《電機(jī)原理與維修》課件第1章

第1章變壓器的基本工作原理、分類和結(jié)構(gòu)

1.1變壓器的基本工作原理1.2變壓器的分類1.3變壓器的基本結(jié)構(gòu)和銘牌習(xí)題

1.1變壓器的基本工作原理1.1.1變壓器的用途變壓器是電力系統(tǒng)中使用最為廣泛的電氣設(shè)備之一，它的主要用途是用來升高或降低電壓。發(fā)電廠中發(fā)電機(jī)發(fā)出的電壓相對較低，要將這些電能輸送到較遠(yuǎn)的用電地區(qū)，必須升高電壓，采用高壓輸電。當(dāng)輸送的電功率一定時，電壓愈高，輸電電流愈小，線路上的電壓降和功率損耗也愈小，輸電線的有色金屬耗量也少。當(dāng)電能輸送到用電中心后，需要用降壓變壓器將電壓降低，再輸送到配電系統(tǒng)供各種負(fù)載使用?？梢姡娏斔瓦^程中升壓和降壓都需要用變壓器來完成。據(jù)統(tǒng)計，電力系統(tǒng)中變壓器的安裝總?cè)萘考s為發(fā)電機(jī)總?cè)萘康?～8倍。根據(jù)發(fā)、配電及用電要求的不同，電力系統(tǒng)中的電壓分為許多等級，500V及以下的電壓稱為低壓系統(tǒng)，3kV、6kV、35kV、110kV、220kV、330kV、500kV、750kV及以上稱為高壓系統(tǒng)。在電力系統(tǒng)中用作電能輸送與分配的變壓器稱為“電力變壓器”，如圖1-1所示。其次，變壓器在其他方面應(yīng)用也十分廣泛，如電解、化工用的整流變壓器；冶煉用的電爐變壓器；焊接用的焊接變壓器；測量用的儀用變壓器等。變壓器除變換電壓外，還可變換電流和阻抗等。圖1-1電力系統(tǒng)示意圖1.1.2變壓器的基本工作原理變壓器是一種靜止的電氣設(shè)備，它是利用電磁感應(yīng)原理工作的。它把輸入的電壓升高或降低為同頻率的交流電壓輸出，以滿足輸電、配電的需要。圖1-2所示是單相變壓器的工作原理示意圖。變壓器的主要部件是一個鐵芯和套在鐵芯上的兩個繞組N1和N2，其中繞組N1接交流電源，稱為原邊繞組或一次繞組，有些也稱為原邊；繞組N2接負(fù)載，稱為副邊繞組或二次繞組，有些也稱為副邊。原、副邊繞組具有不同的匝數(shù)且互相絕緣，它們之間只有磁的耦合而沒有電的聯(lián)系。圖1-2單相變壓器工作原理示意圖當(dāng)原邊繞組N1接到交流電壓u1時，便有交流電流i1流入，因而在鐵芯中產(chǎn)生與u1同頻率的交變磁通。磁通同時與繞組N1和N2交鏈。根據(jù)電磁感應(yīng)定律，交變磁通分別在繞組N1和N2中感應(yīng)出同頻率的電動勢e1和e2，并且，

(1-1)式中：N1、N2為原、副邊繞組匝數(shù)。副邊繞組有了電動勢e2，便可向負(fù)載輸出電能。由于感應(yīng)電動勢的大小與繞組的匝數(shù)成正比，因此，改變原邊繞組和副邊繞組的匝數(shù)即可改變副邊電壓的大小，這就是變壓器的基本工作原理。1.2變壓器的分類變壓器的應(yīng)用十分廣泛，種類很多，其分類方法也很多，常用的有以下幾種：按用途分類，可分為電力變壓器和特種變壓器。電力變壓器主要用于輸、配電系統(tǒng)中，按功能又可分為升壓變壓器、降壓變壓器、配電變壓器、聯(lián)絡(luò)變壓器。特種變壓器可分為整流變壓器、電爐變壓器、試驗變壓器、調(diào)壓變壓器和焊接變壓器等。按結(jié)構(gòu)形式分類，可分為單相變壓器和三相變壓器。按絕緣介質(zhì)分類，可分為油浸式和干式變壓器。按繞組數(shù)目分類，可分為自耦變壓器、雙繞組變壓器、三繞組變壓器和多繞組變壓器。按鐵芯形式分類，可分為心式和殼式變壓器。按調(diào)壓方式分類，可分為有載調(diào)壓和無載調(diào)壓變壓器。按冷卻介質(zhì)和冷卻方式分類，可分為油浸自冷式、油浸風(fēng)冷式、強(qiáng)迫油循環(huán)風(fēng)冷式、強(qiáng)迫油循環(huán)水冷式和氣冷式等。變壓器按其容量大小可分為五類，第Ⅰ類容量為100kV·A,電壓為10kV及以下；第Ⅱ類容量為125～630kV·A，電壓為10kV及以下。第Ⅰ、Ⅱ類為小型變壓器。第Ⅲ類容量為800～6300kV·A，電壓為35kV及以下，為中型變壓器。第Ⅳ類容量為8000～63000kV·A，電壓為35kV及以下，為大型變壓器。90000kV·A及以上為第Ⅴ類(特大型變壓器)。我國目前可以設(shè)計、制造容量為5×105kV·A、電壓為500kV的特大型變壓器。1.3變壓器的基本結(jié)構(gòu)和銘牌變壓器的基本結(jié)構(gòu)主要有：鐵芯、繞組、絕緣套管、箱體、分接開關(guān)及其附件。鐵芯和繞組是變壓器的主要部分，由它們組成變壓器的器身。油浸式變壓器的器身浸放在盛滿變壓器油的封閉油箱中，各繞組的出線端經(jīng)絕緣套管引出。為了變壓器能夠安全、可靠地運行，通常還設(shè)有儲油柜、安全氣道和氣體繼電器等附件。圖1-3所示是三相油浸式電力變壓器的基本結(jié)構(gòu)示意圖。圖1-3三相油浸式變壓器基本結(jié)構(gòu)示意圖(a)SJ1系列變壓器；(b)S系列變壓器1.3.1鐵芯鐵芯是變壓器的磁路部分，也是繞組的支撐骨架，原邊繞組和副邊繞組都繞在鐵芯上。鐵芯分為鐵芯柱和鐵軛兩部分。裝配好的鐵芯形似窗戶框，套入繞組的垂直部分叫鐵芯柱，水平部分叫鐵軛，鐵軛將鐵芯柱連接起來形成閉合磁路,如圖1-4(a)所示。

1.鐵芯材料為了提高磁路的導(dǎo)磁性能，減少鐵芯損耗(鐵損、渦流及磁滯損耗)，鐵芯一般采用高磁導(dǎo)率的硅鋼片疊成。硅鋼片厚度為0.35mm或0.5mm，表面涂有絕緣漆膜，疊成鐵芯后片與片間是絕緣的。硅鋼片有熱軋和冷軋兩種，冷軋硅鋼片比熱軋硅鋼片磁導(dǎo)率高，損耗小。

2.鐵芯形式圖1-4(a)為變壓器的鐵芯結(jié)構(gòu)，按繞組套入鐵芯柱的形式，鐵芯分為心式和殼式兩種，如圖1-4(b)、(c)所示。心式變壓器的原邊繞組和副邊繞組套在鐵芯柱上，鐵芯被繞組包圍，如圖1-4(b)所示。這種結(jié)構(gòu)比較簡單，繞組的裝配及絕緣比較容易，適用于大容量，高電壓的變壓器。電力變壓器大多采用心式結(jié)構(gòu)。殼式變壓器的鐵芯包圍繞組的上、下面和側(cè)面，如圖1-4(c)所示。這種結(jié)構(gòu)機(jī)械強(qiáng)度好，鐵芯容易散熱，但耗用鐵芯材料較多，制造工藝較復(fù)雜。只有一些特殊變壓器(如電爐變壓器)和小型干式變壓器采用殼式結(jié)構(gòu)。圖1-4變壓器鐵芯和形式(a)變壓器鐵芯；(b)心式變壓器；(c)殼式變壓器

3.鐵芯疊裝鐵芯一般由剪成一定形狀的硅鋼片疊裝而成。為了減小接縫間隙，提高導(dǎo)磁性能，減小勵磁電流，常采用交錯式疊裝，使相鄰層疊縫錯開。由于冷軋硅鋼片和熱軋硅鋼片導(dǎo)磁性能的不同，因此它們疊裝的方法也不同。熱軋硅鋼片疊裝的次序如圖1-5所示，冷軋硅鋼片疊裝的次序如圖1-6所示。疊裝之后，用特殊的緊固件夾緊，即組成了變壓器的鐵芯。由于各層硅鋼片的排列互不相同，因此在疊裝后各層的接縫不在同一點，這可以有效地提高導(dǎo)磁性能。目前，大、中型變壓器的鐵芯均采用圖1-6所示的疊裝方法。圖1-5熱軋硅鋼片疊法圖1-6冷軋硅鋼片疊法

4.鐵芯截面鐵芯柱截面的形狀通常有三種：正方形、矩形和階梯形。小型變壓器鐵芯柱截面形狀一般為正方形或矩形，如圖1-7(a)所示。大、中型變壓器的鐵芯柱截面一般做成階梯形或多級階梯形，以充分利用繞組內(nèi)圓空間，如圖1-7(b)、(c)所示。當(dāng)鐵芯柱直徑大于380mm時，芯柱中間還應(yīng)留出油道，以利于鐵芯散熱。圖1-7鐵芯柱截面

(a)方形；(b)階梯形；(c)多級階梯形鐵軛的截面有矩形、T形和階梯形。為減小勵磁電流和鐵芯損耗，鐵軛截面積一般比鐵芯柱截面積大5%～10%，如圖1-8所示。隨著制造技術(shù)的發(fā)展，近年來還出現(xiàn)了一種漸開線形鐵芯變壓器，它的鐵芯柱硅鋼片是在專門的成型機(jī)上采用冷擠壓成型方法軋制而成的，鐵軛則是由同一寬度的硅鋼帶卷制成形，鐵芯柱按三角形方式布置，三相磁路完全對稱。漸開線形鐵芯變壓器的主要優(yōu)點是節(jié)省硅鋼片，便于生產(chǎn)機(jī)械化和減少裝配時間，如圖1-9所示。圖1-8鐵軛截面圖1-9三相漸開線形鐵芯1.3.2繞組繞組是變壓器的電路部分，一般用絕緣銅線或絕緣鋁線繞制而成。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。根據(jù)高、低壓繞組在鐵芯上套裝的位置及形狀，繞組可分為同心式和交疊式兩種類型。

1.同心式繞組同心式繞組是將高、低壓繞組同心地套裝在同一鐵芯柱上，如圖1-10(a)所示，為便于絕緣，低壓繞組套在靠近鐵芯柱，高壓繞組套在低壓繞組外面。高、低壓繞組之間留有通道，有利于繞組散熱、絕緣。這種繞組結(jié)構(gòu)簡單、制造方便，電力變壓器常采用這種形式。它又分為圓筒式、螺旋式和連續(xù)式等幾種基本形式，如圖1-11所示。圖1-10同心式繞組與交疊式繞組(a)同心式繞組；(b)交疊式繞組圖1-11同心式繞組基本形式(a)圓筒式(雙層)；(b)螺旋式(多層)；(c)連續(xù)式(盤狀)

2.交疊式繞組交疊式繞組是把高、低壓繞組分成若干個線餅沿鐵芯柱交替排列，所以也稱為餅式繞組。為了便于絕緣，通常在最上層和最下層放置低壓繞組，如圖1-10(b)所示。這種繞組漏抗小、機(jī)械強(qiáng)度高，易構(gòu)成多條并列支路，引出線方便，主要用于低電壓大電流的電焊、電爐變壓器及殼式變壓器中。1.3.3分接開關(guān)變壓器常用改變繞組匝數(shù)的方法來調(diào)整電壓比。通常從高壓繞組引出若干抽頭，即分接頭，然后與切換裝置連接在一起，即分接開關(guān)。分接開關(guān)分為有載調(diào)壓分接開關(guān)和無載調(diào)壓分接開關(guān)，前者必須在變壓器停電情況下切換，后者可以在不停電情況下切換。調(diào)節(jié)電壓的范圍是額定輸出電壓的±5%，原理如圖1-12所示。圖1-12電力變壓器的分接開關(guān)圖1-13絕緣套管1.3.4絕緣套管變壓器的各繞組引出線之間以及引出線與地(油箱)之間都需要絕緣，這種絕緣叫外絕緣。一般變壓器的引出線從油箱內(nèi)部引到油箱外部時都必須經(jīng)過絕緣套管，其作用是固定引出線并使引出線間及對地絕緣，如圖1-13所示。1.3.5油箱和保護(hù)裝置油箱是變壓器的外殼，內(nèi)部裝有變壓器油，鐵芯和繞組。油箱的主要作用是保護(hù)鐵芯和繞組不受外力作用而損壞，并避免其受潮。變壓器油起絕緣、冷卻和滅弧作用。油箱一般用鋼板沖壓焊接而成，做成矩形或橢圓形。為加強(qiáng)散熱能力，中、小型變壓器在箱體壁上焊有許多空心散熱鋼管，利用變壓器油自身受熱循環(huán)進(jìn)行冷卻。新型電力變壓器多采用片式散熱器散熱，如圖1-3(b)所示。容量大于10000kV·A的電力變壓器，采用風(fēng)吹冷卻或強(qiáng)迫油循環(huán)冷卻裝置。為了保證變壓器油箱內(nèi)經(jīng)常充滿油，使變壓器油隨溫度變化時有脹縮的空間，防止潮氣侵入油箱，一般在油箱的上部還裝有一儲油柜，又稱為油枕，用連通管與油箱接通。如圖1-14所示，儲油柜上還裝有油標(biāo)和吸濕器，儲油柜上部的空氣通過吸濕器與外界空氣相通。吸濕器也叫呼吸器，它內(nèi)部裝有硅膠，用以過濾儲油柜內(nèi)空氣中的雜質(zhì)和水分。圖1-14儲油柜和保護(hù)裝置新型的全充油密封式電力變壓器不設(shè)儲油柜，運行時變壓器油的體積變化完全由設(shè)在側(cè)壁的膨脹式散熱器(金屬波紋油箱)來補(bǔ)償，變壓器端蓋與油箱焊為一體,設(shè)備免維護(hù),運行安全可靠。變壓器的保護(hù)裝置主要有氣體繼電器和安全氣道，如圖1-14所示。氣體繼電器也稱瓦斯繼電器，它裝在儲油柜與油箱連接的管道中，當(dāng)變壓器內(nèi)部發(fā)生故障時，變壓器油產(chǎn)生氣體使繼電器動作。輕微故障時發(fā)出信號，嚴(yán)重故障時發(fā)出跳閘信號使斷路器跳閘，切斷電源。安全氣道也稱防爆管，裝在油箱的頂蓋上。它是一個鋼制圓空心筒，頂端口裝有一特制的玻璃片，下端口與油箱相連。當(dāng)變壓器箱體內(nèi)發(fā)生嚴(yán)重故障而氣體繼電器又失靈時，箱內(nèi)壓力超過一定限度時，油和氣體將沖破玻璃片而噴出，防止油箱爆裂。近年來在一些變壓器中用壓力釋放閥代替防爆管，這種閥可以重復(fù)使用。此外，變壓器油箱蓋上還裝有測溫及溫度監(jiān)控裝置，以防變壓器油溫過高而受損。1.3.6銘牌每一臺變壓器出廠時都在其醒目位置裝有一塊銘牌，標(biāo)明它的型號和主要參數(shù)，如圖1-15所示。其中主要的是額定值，所謂額定值，就是制造廠家根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)，對變壓器正常運行時的有關(guān)參數(shù)所做的限額規(guī)定。在額定值范圍內(nèi)運行時，可以保證變壓器長期可靠地工作。所以銘牌上的主要參數(shù)是指導(dǎo)用戶安全、經(jīng)濟(jì)、合理使用變壓器的依據(jù)。圖1-15電力變壓器銘牌

1.型號型號用以表明變壓器的類型和所有特征，一般由字母和數(shù)字兩部分組成，形式如下：例如，型號SL7-1000/10表示該變壓器是一臺三相油浸自冷式雙繞組鋁線無載調(diào)壓式電力變壓器，設(shè)計序號為7，額定容量為1000kV·A，高壓繞組額定電壓為10kV。

2.額定容量SN額定容量是指變壓器額定工況運行狀態(tài)下輸出的視在功率，單位為kV·A、MV·A或V·A。由于變壓器的效率很高，原、副邊繞組容量可以認(rèn)為是相等的，即額定容量。單相變壓器額定容量：三相變壓器額定容量：(1-2)

3.額定電壓U1N、U2N

U1N