變壓器基本工作原理

1、第1章 變壓器的基本知識和結(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的交流電能轉(zhuǎn)換成同頻率的另一種電壓等級的交流電能。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，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 則 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)電勢與副邊一相繞組的感應(yīng)電勢之比。    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。 

2、;   二、電力變壓器的分類    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：單相變壓器和三相變壓器；    按線圈數(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：無載（無勵(lì)磁）調(diào)壓變壓器、有載調(diào)壓變壓器；  

3、;  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,見圖1，鐵心和繞組是變壓器的主要部件，稱為器身見圖2，器身放在油箱內(nèi)部。1.2電力變壓器的結(jié)構(gòu)   一、鐵心1.鐵心的材料   采用高磁導(dǎo)率的鐵磁材料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.

4、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)。二、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  &#

5、160;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)榉奂t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自風(fēng)扇的冷空氣吹拂，使熱

6、量散失到空氣中去，經(jīng)過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。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，套管外形做成多級傘形裙邊。電壓等級越高，級數(shù)越多。6.分接開關(guān)    作用：用改變繞組匝數(shù)的方法來調(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關(guān)。分接開關(guān)分為無載調(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

7、可以在變壓器帶負(fù)載情況下進(jìn)行切換。分接開關(guān)安裝在油箱內(nèi)，其控制箱在油箱外，有載調(diào)壓分接開關(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，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

8、器的名牌數(shù)據(jù)  一、型號    型號表示一臺(tái)變壓器的結(jié)構(gòu)、額定容量、電壓等級、冷卻方式等內(nèi)容。    例如：SL-500/10：表示三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級的電力變壓器。二、額定值    額定運(yùn)行情況：制造廠根據(jù)國家標(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

9、：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U1N ：正常運(yùn)行時(shí)規(guī)定加在一次側(cè)的端電壓，對于三相變壓器，額定電壓為線電壓。    副邊額定電壓U2N：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I1N ：變壓器額定容量下原邊繞組允許長期通過的電流，對于三相變壓器，I1N為原邊額定線電流。副邊額定電流I2N ：變壓器額定容量下原邊繞組允許長期通過的電流，對于三相變壓器，I2N為副邊額定線電流。單相變壓器額定值的關(guān)系式：  三相變壓器額定值的關(guān)系式：額定頻率fN：我國工頻：50Hz； 

10、60;  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)系二、電勢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)定律可推導(dǎo)出原繞組感應(yīng)電勢同理可得所以，變壓器原、副繞組的感應(yīng)電勢大小與磁通成正比，與各自的匝數(shù)成正比，感應(yīng)電勢在相位上滯后磁通90°。三、原邊漏電抗和激磁電抗1.原邊漏電抗2.激磁電抗 四、原副邊回路方程和等效電路 1.電動(dòng)勢平衡方程    變

11、壓器空載運(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，原邊回路方程為對于電力變壓器，空載時(shí)原繞組的漏阻抗壓降I0Z1很小，其數(shù)值不超過U1的0.2%，將I0Z1忽略，則有副邊回路方程2.空載時(shí)的等效電路 Z1Zm、rmxm 。空載時(shí)電路功率因數(shù)都很小，空載電流I0主要是無功性質(zhì)，由于鐵磁材料的磁飽和性，引起空載電流I0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I0 。變壓器空載時(shí)既吸收無功功率，也吸收有功功率，無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

12、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)勢平衡關(guān)系    從空載到負(fù)載，由于變壓器所接的電源電壓U1不變，且U1E1 ，所以主磁通不變，負(fù)載時(shí)的磁動(dòng)勢等于與空載時(shí)的磁動(dòng)勢相等。即磁動(dòng)勢平衡關(guān)系這表明，變壓器原、副邊電流與其匝數(shù)成正比，當(dāng)負(fù)載電流I2增大時(shí)，原邊電流I1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

13、霍夫電壓定律，可寫出原、副邊回路方程式二、折算 折算的目的：由于原、副邊回路只有磁路的耦合，沒有電路的直接聯(lián)系，為了得到變壓器的等效電路，需對變壓器進(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： 折算后的基本方程式為三、負(fù)載時(shí)的等效電路1.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2.較準(zhǔn)確等效電路  由于ZmZ1，可把“T”形

14、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.簡化等效電路    在電力變壓器中，I0IN ，因此，在工程計(jì)算中可忽略I0，即去掉激磁支路，將原、副邊的漏阻抗合并，而得到變壓器的簡化等效電路 。對于簡化等效電路，可寫出變壓器的方程組簡化等效電路所對應(yīng)的相量圖 在工程上，簡化等效電路及其方程式、相量圖給變壓器的分析和計(jì)算帶來很大的便利，得到廣泛應(yīng)用。2.3 變壓器參數(shù)的測定 一、空載試驗(yàn)1.變壓器的空載試驗(yàn)?zāi)康模呵蟪鲎儽萲、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

15、壓，將高壓側(cè)開路3.空載試驗(yàn)的過程    電源電壓由零逐漸升至1.2U1N，測取其對應(yīng)的U1、I0、p0。    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)來計(jì)算激磁阻抗。    由變壓器空載時(shí)等效電路可知，因Z1Zm、r1rm，所以式中   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)，可將所測得的激磁參數(shù)乘以k2，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

16、。 對于三相變壓器，試驗(yàn)中測定的數(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)，就可直接代入上式計(jì)算。    二、短路試驗(yàn)1.短路試驗(yàn)的目的：可測出短路阻抗Zk和變壓器的銅耗pk。2.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)的過程電源電壓由零逐漸升高，使短路電流由零逐漸升高至1.2I1N，測取其對應(yīng)的Uk、Ik、pk。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)（9.520）I1N，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）U1N，以限制短路電

17、流。取額定電流點(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：r1=r2=0.5rk；x1=x2=0.5xk將室溫下測得的短路電阻換算到標(biāo)準(zhǔn)工作溫度75時(shí)的值，而漏電抗與溫度無關(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。 對于三相變壓器，試驗(yàn)中測定的數(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。  

18、0; 三、短路電壓短路電壓：在短路試驗(yàn)中，當(dāng)短路電流為額定電流時(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)行角度來看，希望Uk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Uk=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    通常取各物理量對應(yīng)的額定值作為基值。 &

19、#160; 取一、二次側(cè)額定電壓U1N、U2N作為一、二次側(cè)電壓的基值；  取一、二次側(cè)額定電流I1N、I2N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U1N/I1N、U2N/I2N。    在各物理量原來的符號上加上一上標(biāo)“*”來表示該物理量的標(biāo)么值。例如，U1*=U1/U1N。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U2隨負(fù)載電流變化的關(guān)系，即U2=f(I2)。  變壓器在純電阻和感性負(fù)載時(shí)，副邊電壓U2隨