變壓器基本工作基礎(chǔ)學(xué)習(xí)知識(shí)原理

1、第1章 變壓器的基本知識(shí)和結(jié)構(gòu)1.1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 deNi©2N2dtdt則也亙* ku2 e2 N2變比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

2、分類變壓器的種類很多，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,鐵心和繞組是變壓器的主要部件， 稱為器身 見(jiàn)圖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 .鐵心的材料采用高磁導(dǎo)率的鐵磁材料

3、一0.350.5mm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 .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 .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， 能承受一定壓力，某些部位必須具有防

4、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 .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 .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?紅色。吸潮的硅膠可以再生。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

5、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 .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)。1kV以下采用實(shí)心磁套管，1035kV采用空心充氣或充油式套管，110kV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 .分接開(kāi)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(kāi)關(guān)。分接開(kāi)關(guān)分為無(wú)載調(diào)壓和有載調(diào)壓兩種，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(kāi)關(guān)安裝在油箱

6、內(nèi)，其控制箱在油箱外， 有載調(diào)壓分接開(kāi)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 .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 .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)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-500/10 :表示三

7、相油浸自冷雙線圈鋁線，額定容量為500kVA,高壓側(cè)額定電壓為10kV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)加額定電壓，二次側(cè)空載時(shí)的端電壓。原邊額定電流I 1N ：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，I 1N為原邊額定線電流。副邊額定電

8、流I 2N :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：sn U1nI1n U2NI2N三相變壓器額定值的關(guān)系式：Sn3U1nI1n 3U2NI2N額定頻率f n:我國(guó)工頻：50Hz；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(kāi)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?V-VJ mtEid«>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

9、導(dǎo)出原繞組感應(yīng)電勢(shì)Ej = -j4,44fNt6 m同理可得Z J er = -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90°。三、原邊漏電抗和激磁電抗1 .原邊漏電抗U/一>/->*尸。N/> 0= -j4.44fNPfn引入原邊漏電抗修仃二Eity-ih)Xis2 .激磁電抗Uii> 5惻=FflR主磁路二口=寸4氣加必非線性.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 .電動(dòng)勢(shì)平衡方程變壓器

10、空載運(yùn)行時(shí)，各物理量的正方向通常按上圖標(biāo)定，根據(jù)基爾霍夫電壓定律，原邊回路方程為Ui=-Ei -Eihn =-E i +jiixiff+hrf對(duì)于電力變壓器，空載時(shí)原繞組的漏阻抗壓降I0Z1很小，其數(shù)值不超過(guò) Ui的0.2%,將I0Z1忽略，則有U 產(chǎn) Et=4.44fN.副邊回路方程2 .空載時(shí)的等效電路門義后Zl < < Zm、m< < Xm o空載時(shí)電路功率因數(shù)都很小， 空載電流I。主要是無(wú)功性質(zhì)，由于鐵磁材料的磁飽和 性，引起空載電流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I 0變壓器空載時(shí)既吸收無(wú)功功率，也吸收

11、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 .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不變，且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F i+FzFo « « LNK ，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 2增大時(shí)，原邊電流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

12、在改變電流的大小。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 .

13、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形等效電路門 XJ。門' 丫才2 .較準(zhǔn)確等效電路由于Zm> >乙，可把“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 .簡(jiǎn)化等效電路在電力變壓器中，I 0< V I N ,因此，在工程計(jì)算中可忽略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- U ' N 7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

14、泛應(yīng)用。2.3變壓器參數(shù)的測(cè)定一、空載試驗(yàn)1 .變壓器的空載試驗(yàn)?zāi)康模呵蟪鲎儽?已空載損耗Pk和激磁阻抗Zm。2 .空載試驗(yàn)的接線通常在低壓側(cè)加電壓，將高壓側(cè)開(kāi)路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、I。、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，激磁阻抗不同，由于變壓器正常運(yùn)行時(shí)原邊加額定電壓，所以,應(yīng)取額定電壓下的數(shù)據(jù)來(lái)計(jì)算激由變壓器空載時(shí)等效電路可知，因Zi<<Zn ri<<rm,所以Znf =Ark： k等于變壓只要換算成式中 p0空載損耗，可作為額定電壓時(shí)的鐵耗。若要得到以高壓側(cè)為原邊的激磁參數(shù)，可將所測(cè)得

15、的激磁參數(shù)乘以 器高壓側(cè)一相的電壓除以低壓側(cè)一相的電壓。對(duì)于三相變壓器，試驗(yàn)中測(cè)定的數(shù)據(jù)是線電壓、線電流和三相總功率, 一相的數(shù)據(jù)，就可直接代入上式計(jì)算。二、短路試驗(yàn)1 .短路試驗(yàn)的目的：可測(cè)出短路阻抗Zk和變壓器的銅耗 pko2 .短路試驗(yàn)的接線通常在高壓側(cè)加電壓，將低壓側(cè)短路3 .短路試驗(yàn)的過(guò)程電源電壓由零逐漸升高， 使短路電流由零逐漸升高至 1.2I 1N,測(cè)取其對(duì)應(yīng)的 小、Ik、Pko注意：由于變壓器短路阻抗很小， 如果在額定電壓下短路， 則短路電流可達(dá)(9.5 20) I in,將損壞變壓器，所以做短路試驗(yàn)時(shí)，外施電壓必須很低，通常為(0.050.15) Uin,以限制短路電流。取額

16、定電流點(diǎn)計(jì)算，因所加電壓低，鐵心中的磁通很小，鐵耗和勵(lì)磁電流可以忽略， 使用簡(jiǎn)化等效電路進(jìn)行分析PkN：短路損耗，指短路電流為額定電流時(shí)變壓器的損耗，PkN可作為額定電流時(shí)的銅耗。一般認(rèn)為：ri=2' =0.5 rk； xi=X2' =0.5Xk將室溫下測(cè)得的短路電阻換算到標(biāo)準(zhǔn)工作溫度75 C時(shí)的值，而漏電抗與溫度無(wú)關(guān)。短路試驗(yàn)在任何一方做均可，高壓側(cè)參數(shù)是低壓側(cè)的k2倍，k等于變壓器高壓側(cè)一相的電壓除以低壓側(cè)一相的電壓。對(duì)于三相變壓器，試驗(yàn)中測(cè)定的數(shù)據(jù)是線電壓、線電流和三相總功率，只要換算成 一相的數(shù)據(jù)，就可直接按單相變壓器計(jì)算。三、短路電壓短路電壓：在短路試驗(yàn)中，當(dāng)短路電流

17、為額定電流時(shí)，原邊所加的電壓與額定電壓 之比的百分值，即乂伽=乂 100%短路電壓是變壓器一個(gè)很重要的參數(shù)，其大小反映了變壓器在額定負(fù)載時(shí)漏阻抗壓降的 大小。從運(yùn)行角度來(lái)看，希望 u小一些，使變壓器輸出電壓隨負(fù)載變化波動(dòng)小一些。 但Uk太小，變壓器由于某種原因短路時(shí)短路電流太大，可能損壞變壓器。一般中、小型 電力變壓器的 U=4%- 10.5%,大型電力變壓器的 Uk=12.5%17.5%。四、標(biāo)么值標(biāo)么值：實(shí)際值與該物理量某一選定的同單位的基值之比士-/古實(shí)際值標(biāo)么值 基值通常取各物理量對(duì)應(yīng)的額定值作為基值。取一、二次側(cè)額定電壓 Uin> L2n作為一、二次側(cè)電壓的基值；取一、二次側(cè)額

18、定電流I 1mI2N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 .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)載電流變化的關(guān)系，即U=f(I 2)。變壓器在純電阻和感性負(fù)載時(shí)，副邊電壓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 .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 .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