電力變壓器的結(jié)構(gòu)及原理

1電力變壓器的結(jié)構(gòu)及原理

一.變壓器的類別和結(jié)構(gòu)1.1.變壓器的主要類別1.3.變壓器的發(fā)熱和冷卻1.2.電力變壓器的基本結(jié)構(gòu)二.變壓器電路理論及其運行特性2.1.變壓器空載運行2.2.變壓器負載運行2.3.變壓器運行性能2一、變壓器的類別和結(jié)構(gòu)

31.1.變壓器的主要類別將一種電壓的電能轉(zhuǎn)換為另一種電壓的電能。用途分類：電力變壓器，電力系統(tǒng)傳輸電能電爐變壓器，專給煉鋼爐供電整流變壓器，電解電鍍、直流電力機車供電儀用變壓器、控制變壓器無線電變壓器，僅傳輸信號。4電力變壓器的用途變壓器的總?cè)萘看笾孪喈斢诎l(fā)電機容量的三倍。遠距離輸電過程中，為了經(jīng)濟地輸送電力，通常將發(fā)電機電壓升高，通過高壓電線傳送到用戶處，再經(jīng)過降壓到用戶使用，升壓和降壓的設備是變壓器。配電變壓器5電力變壓器變壓方式升壓變壓器——升高電壓的變壓器降壓變壓器——降低電壓的變壓器特殊變壓器，如試驗用高壓變壓器、電爐用變壓器、電焊用變壓器、晶閘管線路中的變壓器、用于測量儀表的電壓互感器和電流互感器等等6電力變壓器線圈數(shù)目雙繞組變壓器，在鐵芯中有兩個繞組，一個為初級繞組，一個為次級繞組

自耦變壓器，初級、次級繞組合為一個

三繞組變壓器，三個繞組連接三種不同電壓的線路多繞組變壓器，如分裂變壓器7電力變壓器冷卻方式油浸式變壓器——鐵芯和繞組都一起浸入灌滿了變壓器油的油箱中，可以加強絕緣和改善冷卻散熱條件干式變壓器，能滿足安全特殊要求。分兩大類:一類是包封式，即繞組被固體絕緣包裹，如樹脂型;另一類是敝開式，繞組直接和氣體接觸散熱，如聚酰芳胺絕緣，氣體絕緣變壓器8油浸式變壓器9干式變壓器10電力變壓器相數(shù)和結(jié)構(gòu)單相變壓器三相變壓器鐵芯式鐵殼式11

鐵芯式變壓器鐵芯式每個鐵芯柱上套有高壓繞組和低壓繞組，低壓繞組靠鐵芯，高壓繞組套在低壓繞組的外面。絕緣較易，電力系統(tǒng)中變壓器都用鐵芯式。12鐵殼式變壓器變壓器的鐵芯柱在中間，鐵軛在兩旁環(huán)繞，且把繞組包圍起來結(jié)構(gòu)比較堅固、制造工藝復雜，高壓繞組與鐵芯柱的距離較近，絕緣也比較困難通常應用于電壓很低而電流很大的特殊場合，例如，電爐用變壓器。這時巨大的電流流過繞組將使繞組上受到巨大的電磁力，鐵殼式結(jié)構(gòu)可以加強對繞組的機械支撐，使能承受較大的電磁力13鐵殼式變壓器結(jié)構(gòu)141.2.電力變壓器的基本結(jié)構(gòu)鐵芯鐵芯帶有絕緣的繞組繞組變壓器油油油箱油箱絕緣套管15161.2.1.鐵芯——變壓器的磁路由鐵心疊片，絕緣件和鐵心結(jié)構(gòu)件等組成。電力變壓器的鐵心疊片由電工磁性鋼帶疊積或卷繞而成，為了減少鐵心損耗，提高導磁率，目前，使用最廣泛是冷軋晶粒取向硅鋼片，厚度大多為0.35mm;非晶合金是一種新材料，電磁性能優(yōu)越，但物理和機械性能較差。17干式非晶合金變壓器特點:空載電流和空載損耗大幅度下降。18鐵芯的交疊裝配單相變壓器鐵心疊法，偶數(shù)層剛好壓著奇數(shù)層的接縫，從而減少了磁路和磁阻，使磁路便于流通——接逢處氣隙小可以避免渦流在鋼片之間流通19三相心式變壓器的鐵心排列法20卷鐵心卷鐵心的磁通路徑與硅鋼片軋制方向一致，一般采用

0.3mm冷軋硅鋼片，必須經(jīng)過退火處理。用于小容量電力變壓器，可使空載損耗(降7%以上)和空載電流均降低。211.2.2.繞組——變壓器的電路變壓器繞組一般為絕緣扁銅(鋁)線或絕緣圓銅(鋁)線在繞線模上繞制而成。為便于制造、在電磁力作用下受力均勻以及機械性能良好，繞組線圈作成圈形。繞組結(jié)構(gòu)分：層式又稱交疊式(圓筒式，箔式);餅式又稱同心式(連續(xù)式，糾結(jié)式，螺旋式，交錯式等)

22繞組的基本型式同芯式——鐵芯式變壓器常用。高壓繞組和低壓繞組均做成圓筒形，然后同芯地套在鐵芯柱上

交疊式

——鐵殼式變壓器常用。高壓繞組和低壓繞組各分為若干個線餅，沿著鐵芯柱的高度交錯地排列著返回23241.2.3.變壓器油——冷卻、絕緣電力變壓器繞組與鐵心裝配完后用夾件緊固，形成變壓器的器芯。變壓器器芯裝在油箱內(nèi)，油箱內(nèi)充滿變壓器油。變壓器油是一種礦物油，具有很好的絕緣性能。變壓器油起兩個作用：

①絕緣：繞組與繞組、繞組與鐵心及油箱之間

②散熱：熱量通過油箱殼散發(fā)，油箱有許多散熱油管，以增大散熱面積。采用內(nèi)部油泵強迫油循環(huán)，外部用變壓器風扇吹風或用自來水沖淋變壓器油箱25油箱——

機械支撐、冷卻散熱、當變壓器出現(xiàn)故障時，產(chǎn)生的熱量使變壓器油汽化，氣體繼電器動作，發(fā)出報警信號或切斷電源。如果事故嚴重，變壓器油大量汽化，油氣沖破安全氣道管口的密封玻璃，沖出變壓器油箱，避免油箱爆裂。返回26絕緣套管

絕緣套管由中心導電桿與瓷套組成。導電桿穿過變壓器油箱、在油箱內(nèi)的一端與線圈的端點聯(lián)接，在外面的一端與外線路聯(lián)接。在瓷套和導電桿間留有一道充油層——充油套管。返回271.2.4.變壓器的額定值

額定容量SN——制造廠所規(guī)定的在額定條件下使用時輸出能力的保證值。單位為VA或kVA。對三相變壓器指三相的總?cè)萘?。由于效率高，原、副方的額定容量設計得相等，與體積、用銅量有關。28額定電壓——由制造廠所規(guī)定的變壓器在空載時額定分接頭上的電壓保證值。單位為V或kV。當變壓器初級側(cè)在額定分接頭處接有額定電壓U1N，次級側(cè)空載電壓即為次級側(cè)額定電壓U2N。

對三相變壓器，銘牌上的額定電壓指線電壓額定電流——額定容量除以各繞組的額定電壓所計算出來的線電流值。單位用A或kA。電力變壓器的額定頻率是50Hz

變壓器的額定值29額定值的關系單相變壓器三相變壓器返回301.3.變壓器的發(fā)熱和冷卻

鐵芯和各個繞組都是獨立的發(fā)熱單位。即認為鐵芯的發(fā)熱僅來源于鐵芯損耗，各繞組的發(fā)熱來源于各自的銅耗，其它漏磁通引起附加損耗等。各種損耗都轉(zhuǎn)變?yōu)闊?，變壓器受熱后，絕緣材料是較薄弱一環(huán)，有一定熱壽命。油浸變壓器中，沿著油箱高度，上部的溫度要比下部的溫度略高3132油浸變壓器的繞組均用A級絕緣。

根據(jù)我國的氣候情況，國家標準規(guī)定以+40℃作為周圍環(huán)境空氣的最高溫度，并據(jù)此規(guī)定變壓器各部分的容許溫升繞組最高允許溫度為105℃33變壓器的冷卻常用冷卻介質(zhì)——油（油浸式）、空氣（干式）冷卻方式——油浸自冷式；油浸風冷式(人工通風)；強制油循環(huán)冷卻式

油箱形式平滑油箱：50kVA波形油箱管形油箱：~200kVA散熱器油箱：2500—6300kVA返回34二.變壓器電路理論及其運行特性版權所有，2000?SoutheastUniversityElectricalEngineeringDepartment.352.1.空載運行

空載指一側(cè)繞組接到電源（初級1），另一側(cè)繞組（次級2）開路。1電磁物理現(xiàn)象2 感應電動勢3 電壓變比4 激磁電流5勵磁特性的電路模型6漏抗7電路方程等效電路相量圖362.1.1、電磁物理現(xiàn)象空載電流i0，i1＝i0。全部用以激磁——激磁電流im，i0＝im激磁電流產(chǎn)生激磁磁勢imN1，建立交變磁場37磁通分為兩部分

主磁通Φ流徑閉合鐵心，磁阻小，同時匝鏈了原邊和副邊繞組,并感應出電勢e1和e2。是變壓器傳遞能量的主要媒介

原邊繞組漏磁通Ф1σ，僅與原邊繞組匝鏈，通過變壓器油或空氣形成閉路，磁阻大，不傳遞功率變壓器鐵心由高導磁材料硅鋼片制成（導磁系數(shù)μr>2000)，大部分磁通都在鐵心中流動，主磁通約占總磁通的99％強，漏磁通占總磁通的1％弱。382.1.2、感應電勢箭頭方向表示正方向規(guī)定電流的正方向與該電流所產(chǎn)生的磁通正方向符合“右手螺旋”定則，規(guī)定磁通的正方向與其感應電勢的正方向符合“右手螺旋”定則。電流正方向與電勢正方向一致。

3940變比——初級電壓與次級空載時端點電壓之比。電壓變比k

決定于初級、次級繞組匝數(shù)比。略去電阻壓降和漏磁電勢

2.1.3、電壓變比41空載時激磁電流Iu——磁化電流，無功性質(zhì)，為主要分量Ife——鐵耗電流，有功性質(zhì)，產(chǎn)生磁滯（Ih）和渦流損耗（Ie）42漏抗描述漏磁電勢的電路參數(shù)。由于漏磁通所經(jīng)路徑主要為非磁性物質(zhì)（空氣），磁阻為常數(shù)。即漏磁通與產(chǎn)生該漏磁通的電流成正比且同相位，漏電感亦為常數(shù)。

432.1.4.等效電路，相量圖rm+jXm上的壓降表示主磁通對變壓器的作用（隨外施電壓的增加而減小——由于飽和影響）X1表示漏磁通對電路的影響，近似為常數(shù)44相量圖U2（參考方向）、E2E1與U2方向一致Φm超前E190度Im超前Φm一個角度U1452.2.變壓器負載運行 負載運行是指一側(cè)繞組接電源，另一側(cè)繞組接負載運行。1負載時的電磁物理過程2基本方程式返回462.2.1、負載時的電磁物理現(xiàn)象變壓器的初級、次級繞組沒有電的聯(lián)系，功率傳遞依靠互感。在功率傳遞過程中應滿足能量守恒，在電路上需滿足電壓平衡、磁路上需滿足磁勢平衡。mN1N2Next47次級電流的影響次級電流的存在、建立起次級磁勢，它也作用在鐵芯磁路上。改變了原有的磁勢平衡狀態(tài)，迫使主磁通變化，導致電勢也隨之改變。電勢的改變又破壞已建立的電壓平衡，迫使原電流隨之改變，直到電路和磁路又達到新的平衡為止。（磁勢平衡式）負載時作用在主磁路上的全部磁勢應等于產(chǎn)生磁通所需的激磁磁勢。48基本方程式返回49(1)次級電流的歸算值物理意義：當用N

2＝N1替代了N2，其匝數(shù)增加了k倍。為保持磁勢不變。次級電流歸算值減小到原來的1／k倍。歸算前后磁勢應保持不變50(2)次級電勢的歸算值歸算前后次級邊電磁功率應不變

E

2I

2＝E2I2 物理意義：當用N

2替代了N2，其匝數(shù)增加到k倍。而主磁通

m及頻率f均保持不變，歸算后的次級電勢應增加k倍。51(3)電阻的歸算值歸算前后銅耗應保持不變物理意義：當用N

2替代N2后，匝數(shù)增加到k倍，次級繞組長度增加到k倍；次級電流減到為原來的l/k倍，歸算后的次級繞組截面積應減到原來的l／k倍，故歸算后的次級電阻應增加到原來的k2倍。（繞組本身沒有變化）52(4)漏抗的歸算值歸算前后次級漏磁無功損耗應保持不變物理意義：繞組的電抗和繞組的匝數(shù)平方成正比。由于歸算后次級匝數(shù)增加了k倍，故漏抗應增加到k2倍。返回53簡化等效電路略去激滋電流（支路）常用于定性分析注意簡化的近似假設返回542.1.4.標么值對各個物理量選一個固定的數(shù)值作為基值，取實際值與基值之比稱為該物理量的標么值 標么值用下標“*”基值（采用下標“b”）

電壓基值——額定電壓U1b=U1N,U2b=U2N電流基值——額定電流I1b=I1N,I2b=I2N功率基值——額定容量Sb＝SN阻抗基值——額定電壓與額定電流之商初級、次級側(cè)各物理量應采用不同基值標幺值=實際值/基值55標么值的優(yōu)點1．計算方便，容易判斷計算錯誤因為取額定值作為基值，當實際電壓為額定電壓和實際電流為額定電流時，用標么值計算就作為1。2．采用標么值計算同時也起到了歸算作用這是由于初級、次級側(cè)分別采用了不同基值，且已包含有變比關系。3．采用標么值更能說明問題返回562.1.5.參數(shù)測定:空載試驗和短路試驗激磁參數(shù)值隨飽和而變化。為反映變壓器運行時的磁路飽和情況，空載試驗時應調(diào)整外施電壓等于額定電壓。令U0為外施每相電壓，I0為每相電流，P0為每相輸入功率即等于每相的空載損耗p0。57短路試驗參數(shù)計算Uk表示每相電壓，Ik表示每相電流，Pk表示每相輸入功率即等于每相短路損耗pk電阻隨溫度而變化，如短路試驗時的室溫為

(℃)，按標準規(guī)定應換算到標準溫度75℃時的值。582.3.變壓器運行性能變壓器運行性能的主要指標有電壓變化率(又稱電壓調(diào)整率)效率592.3.1.電壓變化率短路試驗時，使短路電流恰為額定電流的外施電壓uk，稱為ukN。以額定電壓百分數(shù)表示，稱為短路電壓百分數(shù)短路電壓百分數(shù)去掉100％符號，就是短路電壓標么值uk不能太小，也不能太大。uk太大時，變壓器空載時電壓高，負載時電壓壓降較多。uk太小時，變壓器接額定電壓短路時電流太大。60短路電壓的有功與無功分量

uk不能太小，也不能太大。uk太大時，變壓器空載時電壓高，負載時電壓壓降較多。uk太小時，變壓器接額定電壓短路時電流太大。61電壓變化率

U%的分析用副邊量表示用原邊量表示622.3.2.變壓器的效率效率：輸出功率與輸入功率之比輸入功率是輸出功率與全部損耗之和損耗

p 初級繞組銅耗pcu1=I12r1

次級繞組銅耗pcu2＝I22r2

鐵芯損耗pFe＝Im2rm=P2/P1=P2