變壓器的結(jié)構(gòu)和工作原理

變壓器的構(gòu)造 變壓器是一種靜止的電氣設(shè)備，它運(yùn)用電磁感應(yīng)原理，把一種電壓等級(jí)的交流電能轉(zhuǎn)換成另一種電壓等級(jí)的交流電能。變壓器是電力系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)電能的經(jīng)濟(jì)傳播、靈活分派和合理使用的重要設(shè)備，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)和其他部門也獲得了廣泛應(yīng)用。 一般常用變壓器的分類可歸納如下：按相數(shù)分：(1)單相變壓器：用于單相負(fù)荷和三相變壓器組。(2)三相變壓器：用于三相系統(tǒng)的升、降電壓。按冷卻方式分：(1)干式變壓器：依托空氣對(duì)流進(jìn)行冷卻，一般用于局部照明、電子線路等小容量變壓器。(2)油浸式變壓器：依托油作冷卻介質(zhì)、如油浸自冷、油浸風(fēng)冷、油浸水冷、強(qiáng)迫油循環(huán)等。按用途分：(1)電力變壓器：用于輸配電系統(tǒng)的升、降電壓。(2)儀用變壓器：如電壓互感器、電流互感器、用于測(cè)量?jī)x表和繼電保護(hù)裝置。(3)試驗(yàn)變壓器：能產(chǎn)生高壓，對(duì)電氣設(shè)備進(jìn)行高壓試驗(yàn)。(4)特種變壓器：如電爐變壓器、整流變壓器、調(diào)整變壓器等。按繞組形式分：(1)雙繞組變壓器：用于連接電力系統(tǒng)中的兩個(gè)電壓等級(jí)。(2)三繞組變壓器：一般用于電力系統(tǒng)區(qū)域變電站中，連接三個(gè)電壓等級(jí)。(3)自耦變電器：用于連接不一樣電壓的電力系統(tǒng)。也可做為一般的升壓或降后變壓器用。按鐵芯形式分：(1)芯式變壓器：用于高壓的電力變壓器。（2）非晶合金變壓器：非晶合金鐵芯變壓器是用新型導(dǎo)磁材料，空載電流下降約80%，是目前節(jié)能效果較理想的配電變壓器，尤其合用于農(nóng)村電網(wǎng)和發(fā)展中地區(qū)等負(fù)載率較低的地方。(3)殼式變壓器：用于大電流的特殊變壓器，如電爐變壓器、電焊變壓器；或用于電子儀器及電視、收音機(jī)等的電源變壓器。在電力系統(tǒng)中，用到最多的是油浸式變壓器，其最基本的構(gòu)造式鐵芯、繞組、絕緣材料、郵箱等構(gòu)成，為了使變壓器安全可靠地運(yùn)行，還需要冷卻裝置、保護(hù)裝置。一、鐵芯鐵芯是構(gòu)成變壓器基本的構(gòu)成部件之一，是變壓器導(dǎo)磁的主磁路，又是器身的主骨架，它由鐵柱、鐵軛和夾緊裝置構(gòu)成。常用的變壓器鐵芯一般都是用硅鋼片制做的。硅鋼是一種合硅（硅也稱矽）的鋼，其含硅量在0．8～4．8%。由硅鋼做變壓器的鐵芯，是由于硅鋼自身是一種導(dǎo)磁能力很強(qiáng)的磁性物質(zhì)，在通電線圈中，它可以產(chǎn)生較大的磁感應(yīng)強(qiáng)度，從而可以使變壓器的體積縮小。變壓器工作時(shí)，線圈中有交變電流，它產(chǎn)生的磁通當(dāng)然是交變的。這個(gè)變化的磁通在鐵芯中產(chǎn)生感應(yīng)電流。鐵芯中產(chǎn)生的感應(yīng)電流，在垂直于磁通方向的平面內(nèi)環(huán)流著，因此叫渦流。渦流損耗同樣使鐵芯發(fā)熱。為了減小渦流損耗，變壓器的鐵芯用彼此絕緣的硅鋼片疊成，使渦流在狹長(zhǎng)形的回路中，通過(guò)較小的截面，以增大渦流通路上的電阻；同步，硅鋼中的硅使材料的電阻率增大，也起到減小渦流的作用。用做變壓器的鐵芯，一般選用0．35mm厚的冷軋硅鋼片，按所需鐵芯的尺寸，將它裁成長(zhǎng)形片，然后交疊成“日”字形或“口”字形。從道理上講，若為減小渦流，硅鋼片厚度越薄，拼接的片條越狹窄，效果越好。這不僅減小了渦流損耗，減少了溫升，還能節(jié)省硅鋼片的用料。但實(shí)際上制作硅鋼片鐵芯時(shí)。并不單從上述的一面有利原因出發(fā)，由于那樣制作鐵芯，要大大增長(zhǎng)工時(shí)，還減小了鐵芯的有效截面。因此，用硅鋼片制作變壓器鐵芯時(shí)，要從詳細(xì)狀況出發(fā)，權(quán)衡利弊，選擇最佳尺寸。圖1硅鋼片的排發(fā)二、繞組繞組是變壓器最關(guān)鍵的部件，是變壓器進(jìn)行電能互換的中樞，它應(yīng)具有足夠的絕緣強(qiáng)度、機(jī)械強(qiáng)度、耐熱能力和良好的散熱條件。變壓器的繞組大多用包有絕緣的銅導(dǎo)線繞制而成，在中小型變壓器中也有用鋁線替代銅線的；電壓高的繞組為高壓繞組，電正低的繞組為低壓繞組、繞組套在鐵心柱上的位置．低壓繞組在里．高壓繞組在外，這樣絕緣距離小，繞組與鐵心的尺寸都可以小些。繞組也有諸多種構(gòu)造形式．這里也不做簡(jiǎn)介了。其一次與二次電壓的比值幾乎與兩者之線圈匝數(shù)比相似。因此，變壓器之匝數(shù)比，一般可作為變壓器升壓或降壓的參照指標(biāo)。圖2三鐵芯柱式變壓器的鐵芯與繞組1鐵軛2貼心住3高壓繞組4低壓繞組三、絕緣構(gòu)造變壓器的絕緣包括外部絕緣和內(nèi)部絕緣，外部絕緣指的是變壓器的同相或異相套管之間以及套管對(duì)地部分之間的絕緣，內(nèi)部絕緣指的是郵箱內(nèi)的絕緣，重要是繞組絕緣，引線和分接開關(guān)的絕緣。中性點(diǎn)的絕緣構(gòu)造有兩種：一種是全絕緣構(gòu)造，其特點(diǎn)是中性點(diǎn)的絕緣水平與三相端部出線電壓等級(jí)的絕緣水平相似，此種絕緣構(gòu)造重要用于絕緣規(guī)定較高的小接地電流接地系統(tǒng)，目前我國(guó)40kv及如下電壓等級(jí)電網(wǎng)均屬小電流接地系統(tǒng)，所用的變壓器均有是全絕緣構(gòu)造。另一種是分級(jí)絕緣構(gòu)造，其特點(diǎn)是中性點(diǎn)的絕緣水平低于三相端部出線電壓等級(jí)的絕緣水平。分級(jí)絕緣的變壓器重要用于是110kv及上電壓等級(jí)電網(wǎng)的大電流接地系統(tǒng)。采用分級(jí)絕緣的變壓器可以使內(nèi)絕緣尺寸減小，從而使整個(gè)變壓器的尺寸縮小，這樣可減少造價(jià)。四、分接開關(guān)電力變壓器的分接開關(guān)是用來(lái)調(diào)整變壓器輸出電壓的。由于電力系統(tǒng)電網(wǎng)中各處的電壓不是完全相似的，為了使得變壓器無(wú)論安裝在電網(wǎng)什么位置都能輸出額定電壓，就在變壓器的高壓繞組設(shè)置了多次抽頭，并將抽頭接到分接開關(guān)上，通過(guò)開有關(guān)電網(wǎng)相連。這樣，可以通過(guò)度接開關(guān)與不一樣的變壓器繞組抽頭連接來(lái)變化變壓器高下壓繞組的匝數(shù)比，從而到達(dá)調(diào)整變壓器輸出電壓的目的。分接頭有無(wú)載調(diào)整和有載調(diào)整兩種，前者只能在變壓器于電網(wǎng)脫開后調(diào)整分接開關(guān)位置，而后者可以在變壓器運(yùn)行工況中調(diào)整分接頭位置。一般配電變壓器，假如沒(méi)有特殊的規(guī)定，都采用無(wú)載調(diào)壓分接頭開關(guān)，調(diào)整檔次為±5%額定電壓，容量稍微大某些是可以是±2X2.5%。而采用有載調(diào)壓分接頭的，可以有±5X1.25%、±7X1.0%等等許多組合。五、油箱和其他附件油浸式電力變壓器的器身裝在充斥變壓器油的油箱中，變壓器附加分別布置在油箱的頂部、底部和側(cè)壁。油箱變壓器的郵箱有兩種基本形式：平頂油箱和拱頂油箱名牌每臺(tái)變壓器均有一種名牌，該名牌標(biāo)出變壓器的多種參數(shù)。如下圖所示六、冷卻裝置 變壓器運(yùn)行時(shí)，線圈和鐵芯中的損耗所轉(zhuǎn)化的熱量必須設(shè)法散掉，以免過(guò)熱損壞變壓器。油浸式電力變壓器的熱量是通過(guò)油傳遞給油箱及冷卻裝置。再由周圍空氣或冷卻水進(jìn)行冷卻的。變壓器油循環(huán)冷卻裝置，波及變壓器技術(shù)領(lǐng)域，克服了既有技術(shù)中油浸式變壓器油面與底層溫差較大，難以形成對(duì)流的局限性。技術(shù)方案包括變壓器箱體及循環(huán)管；其特性是：在變壓器一側(cè)散熱片上部的箱體外側(cè)處和變壓器另一側(cè)散熱片下部的箱體外側(cè)處各設(shè)置一種通孔；循環(huán)管為中空管，其一端焊接在箱體上部的通孔處，另一端沿散熱片外側(cè)向下延伸至散熱片下方，再沿散熱片下方繞箱體折轉(zhuǎn)半周，至箱體另一側(cè)散熱片的下方通孔處，并與該通孔焊接，使箱體的上通孔經(jīng)循環(huán)管與下通孔連通。有益效果是：外部散熱可直接減少油面溫升，把變壓器運(yùn)行溫度控制在溫升容許的限值內(nèi)，減少變壓器的運(yùn)行溫度，延緩變壓器內(nèi)絕緣材料的老化，防止運(yùn)行事故的發(fā)生。 七、保護(hù)裝置 為了保證變壓器的安全運(yùn)行，變壓器本體設(shè)置了許多保護(hù)，重要有如下幾部分。儲(chǔ)油柜和呼吸器 儲(chǔ)油柜俗稱油枕，為一圓筒行容器，橫放于油箱上方，用管道與變壓器的油箱連接。當(dāng)變壓器油熱脹時(shí)，油由油箱流向儲(chǔ)油柜；當(dāng)變壓器油冷縮時(shí)，油由儲(chǔ)油柜流向油箱。儲(chǔ)油柜油面上部的空氣由一通氣管道與外部大氣相通。通氣管道中放置干燥劑，以減少空氣中的水分進(jìn)入儲(chǔ)油柜中。儲(chǔ)油柜的底部設(shè)有沉積器，以沉聚侵入儲(chǔ)油柜的水分和污物，定期加以排除。在儲(chǔ)油柜的一端還裝有油位表以觀測(cè)油面的高下，當(dāng)由于滲漏等原因?qū)е掠土烤窒扌詴r(shí)，應(yīng)及時(shí)注油加以補(bǔ)充。 變壓器呼吸器是變壓器的一種重要保護(hù)部件，呼吸器是變壓器的一種微局限性道的小元件，但它在變壓器的運(yùn)行中起到了不小的作用，變壓器呼吸器象人的鼻子起到變壓器呼吸的作用，但起到的作用遠(yuǎn)不止這一點(diǎn)，它重要起到過(guò)濾和凈化空氣的作用。當(dāng)變壓器受熱膨脹時(shí)，呼出變壓器內(nèi)部多出的空氣；當(dāng)變壓器油溫減少收縮時(shí)，吸入外部空氣。當(dāng)吸入外部空氣時(shí)，儲(chǔ)油盒里的變壓器油過(guò)濾外部空氣，然后硅膠將沒(méi)有過(guò)濾去的水份吸取，便變壓器內(nèi)的變壓器油不受外部空氣中水份的侵入，使其水份含量一直在原則以內(nèi)。安全氣道 安全氣道安裝在電力變壓器的油箱蓋上，是油箱內(nèi)部發(fā)生故障時(shí)產(chǎn)生過(guò)高壓力的釋放裝置，因此又稱為防爆管。3、氣體繼電器氣體繼電器是油浸式變壓器上的重要安全保護(hù)裝置，它安裝在變壓器箱蓋與儲(chǔ)油柜的聯(lián)管上，在變壓器內(nèi)部故障產(chǎn)生的氣體或油流作用下接通信號(hào)或跳閘回路，使有關(guān)裝置發(fā)出警報(bào)信號(hào)或使變壓器從電網(wǎng)中切除，到達(dá)保護(hù)變壓器的作用。氣體繼電器又稱瓦斯繼電器，是運(yùn)用變壓器內(nèi)故障時(shí)產(chǎn)生的熱油流和熱氣流推進(jìn)繼電器動(dòng)作的元件，是變壓器的保護(hù)元件；瓦斯繼電器裝在變壓器的油枕和油箱之間的管道內(nèi)；假如充油的變壓器內(nèi)部發(fā)生放電故障，放電電弧使變壓器油發(fā)生分解，產(chǎn)生甲烷、乙炔、氫氣、一氧化碳、二氧化碳、乙烯、乙烷等多種特性氣體，故障越嚴(yán)重，氣體的量越大，這些氣體產(chǎn)生后從變壓器內(nèi)部上升到上部的油枕的過(guò)程中，流經(jīng)瓦斯繼電器；若氣體量較少，則氣體在瓦斯繼電器內(nèi)聚積，使浮子下降，使繼電器的常開接點(diǎn)閉合，作用于輕瓦斯保護(hù)發(fā)出警告信號(hào)；若氣體量很大，油氣通過(guò)瓦斯繼電器迅速?zèng)_出，推進(jìn)瓦斯繼電器內(nèi)擋扳動(dòng)作，使另一組常開接點(diǎn)閉合，重瓦斯則直接啟動(dòng)繼電保護(hù)跳閘，斷開斷路器，切除故障變壓器。圖3氣體繼電器4、凈油器凈油器又叫熱濾油器，是一種變壓器油持續(xù)再生裝置。變壓器的凈油器可使油中有害物質(zhì)如水分、游離碳、氧化物等伴隨油的循環(huán)被凈油器中的硅膠吸取，使油凈化保持良好的電氣及化學(xué)性能，延長(zhǎng)使用壽命,減少更換頻率,減少使用成本。5、溫度計(jì)溫度計(jì)用來(lái)測(cè)量油箱內(nèi)的上層溫度，這是油的最高溫度，其種類有水銀溫度計(jì)、信號(hào)式溫度計(jì)和電阻溫度計(jì)。6、油表油表是用來(lái)監(jiān)視變壓器郵箱內(nèi)的油位或充油套管里的油位變化的裝置，變壓器常用的油表有板式，管式和磁鐵式三種。八、套管圖4絕緣套管變壓器套管是將變壓器內(nèi)部高、低壓引線引到油箱外部的絕緣套管，不僅作為引線對(duì)地絕緣，并且肩負(fù)著固定引線的作用，變壓器套管是變壓器載流元件之一，在變壓器運(yùn)行中，長(zhǎng)期通過(guò)負(fù)載電流，當(dāng)變壓器外部發(fā)生短路時(shí)通過(guò)短路電流。因此，對(duì)變壓器套管有一下規(guī)定：(1)必須具有規(guī)定的電氣強(qiáng)度和足夠的機(jī)械強(qiáng)度。(2)必須具有良好的熱穩(wěn)定性，并能承受短路時(shí)的瞬間過(guò)熱。(3)外形小、質(zhì)量小、密封性能好、通用性強(qiáng)和便于維修。構(gòu)造：接線板、瓷件、導(dǎo)電桿和籌鋁合金法蘭構(gòu)成。主絕緣重要由瓷套和油隙構(gòu)成，屬于不擊穿、免維護(hù)部件。變壓器的工作原理變壓器是輸送交流電時(shí)所使用的一種變電壓和變電流的設(shè)備。它逋過(guò)磁路的耦合作用把交流電從原邊輸送到副邊．運(yùn)用繞制莊同一鐵心上的原繞組和副繞組匝數(shù)的不一樣，把原繞組的電壓相電流從某種數(shù)量等級(jí)變化為副繞組的此外一種等級(jí)。當(dāng)一種正弦交流電壓U1加在初級(jí)線圈兩端時(shí)，導(dǎo)線中就有交變電流I1并產(chǎn)生交變磁通ф1，它沿著鐵芯穿過(guò)初級(jí)線圈和次級(jí)線圈形成閉合的磁路。在次級(jí)線圈中感應(yīng)出互感電勢(shì)U2，同步ф1也會(huì)在初級(jí)線圈上感應(yīng)出一種自感電勢(shì)E1，E1的方向與所加電壓U1方向相反而幅度相近，從而限制了I1的大小。為了保持磁通ф1的存在就需要有一定的電能消耗，并且變壓器自身也有一定的損耗，盡管此時(shí)次級(jí)沒(méi)接負(fù)載，初級(jí)線圈中仍有一定的電流，這個(gè)電流我們稱為“空載電流”。假如次級(jí)接上負(fù)載，次級(jí)線圈就產(chǎn)生電流I2，并因此而產(chǎn)生磁通ф2，ф2的方向與ф1相反，起了互相抵消的作用，使鐵芯中總的磁通量有所減少，從而使初級(jí)自感電壓E1減少，其成果使I1增大，可見初級(jí)電流與次級(jí)負(fù)載有親密關(guān)系。當(dāng)次級(jí)負(fù)載電流加大時(shí)I1增長(zhǎng)，ф1也增長(zhǎng)，并且ф1增長(zhǎng)部分恰好補(bǔ)充了被ф2所抵消的那部分磁通，以保持鐵芯里總磁通量不變。假如不考慮變壓器的損耗，可以認(rèn)為一種理想的變壓器次級(jí)負(fù)載消耗的功率也就是初級(jí)從電源獲得的電功率。變壓器能根據(jù)需要通過(guò)變化次級(jí)線圈的圈數(shù)而變化次級(jí)電壓，不過(guò)不能變化容許負(fù)載消耗的功率。理想變壓器的兩個(gè)基本\o"公式"公式是：（1）U1/U2=N1/N2，即對(duì)同一變壓器的任意兩個(gè)線圈，均有電壓和匝數(shù)成正比。（2）P入=P出，即無(wú)論有幾種副\o"線圈"線圈在工作，變壓器的輸入功率總等于所有輸出功率之和。雖然變壓器從原理上講是這樣的制作變壓器的原理：在\o"發(fā)電機(jī)"發(fā)電機(jī)中，不管是線圈運(yùn)動(dòng)通過(guò)磁場(chǎng)或磁場(chǎng)運(yùn)動(dòng)通過(guò)固定線圈，均能在線圈中感應(yīng)\o"電勢(shì)"電勢(shì)，此兩種狀況，磁通的值均不變，但與線圈相交鏈的磁通數(shù)量卻有變動(dòng)，這是互感應(yīng)的原理。變壓器就是一種運(yùn)用電磁互感應(yīng)，變換電壓，電流和阻抗的器件。簡(jiǎn)樸講變壓器原理：不妨拆開一種廢舊的收音機(jī)中的變壓器?？梢钥吹?，變壓器里面重要是一塊鋼鐵周圍繞著兩組銅線。這塊鋼鐵稱為\o"鐵芯"鐵芯，它是用軟磁材料做的。銅線稱為線圈，其中一組用來(lái)連接輸入電流，稱為初級(jí)線圈（N1），另一種連接背面的用電器，稱為次級(jí)線圈（N2）。

假如N1通過(guò)一種\o"交流電"交流電，那么它就會(huì)產(chǎn)生一種變換的\o"磁場(chǎng)"磁場(chǎng)H，這樣，鐵芯處在磁場(chǎng)中會(huì)被磁化，產(chǎn)生變換的磁矩M。磁矩和磁場(chǎng)的和稱為磁通B?？梢韵胂?/p>