩?；按繞組數(shù)：雙繞組變壓器、三繞組變壓器和自耦變壓器；按鐵芯結(jié)構(gòu)：芯式變壓器和殼式變壓器；按調(diào)壓方式：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：油浸式變壓器和干式變壓器；按容量大小：小型變壓器、中型變壓器、大型變壓器和特大型變壓器。變壓器用途電力系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)電能的遠(yuǎn)距離高效輸送、合理配電、安全用電。如：電力變壓器、配電變壓器。供給特殊電源用的專用變壓器。如：煉鋼爐供電的電爐變壓器，大型電解電鍍、直流電力機(jī)車供電的整流變壓器。測(cè)量用的儀用變壓器?？刂葡到y(tǒng)實(shí)現(xiàn)信號(hào)的傳輸——控制變壓器，直到僅傳輸信號(hào)的非常小的無(wú)線電變壓器。連接發(fā)電機(jī)與電網(wǎng)的升壓變壓器連接發(fā)電機(jī)的封閉母線

與電網(wǎng)相連的高壓出線端各種變壓器電源變壓器環(huán)形變壓器控制變壓器各種變壓器電力變壓器接觸調(diào)壓器三相干式變壓器二、電力變壓器的基本結(jié)構(gòu)1、鐵芯—變壓器的磁路

鐵芯是變壓器的主磁路，又作為繞組的支撐骨架。變壓器的一次繞組和二次繞組都繞在鐵芯上。它主要由鐵芯柱、鐵軛和緊固件組成。如圖所示:鐵芯柱鐵軛緊固件作用是:固定繞組。作用是:使磁路閉合。作用是:使鐵芯不松動(dòng)。為了提高導(dǎo)磁性能和減少鐵損，鐵芯多采用含硅量約為5%，厚度為0.23～0.35mm或0.5mm，兩面涂絕緣漆或氧化處理的冷軋硅鋼片疊裝而成。芯式變壓器結(jié)構(gòu)：芯柱被繞組所包圍。特點(diǎn)：芯式結(jié)構(gòu)的繞組和絕緣裝配比較容易，所以電力變壓器常常采用這種結(jié)構(gòu)。單相芯式變壓器1--鐵芯柱2--鐵軛3—高壓線圈4—低壓線圈殼式變壓器結(jié)構(gòu)：鐵芯包圍繞組。特點(diǎn)：殼式變壓器的機(jī)械強(qiáng)度較好，常用于低壓、大電流的變壓器或小容量電訊變壓器。單相殼式變壓器1--鐵芯柱2--鐵軛3—繞組三相芯式變壓器示意圖繞組上鐵軛鐵芯柱下鐵軛鐵芯的裝配

疊接式是將鐵芯柱和鐵軛的硅鋼片一層一層疊裝，各層硅鋼片的排列互不相同，疊裝之后，各層的接縫不在同一點(diǎn)，如圖所示。奇數(shù)層偶數(shù)層奇數(shù)層偶數(shù)層單相四片鐵芯交疊方法三相六片鐵芯交疊方法組成鐵芯的鋼片應(yīng)先裁成所需用的形狀和尺寸，稱為沖片，然后按交疊方式把沖片組合起來(lái)。2、繞組--變壓器的電路繞組是變壓器傳遞交流電能的電路部分，一般用絕緣扁銅(鋁)線或絕緣圓銅(鋁)線在繞線模上繞制而成。變壓器中，工作電壓高的繞組稱為高壓繞組，工作電壓低的繞組稱為低壓繞組。按照繞組在鐵芯中的排列方法可分為鐵芯式和鐵殼式根據(jù)高、低壓繞組的相對(duì)位置、形狀不同，以及在繞組鐵芯柱上排列方式不同，可分為同芯式和交疊式兩種。同芯式繞組1--鐵芯柱2--鐵軛3—高壓線圈4—低壓線圈油浸式電力變壓器1—信號(hào)式溫度計(jì)2—吸濕器3—儲(chǔ)油柜4—油位計(jì)5—安全氣道6—?dú)怏w繼電器7—高壓套管8—低壓套管9—分接開關(guān)10—油箱11—鐵芯12—線圈13—放油閥門1、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，表示方法為三、變壓器的型號(hào)與額定值

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。如：如OSFPSZ-250000/220表明自耦三相強(qiáng)迫油循環(huán)風(fēng)冷三繞組銅線有有載調(diào)壓，額定容量250000kVA，高壓額定電壓220kV電力變壓器。2、額定值指銘牌規(guī)定的額定使用條件下所能輸出的視在功率。是輸出能力保證值。額定容量指長(zhǎng)期運(yùn)行時(shí)所能承受的工作電壓，單位：V、KV。額定電壓指在額定容量下，變壓器在連續(xù)運(yùn)行時(shí)允許通過(guò)的最大電流有效值。在三相變壓器中指的是線電流。額定電流單位：V·A、KV·A、MV·A其實(shí)際輸出功率取決于負(fù)載的大小和性質(zhì)，即P=Scosφ。U1N是指根據(jù)絕緣強(qiáng)度和允許發(fā)熱所規(guī)定的應(yīng)加在一次繞組上的正常電壓有效值。U2N是指一次側(cè)加額定電壓時(shí)二次側(cè)的開路電壓。在三相變壓器中額定電壓為線電壓。單位：A此外，額定值還有效率、溫升等。除額定值外，銘牌上還標(biāo)有變壓器的相數(shù)、聯(lián)結(jié)組和接線圖、短路電壓（或短路阻抗）的標(biāo)么值、變壓器的運(yùn)行方式及冷卻方式等。三者關(guān)系：?jiǎn)蜗啵喝啵侯~定頻率fN指電源頻率，我國(guó)規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)工頻為50Hz。為考慮運(yùn)輸，有時(shí)銘牌上還標(biāo)有變壓器的總重、油重、器身重量和外形尺寸等附屬數(shù)據(jù)。練習(xí)1.有一臺(tái)單相變壓器，

試求變壓器原、副線圈的額定電流？解：一次繞組的額定電流二次繞組的額定電流2.有一臺(tái)SSP-125000/220三相電力變壓器，YN，d接線，求:變壓器額定電壓和額定電流

解：一、二次側(cè)額定電壓

一次側(cè)額定電流（線電流）

二次側(cè)額定電流（線電流）

第二節(jié)變壓器空載運(yùn)行變壓器的空載運(yùn)行是指變壓器一次繞組接在額定電壓的交流電源上，而二次繞組開路時(shí)的工作情況。u1i0Φ主磁通當(dāng)變壓器的一次繞組加上交流電壓u1時(shí)，一次繞組內(nèi)便有一個(gè)交變電流i0（即空載電流）流過(guò),并建立交變磁場(chǎng)。N1N2Φσ1漏磁通根據(jù)電磁感應(yīng)原理，分別在一、二次繞組產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)e1、eσ1和e2eσ1e1e2u02i2=0u02一、電磁物理現(xiàn)象二、各電磁量參考方向的規(guī)定1）性質(zhì)上：與成非線性關(guān)系；與成線性關(guān)系；2）數(shù)量上：占99%以上，僅占1%以下；3）作用上：起傳遞能量的作用，起漏抗壓降作用。主磁通與漏磁通強(qiáng)調(diào)：磁通與產(chǎn)生它的電流之間符合右手螺旋定則；電動(dòng)勢(shì)與感應(yīng)它的磁通之間符合右手螺旋定則。三、感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)、電壓變比1.主磁通感應(yīng)的電動(dòng)勢(shì)——主電動(dòng)勢(shì)設(shè)則有效值相量

可見，當(dāng)主磁通按正弦規(guī)律變化時(shí)，所產(chǎn)生的一次主電動(dòng)勢(shì)也按正弦規(guī)律變化，時(shí)間相位上滯后主磁通。主電動(dòng)勢(shì)的大小與電源頻率、繞組匝數(shù)及主磁通的最大值成正比。四、空載電流1.作用與組成2、性質(zhì)和大小性質(zhì)：由于空載電流的無(wú)功分量遠(yuǎn)大于有功分量，所以空載電流主要是感性無(wú)功性質(zhì)——也稱勵(lì)磁電流；大?。号c電源電壓和頻率、線圈匝數(shù)、磁路材質(zhì)及幾何尺寸有關(guān)，用空載電流百分?jǐn)?shù)I0%來(lái)表示：空載電流包含兩個(gè)分量，一個(gè)是勵(lì)磁分量，作用是建立磁場(chǎng)，另一個(gè)是鐵損耗分量，主要作用是供鐵損耗。3、空載電流波形由于磁路飽和，空載電流與由它產(chǎn)生的主磁通呈非線性關(guān)系。

當(dāng)磁通按正弦規(guī)律變化時(shí)，空載電流呈尖頂波形。實(shí)際空載電流為非正弦波，但為了分析、計(jì)算和測(cè)量的方便，在相量圖和計(jì)算式中常用正弦的電流代替實(shí)際的空載電流。374、空載損耗

對(duì)于已制成變壓器，鐵損與磁通密度幅值的平方成正比，與電流頻率的1.3次方成正比，即空載損耗約占額定容量的0.2%~1%，而且隨變壓器容量的增大而下降。為減少空載損耗，改進(jìn)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的方向是采用優(yōu)質(zhì)鐵磁材料：優(yōu)質(zhì)硅鋼片、激光化硅鋼片或應(yīng)用非晶態(tài)合金。38五、漏抗漏電動(dòng)勢(shì)也可以用漏抗壓降來(lái)表示，即根據(jù)主電動(dòng)勢(shì)的分析方法，同樣有由于漏磁通主要經(jīng)過(guò)非鐵磁路徑,磁路不飽和,故磁阻很大且為常數(shù),所以漏電抗很小且為常數(shù),它不隨電源電壓負(fù)載情況而變.六、電路方程、等效電路和相量圖1、電動(dòng)勢(shì)平衡平衡方程（1）一次側(cè)電動(dòng)勢(shì)平衡方程忽略很小的漏阻抗壓降，并寫成有效值形式，有則可見，影響主磁通大小的因素有電源電壓和頻率，以及一次線圈的匝數(shù)。重要公式（2）二次側(cè)電動(dòng)勢(shì)平衡方程2、變比定義對(duì)三相變壓器，變比為一、二次側(cè)的相電動(dòng)勢(shì)之比，近似為額定相電壓之比，具體為Y，d接線D，y接線3、等效電路一次側(cè)的電動(dòng)勢(shì)平衡方程為空載時(shí)等效電路為勵(lì)磁電阻、勵(lì)磁電抗、勵(lì)磁阻抗。由于磁路具有飽和特性，所以不是常數(shù)，隨磁路飽和程度增大而減小。由于，所以有時(shí)忽略漏阻抗，空載等效電路只是一個(gè)元件的電路。在一定的情況下，大小取決于的大小。從運(yùn)行角度講，希望越小越好，所以變壓器常采用高導(dǎo)磁材料，增大，減小，提高運(yùn)行效率和功率因數(shù)。2、相量圖根據(jù)前面所學(xué)的方程，可作出變壓器空載時(shí)的相量圖：（1）以為參考相量（2）與同相，滯后，（3）滯后，；（4）（5）空載運(yùn)行小結(jié)（1）一次側(cè)主電動(dòng)勢(shì)與漏阻抗壓降總是與外施電壓平衡,若忽略漏阻抗壓降，則一次主電勢(shì)的大小由外施電壓決定.（2）主磁通大小由電源電壓、電源頻率和一次線圈匝數(shù)決定，與磁路所用的材質(zhì)及幾何尺寸基本無(wú)關(guān)。（3）空載電流大小與主磁通、線圈匝數(shù)及磁路的磁阻有關(guān)，鐵心所用材料的導(dǎo)磁性能越好，空載電流越小。（4）電抗是交變磁通所感應(yīng)的電動(dòng)勢(shì)與產(chǎn)生該磁通的電流的比值，線性磁路中，電抗為常數(shù)，非線性電路中，電抗的大小隨磁路的飽和而減小。第三節(jié)變壓器負(fù)載運(yùn)行一、負(fù)載運(yùn)行時(shí)的物理情況變壓器一次側(cè)接在額定頻率、額定電壓的交流電源上，二次接上負(fù)載的運(yùn)行狀態(tài)，稱為負(fù)載運(yùn)行。用圖示負(fù)載運(yùn)行時(shí)的電磁過(guò)程二、負(fù)載運(yùn)行時(shí)的基本方程式（一）磁動(dòng)勢(shì)平衡方程式或用電流形式表示。,I;,I::L作用它起平衡二次磁動(dòng)勢(shì)的另一個(gè)是負(fù)載分量產(chǎn)生主磁通它用來(lái)一個(gè)是勵(lì)磁電流兩個(gè)分量變壓器的一次電流包括表明10&&電磁關(guān)系將一、二次聯(lián)系起來(lái),二次電流增加或減少必然引起一次電流的增加或減少.負(fù)載運(yùn)行時(shí),忽略空載電流有:表明，一、二次電流比近似與匝數(shù)成反比。可見，匝數(shù)不同，不僅能改變電壓，同時(shí)也能改變電流。（二）電動(dòng)勢(shì)平衡方程式根據(jù)基爾霍夫定律可得:或

綜上所述，變壓器負(fù)載運(yùn)行方程式總結(jié)為:三、歸算當(dāng)k較大時(shí)，變壓器一、二次側(cè)電壓相差很大，為計(jì)算和作圖帶來(lái)不便。變壓器一次側(cè)和二次側(cè)沒(méi)有直接電路的聯(lián)系，只有磁路的聯(lián)系。二次側(cè)的負(fù)載電流通過(guò)磁通勢(shì)影響一次側(cè)。因此只要保持二次側(cè)的磁通勢(shì)不變，一次側(cè)的物理量沒(méi)有改變。這為繞組的折算提供了依據(jù)。繞組折算：將變壓器的二次（或一次）繞組用另一個(gè)繞組來(lái)等效，同時(shí)對(duì)該繞組的電磁量作相應(yīng)的變換，以保持兩側(cè)的電磁關(guān)系不變。折算原則：1）保持二次側(cè)磁通勢(shì)不變；2）保持二次側(cè)各功率或損耗不變。折算原則：1）保持二次側(cè)磁通勢(shì)不變；2）保持二次側(cè)各功率或損耗不變。=1.電動(dòng)勢(shì)換算關(guān)系2.阻抗換算關(guān)系根據(jù)保持歸算前后電阻銅耗及漏感中無(wú)功功率不變的原則，可得：3.端電壓換算關(guān)系折合算法只是一種分析的方法。凡是單位為伏的物理量（電動(dòng)勢(shì)、電壓）的歸算值等于原來(lái)數(shù)值乘k；單位為歐的物理量（電阻、電抗、阻抗）的歸算值等于原來(lái)數(shù)值乘k2；電流的歸算值等于原來(lái)的數(shù)值乘以1/k。四、歸算后的基本方程、等效電路和相量圖（已沒(méi)有變比k）二次繞組經(jīng)折合后，基本方程式變?yōu)椋赫酆虾蟮幕痉匠淌降刃щ娐犯鶕?jù)折算后的方程，可以作出變壓器的等效電路。T型等效電路：近似等效電路簡(jiǎn)化等效電路：

由簡(jiǎn)化等效電路可知，短路阻抗起限制短路電流的作用，由于短路阻抗值很小，所以變壓器的短路電流值較大，一般可達(dá)額定電流的10～20倍。相量圖相量圖的畫法，視變壓器給定的和求解的具體條件。給定量和求解量不同，畫圖步驟也不一樣。根據(jù)變壓器的T形等效電路，可畫出相應(yīng)的相量圖。變壓器接感性負(fù)載，負(fù)載阻抗由電阻和電感組成，為滯后；接容性負(fù)載，負(fù)載阻抗由電阻和電容組成，為超前。相量圖的畫法（1）畫出；假定給定U2、I2、cos2及各個(gè)參數(shù)（2）在相量上加上得到；（3）（6）畫出與的相量和；（7）畫出，加得到。（4）畫出領(lǐng)先的主磁通；（5）根據(jù)畫出，領(lǐng)先一個(gè)鐵耗角；第四節(jié)標(biāo)幺值

標(biāo)么值,就是指某一物理量的實(shí)際值與選定的同一單位的基準(zhǔn)值的比值,即一、定義二、基值1、通常以額定值為基準(zhǔn)值。

2、各側(cè)的物理量以各自側(cè)的額定值為基準(zhǔn)；線值以額定線值為基準(zhǔn)值，相值以額定相值為基準(zhǔn)值；單相值以額定單相值為基準(zhǔn)值，三相值以額定三相值為基準(zhǔn)值；3、標(biāo)么值=實(shí)際值基準(zhǔn)值三、優(yōu)點(diǎn)四、缺點(diǎn)標(biāo)么值沒(méi)有單位，物理意義不明確。3、折算前、后的標(biāo)么值相等。線值的標(biāo)么值=相值的標(biāo)么值；單相值的標(biāo)么值=三相值的標(biāo)么值；

1、額定值的標(biāo)么值為1。

2、百分值=標(biāo)么值×100%；4、某些意義不同的物理量標(biāo)么值相等第五節(jié)參數(shù)測(cè)定方法一、空載實(shí)驗(yàn)1、目的：通過(guò)測(cè)量空載電流和一、二次電壓及空載功率來(lái)計(jì)算變比、空載電流百分?jǐn)?shù)、鐵損和勵(lì)磁阻抗。2、接線圖3、要求及分析WAVV~**1）低壓側(cè)加電壓，高壓側(cè)開路；4）求出參數(shù)5）空載電流和空載功率必須是額定電壓時(shí)的值，并以此求取勵(lì)磁參數(shù)；6）若要得到高壓側(cè)參數(shù)，須折算；7）對(duì)三相變壓器，各公式中的電壓、電流和功率均為相值；二、短路實(shí)驗(yàn)1.目的：通過(guò)測(cè)量短路電流、短路電壓及短路功率來(lái)計(jì)算變壓器的短路電壓百分?jǐn)?shù)、銅損和短路阻抗。2.接線圖3.要求及分析1）高壓側(cè)加電壓，低壓側(cè)短路；3）同時(shí)記錄實(shí)驗(yàn)室的室溫；4）由于外加電壓很小，主磁通很少，鐵損耗很少，忽略鐵損，認(rèn)為。5）參數(shù)計(jì)算對(duì)T型等效電路：四、短路電壓短路時(shí)，當(dāng)短路電流為額定值時(shí)一次所加的電壓，稱為短路電壓，記作短路電壓也稱為阻抗電壓。6）溫度折算：電阻應(yīng)換算到基準(zhǔn)工作溫度時(shí)的數(shù)值。8）對(duì)三相變壓器，各公式中的電壓、電流和功率均為相值；7）若要得到低壓側(cè)參數(shù)，須折算；短路電壓常用百分值表示

短路電壓的大小直接反映短路阻抗的大小，而短路阻抗又直接影響變壓器的運(yùn)行性能。

從正常運(yùn)行角度看，希望短路電壓小些，這樣可使副邊電壓隨負(fù)載波動(dòng)小些；從限制短路電流角度，希望它大些，相應(yīng)的短路電流就小些。第六節(jié)變壓器的運(yùn)行性能一、變壓器的電壓變化率和外特性1)電壓變化率是指當(dāng)一次側(cè)接在額定電壓的電網(wǎng)上，負(fù)載的功率因數(shù)為常數(shù)時(shí)，空載與額定負(fù)載時(shí)二次側(cè)端電壓變化的相對(duì)值，用△U%表示。即：

電壓變化率是表征變壓器運(yùn)行性能的重要指標(biāo)之一,它大小反映了供電電壓的穩(wěn)定性。

由表達(dá)式可知，電壓變化率的大小與負(fù)載大小、性質(zhì)及變壓器的本身參數(shù)有關(guān)。用相量圖可以推導(dǎo)出電壓變化率的表達(dá)式（用標(biāo)幺值表示的簡(jiǎn)化等效電路的相量圖）2)變壓器的外特性變壓器在負(fù)載運(yùn)行中，隨著負(fù)載的增加，負(fù)載電流隨之增加，一、二次繞組上的電阻壓降及漏磁電動(dòng)勢(shì)都隨之增加，二次繞組的端電壓U2將會(huì)降低。1.001.03)電壓調(diào)整

為了保證二次端電壓在允許范圍之內(nèi),通常在變壓器的高壓側(cè)設(shè)置抽頭,并裝設(shè)分接開關(guān),調(diào)節(jié)變壓器高壓繞組的工作匝數(shù),來(lái)調(diào)節(jié)變壓器的二次電壓。

中、小型電力變壓器一般有三個(gè)分接頭，記作UN±5%。大型電力變壓器采用五個(gè)或多個(gè)分接頭,例UN±2x2.5%或UN±8x1.5%。

分接開關(guān)有兩種形式：一種只能在斷電情況下進(jìn)行調(diào)節(jié)，稱為無(wú)載分接開關(guān)-----這種調(diào)壓方式稱為無(wú)勵(lì)磁調(diào)壓；另一種可以在帶負(fù)荷的情況下進(jìn)行調(diào)節(jié)，稱為有載分接開關(guān)-----這種調(diào)壓方式稱為有載調(diào)壓。二、變壓器的損耗與效率1)變壓器的損耗變壓器的損耗主要是鐵損耗和銅