第6章變壓器

1、第6章 變壓器知識導(dǎo)讀在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)及社會生活的各個方面，存在著千差萬別的用電設(shè)備，不同的用電設(shè)備常常需要接在各種不同等級電壓的電源上。例如，家用電器一般接在電壓為220V的電源上；三相異步電動機一般接在電壓為380V的電源上；我國電力機車接在電壓為25KV的接觸網(wǎng)上。為了供電、輸電、配電的需要，就必須使用一種電氣設(shè)備把發(fā)電廠內(nèi)交流發(fā)電機發(fā)出的交流電壓變換成不同等級的電壓。這種電氣設(shè)備就是變壓器。變壓器是在法拉第電磁感應(yīng)原理的基礎(chǔ)上設(shè)計制造的一種靜止的電氣設(shè)備，它可以將輸入的一種等級電壓的交流電能變換成同頻率的另一種等級電壓的交流電能輸出。變壓器是利用電磁感應(yīng)原理傳輸電能或電信號的器件,

2、0;它具有變壓、變流和變阻抗的作用。變壓器的種類很多, 應(yīng)用十分廣泛。比如在電力系統(tǒng)中用電力變壓器把發(fā)電機發(fā)出的電壓升高后進行遠距離輸電，到達目的地后再用變壓器把電壓降低以便用戶使用，以此減少傳輸過程中電能的損耗；在電子設(shè)備和儀器中常用小功率電源變壓器改變市電電壓，再通過整流和濾波，得到電路所需要的直流電壓；在放大電路中用耦合變壓器傳遞信號或進行阻抗的匹配等等。變壓器雖然大小懸殊, 用途各異，但其基本結(jié)構(gòu)和工作原理卻是相同的。知識目標l 了解變壓器的基本結(jié)構(gòu)，掌握各個基本結(jié)構(gòu)的作用及原理。l 掌握變壓器的工作原理。l 掌握變壓器空載運行、負載運行時的表達方式。l 掌握變壓器

3、的等效電路。l 掌握變壓器的參數(shù)測定方法。l 了解常用變壓器的結(jié)構(gòu)和工作原理技能目標l 能夠繞制小型變壓器。l 能夠判別三相變壓器連接組別。6.1變壓器的基本結(jié)構(gòu) 變壓器是變配電站（所）的核心設(shè)備，分為干式和油浸式兩種類型，每個類型又各分為單相和三相的兩種。按照用途分為升降壓變壓器、整流變壓器、隔離變壓器、勵磁變壓器、防雷變壓器等，常被用作升、降壓，安全隔離，匹配阻抗等等。目前以油浸式三相變壓器為常用。變壓器的基本結(jié)構(gòu)部件是鐵心和繞組，由它們組成變壓器的器身。為了改善散熱條件，大、中容量變壓器的器身浸入盛滿變壓器油的封閉油箱中，各繞組與外電路的連接經(jīng)絕緣套管引出。為了使變壓器安全可靠地運行，還

4、設(shè)有儲油柜、氣體繼電器和安全氣道等附件，如圖6-1所示。圖6-1 電力變壓器外型1-銘牌；2-信號式溫度計；3-吸濕器；4-油標；5-儲油柜；6-安全氣道；7-氣體繼電器；8-高壓套管；9-低壓套管；10-分接開關(guān)；11-油箱； 12-放油閥門；13-器身；14-接地板；15-小車6.1.1變壓器的基本結(jié)構(gòu)變壓器由鐵心、繞組、油箱及附件等3大部分組成。下面以油浸式電力變壓器為例來分別介紹。1鐵心鐵芯是變壓器中主要的磁路部分，也是器身的骨架，如圖6-2所示。變壓器的鐵芯由鐵芯柱和鐵軛兩部分組成。安裝線圈的部分叫做鐵芯柱，連接各鐵芯柱使鐵芯形成閉合磁路的部分叫做鐵軛。為了提高鐵芯導(dǎo)磁能力，使變壓器

5、容量增大，體積減小，效率提高，要求鐵芯采用導(dǎo)磁性能良好的材料。傳統(tǒng)鐵芯通常由含硅量較高，表面涂有絕緣漆的熱軋或冷軋硅鋼片疊裝而成。冷軋硅鋼片比熱軋硅鋼片的性能更好，磁導(dǎo)率高而且損耗小，但工藝性較差，導(dǎo)磁有方向且價格較貴，多用于大中型變壓器中。目前變壓器一般采用冷軋硅鋼片，厚度有0.35 mm、0.3mm、0.27 mm多種，越薄質(zhì)量越好。近年來，變壓器的鐵芯材料已發(fā)展到現(xiàn)在最新的節(jié)能材料非晶態(tài)磁性材料，如2605S2，非晶合金鐵芯,變壓器便應(yīng)運而生。這種變壓器的鐵損僅為硅鋼變壓器的1/5。圖6-2鐵芯結(jié)構(gòu)的基本形式有心式和殼式兩類。芯式是指線圈包圍鐵芯，這種形式結(jié)構(gòu)簡單，容易裝配，省導(dǎo)線，適用

6、于大容量，高電壓變壓器。所以變壓器大多采用三相芯式鐵芯。殼式是指鐵芯包圍線圈，這種形式的鐵芯易散熱，用線量大，工藝復(fù)雜，只適宜小型干式變壓器使用。2繞組繞組是變壓器的電路部分，用來傳輸電能，一般分為高壓繞組和低壓繞組。接在較高電壓上的繞組稱為高壓繞組；接在較低電壓上的繞組稱為低壓繞組。從能量的變換傳遞來說，接在電源上，從電源吸收電能的繞組稱為原邊繞組（又稱一次繞組或初級繞組）；與負載連接，給負載輸送電能的繞組稱副邊繞組（又稱二次繞組或次級繞組）。繞組一般是用絕緣的銅線繞制而成。高壓繞組的匝數(shù)多、導(dǎo)線橫截面??；低壓繞組的匝數(shù)少、導(dǎo)線橫截面大。為了保證變壓器能夠安全可靠的運行以及有足夠的使用壽命，

7、對繞組的電氣性能、耐熱性能和機械強度都有一定的要求。繞組是按照一定規(guī)律連接起來的若干個線圈的組合。根據(jù)高壓繞組和低壓繞組相互位置的不同，繞組結(jié)構(gòu)型式可分為同心式和交疊式兩種。同心式繞組是將高壓繞組和低壓繞組同心地套裝在鐵心柱上，如圖6-3（）所示。為了絕緣方便，低壓繞組緊靠著鐵心，高壓繞組則套裝在低壓繞組的外面，兩個繞組之間留有油道。油道一是作為繞組間的絕緣間隙；二是作為散熱通道，使油從油道中流過冷卻繞組。在單相變壓器中，高、低壓繞組均分為兩部分，分別套裝在兩鐵心柱上，這兩部分可以串聯(lián)或并聯(lián)；在三相變壓器中屬于同一相的高、低壓繞組全部套裝在同一鐵心柱上。同心式繞組的結(jié)構(gòu)簡單、制造方便，心式變壓

8、器一般都采用這種結(jié)構(gòu)。交疊式繞組是將高壓繞組和低壓繞組分成若干線餅，沿著鐵心柱交替排列而構(gòu)成，如圖6-3（b）所示。為了便于絕緣和散熱，高壓繞組與低壓繞組之間留有油道并且在最上層和最下層靠近鐵軛處安放低壓繞組。交疊式繞組的機械強度高，引線方便，殼式變壓器一般采用這種結(jié)構(gòu)。（a）心式鐵心和同心式繞組 （b）殼式鐵心和交迭式繞組圖6-3變壓器的鐵心與繞組型式1-鐵心；2-低壓繞組；3-高壓繞組。3箱體總成及附件油浸式變壓器的箱體總成由油箱（箱殼和箱蓋）、高低壓絕緣套管、儲油柜、分接開關(guān)、呼吸器、防爆閥、氣體及電器、和溫度計等組成，箱殼外還帶有散熱管/片（大型變壓器用專業(yè)冷卻器）及裝在底部的放油閥等

9、配件。它們的作用在于保證變壓器的安全可靠運行。油浸式變壓器的器身（繞組和鐵芯）完全浸泡在油箱中的變壓器油中，變壓器油起到散熱、滅弧、絕緣的作用。)儲油柜和油標儲油柜又叫油枕，它位于油箱上部，下部通過油管與油箱連通。儲油柜的容積一般約為油箱容積的1/10。其作用是給油的熱脹冷縮留有緩沖余地，保持油箱內(nèi)始終充滿油；同時，減小了油與空氣的接觸面積，可減緩油的氧化。儲油柜上有油標（油位表）供觀察油位之用。儲油柜經(jīng)呼吸器或注油器與外界相通，還有集污盒、取油樣、放油閥等附件。儲油柜有敞開式和密封式兩種。由于敞開式儲油柜的種種弊端，現(xiàn)已被逐漸淘汰。密封式儲油柜分為膠囊式、隔膜式和金屬波紋式。（1）膠囊式儲油

10、柜 如圖6-4（a）所示，膠囊式油枕是在敞開式油枕的基礎(chǔ)上，內(nèi)部加裝了用于隔離空氣的加布橡膠囊，與外殼體形成密封結(jié)構(gòu)，橡膠囊通過伸縮實現(xiàn)對絕緣油的體積補償，膠囊內(nèi)腔通過呼吸器與大氣相通。此種結(jié)構(gòu)的儲油柜初步實現(xiàn)了絕緣油與空氣的隔離，在一定程度上減少了絕緣油的吸濕和氧化，但經(jīng)過多年的使用也暴露出以下問題：在變壓器安裝、運行和檢修過程中，膠囊因其機械強度不夠，易發(fā)生破裂而漏油，且破損后不易被發(fā)現(xiàn)；橡膠材料本事易老化，壽命短，需要定期更換，且更換安裝工作需要變壓器放油和注油，工作量較大。一般國產(chǎn)膠囊壽命為35年，進口膠囊壽命為810年；由于膠囊內(nèi)部存在吸熱表面，具有形成凝露的條件，因此潛在威脅很大，

11、通過加裝吸濕器并不能徹底解決問題；膠囊伸展不良時易出現(xiàn)呼吸堵塞，造成事故；由于橡膠機械強度低，當變壓器抽真空時要采用內(nèi)外平衡壓力的方法。（a）膠囊式儲油柜 （b）隔膜式儲油柜圖6-4膠囊式儲油柜和隔膜式儲油柜（2）隔膜式儲油柜如圖6-4（b）所示，隔膜式油枕由兩個半圓筒體組成，中間通過法蘭夾裝一個橡膠隔膜，隔膜浮在油面上，將空氣隔離。同膠囊式一樣，橡膠材料存在的問題在隔膜式油枕同樣存在。隔膜式油枕的另一致命弱點是其本身密封結(jié)構(gòu)問題。由于隔膜被壓在上下殼體之間，密封尺寸過大，密封性能不可靠，當絕緣油超過中間位置時普遍存在滲漏；而油位較低時，又容易吸入空氣和水分。另外，橡膠囊或隔膜式儲油柜采用的連

12、桿式磁針油位計，由于連桿較長，易產(chǎn)生變形，因此指示精度較低，常出現(xiàn)假油位。（3）金屬波紋式儲油柜金屬波紋式儲油柜是新一代全密封型儲油柜，采用先進的不銹鋼波紋補償技術(shù)，在實現(xiàn)絕緣油體積補償?shù)耐瑫r，更能可靠地確保絕緣油與空氣的隔離，并具有工作壽命長，無老化，抗破損和免維護等特點。金屬波紋儲油柜分內(nèi)油式和外油式。內(nèi)油式波紋儲油柜是將波紋管作為裝油的油囊，通過上下伸縮補償油體積變化，如圖6-5所示；外油式波紋儲油柜采用柔性不銹鋼波紋氣囊作為補償元件，在一個既定的油罐空間中通過波紋管伸縮容積補償,如圖6-6所示。外油式在外觀上呈圓柱型臥式，使用方便，結(jié)構(gòu)緊湊，彈性反力小，有利于變壓器設(shè)備整體打壓試驗和全

13、真空注油，并減小波紋伸縮剛性對壓力釋放閥及氣體繼電器的工作影響。圖6-5內(nèi)油式金屬波紋儲油柜圖6-6外油式金屬波紋儲油柜2）呼吸器呼吸器又稱吸濕器，裝設(shè)在儲油柜的下方或側(cè)面。呼吸器主要由玻璃筒、干燥劑（變色硅膠）、底罩（盛油槽）、連接管等組成。連接管上方伸進儲油柜，且其上端高出儲油柜內(nèi)油面。呼吸器是變壓器儲油柜內(nèi)部空間與變壓器外部空間連接的通道。外部空氣進入變壓器內(nèi)部時，空氣先經(jīng)過底罩內(nèi)的變壓器油過濾，再經(jīng)干燥劑吸潮。呼吸器的作用是使油箱內(nèi)、外壓力保持一致，并減緩油箱內(nèi)變壓器油的氧化和受潮，延長其使用期限。干燥劑（變色硅膠）在干燥情況下呈白色或淺藍色，吸潮達到飽和狀態(tài)時呈淡紅色。飽和的硅膠在1

14、40高溫下烘焙8小時后可恢復(fù)使用。3）氣體繼電器氣體繼電器是變壓器重要保護元件之一。如圖6-7所示如果此圖效果不好，可舍掉。.圖6-7氣體繼電器氣體繼電器安裝在變壓器油箱與儲油柜之間連接管道的中部。其內(nèi)部有一個帶有水銀開關(guān)的上浮筒和一塊能帶動另一個水銀開關(guān)的擋板。當變壓器內(nèi)部發(fā)生較輕故障時，變壓器油分解產(chǎn)生的氣體（即瓦斯）會聚集在繼電器頂蓋下方，并迫使油面下降。當油面下降到一定位置時，上浮筒因失去平衡而下降，附在一起的水銀開關(guān)就接通，于是發(fā)出警告信號。當變壓器發(fā)生較嚴重故障時，變壓器內(nèi)部產(chǎn)生大量氣體，強烈的油、氣流通過導(dǎo)管沖動氣體繼電器的下?lián)醢?，并使它失去平衡而接通另一只水銀開關(guān)，于是接通變壓

15、器的斷路器的跳閘回路，斷路器跳閘；同時，重故障信號回路接通，信號繼電器動作，發(fā)出重故障信號（重瓦斯動作信號）。單臺容量400kVA以上的變壓器一般要求安裝氣體繼電器。4）防爆管/壓力釋放閥圖6-8 防爆管大型變壓器或安全要求高的變壓器都裝有防爆管。防爆管也叫做安全氣道，一般裝在變壓器大蓋上面，下端與變壓器油箱相連，上端彎曲向外通向大氣。主要由鋼管和安全閥片（低強度的玻璃膜片或酚醛樹脂膜片）組成。當變壓器內(nèi)部發(fā)生放電等嚴重故，內(nèi)部壓力劇增時，安全閥片被沖破，泄去變壓器內(nèi)部壓力，防止變壓器變形或爆炸?，F(xiàn)在許多變壓器都已淘汰了這種防爆管，廣泛采用可自動復(fù)歸式的壓力釋放閥做保護。它的動作壓力為53.9

16、kPa±4.9kPa，關(guān)閉壓力是29.4kPa，動作時間不大于2ms。5）絕緣套管油浸式變壓器一般采用瓷質(zhì)絕緣套管，干式變壓器采用樹脂澆鑄的套管。高、低壓絕緣套管的作用是使高、低壓繞組引線與油箱保持良好絕緣，并對引線予以固定。6）測溫元件測溫元件與“3箱體總成及附件”的敘述不符！要調(diào)整。溫度計是用來反映變壓器工作溫度的保護裝置，它主要由測溫管和帶電氣觸電的溫度計兩部分組成。圖號及名稱要表達清楚6.2變壓器的工作原理變壓器的工作原理是用電磁感應(yīng)原理工作的。變壓器有兩組線圈，初級線圈和次級線圈。次級線圈在初級線圈外邊。當初級線圈通上交流電時，變壓器鐵芯產(chǎn)生交變磁場，次級線圈就產(chǎn)生感應(yīng)電動

17、勢。變壓器的線圈的匝數(shù)比等于電壓比。(如下圖)圖中文字、字母較小，質(zhì)量差，應(yīng)重新處理。其它圖也是。6.2.1變壓器的工作原理變壓器的工作原理示意圖如圖6-3所示。在繞組N上外施交流電壓U不要用公式格式來表達，應(yīng)該用“格式”、“字體”、“下標”來表達。其它處還有很多。；，便有交流電流流入，因而在鐵心中激勵出交變磁通。根據(jù)電磁感應(yīng)定律可知，磁通中的交變會在繞組N中感應(yīng)出電勢，此時若繞組N接上負載，就會有電能輸出。由“繞組的感應(yīng)電勢正比于它的匝數(shù)，因此只要改變繞組N的匝數(shù)，就能改變感應(yīng)電勢的大小，這就是變壓器的工作原理。繞組N；從電源吸收電能，稱為原邊繞組，有關(guān)原邊繞組的各量均以下標“1”來表示，例

18、如原邊繞組的功率、電流。電阻分別為P1、I1、R1；繞組N2向負載輸出電能，稱為副邊繞組，有關(guān)副邊繞組的各量均以下標“2”來表示，如副邊繞組的功率、電流、電阻分別為P2、I2、R2。若原邊繞組為高壓繞組，副邊繞組為低壓繞組則該變壓器就是降壓變壓器；若原邊繞組為低壓繞組，副邊繞組為高壓繞組則該變壓器就是升壓變壓器。 圖6-3 變壓器的工作原理6前面的黑點應(yīng)刪掉。.2.2 變壓器的空載運行空載運行是指變壓器的原邊繞組接在電源上，副邊繞組不帶負載（開路，I2=0）時的狀態(tài)。為了便于理解變壓器的電磁關(guān)系，以下按照由簡到繁的順序先從理想變壓器的空載運行開始分析。所謂理想變壓器是指繞組沒有電阻，鐵心中沒有

19、損耗，磁路不飽和且沒有漏磁通的變壓器。變壓器是接在交流電源上工作的，其中的電壓、電流。電勢及磁通的大小和方向都隨時間而變化，要研究這些量之間的關(guān)系及計算它們的數(shù)值，必須首先規(guī)定出它們的正方向。正方向的規(guī)定是人為的，習(xí)慣上將變壓器中各電磁量的正方向按圖6-3所示做如下規(guī)定：（1）電位降用電壓表示；電位升用電勢表示；（2）原邊繞組電壓的正方向是從原邊繞組的首端A指向末端X；（3）原邊繞組電流；的正方向是從原邊繞組的首端A指向末端X，即原邊繞組電壓的正方向和電流的正方向一致。（4）磁通的正方向與電流入的正方向之間符合右手螺旋定則。（5）原邊繞組感應(yīng)電勢的正方向和副邊繞組感應(yīng)電勢的正方向與產(chǎn)生它們的磁

20、通中的正方向之間亦符合右手螺旋定則。1理想變壓器空載時的電壓方程理想變壓器空載運行示意圖如圖6-3所示。空載時原邊繞組上接電源電壓（正弦交流電），原邊繞組中流過的電流用表示。被稱為空載電流。空載電流產(chǎn)生空載磁勢N1加在變壓器的鐵心磁路上。由于鐵心中的磁場就是由N1應(yīng)是下標。其它處還有很多。建立的，所以又稱空載磁勢N1為勵磁磁勢，空載電流又被稱為勵磁電流。勵磁磁勢N1在鐵心中激勵起按正弦變化的磁通，該磁通同時與原邊、副邊繞組交鏈，通過鐵心回路閉合，稱為主磁通，其幅值用表示，它在原邊和副邊繞組中產(chǎn)生感應(yīng)電勢和。根據(jù)電磁感應(yīng)定律，可推導(dǎo)出原邊、副邊繞組感應(yīng)電勢的有效值為：E=4.44fN (6-1)

21、式號如有可能，盡量不用E=4.44fN (6-2)式中 E、E原、副邊繞組感應(yīng)電勢的有效值（V）； N、N原、副邊繞組的匝數(shù)； 主磁通的幅值（Wb）； f一一正弦交流電的頻率（HZ）。上式表明了感應(yīng)電勢與主磁通的關(guān)系。而主磁通與勵磁電流的關(guān)系由磁化曲線相聯(lián)系。因而感應(yīng)電勢與勵磁電流之間必然存在著一定的關(guān)系。通過進一步的分析可知，理想變壓器原邊繞組感應(yīng)電勢再與勵磁電流之間的關(guān)系可以用個電抗來表達，即： =-jX (6-3)式中的X稱為變壓器的勵磁電抗，它是表示鐵心磁化性能的一個參數(shù),X與鐵心繞組的電感L。相對應(yīng)，因而它與原邊繞組匝數(shù)N的平方和鐵心磁路的磁導(dǎo)成正比，即： X=2fN (6-4)根據(jù)

22、正方向的規(guī)定和基爾霍夫定律可知，電勢馬應(yīng)與電壓年平衡，即理想變壓器空載時原邊繞組電壓方程為： U=- （6-5）上式表明，在理想變壓器中，外加的電源電壓曹；和原邊繞組中的感應(yīng)電勢亡；在數(shù)值上是相等的，而在相位上相差1800。因此可以得到： U= E= 4.44fN （6-6）上式表明，一定幅值的外加電壓U，產(chǎn)生一定幅值的交變磁通，以建立與電壓平衡的感應(yīng)電勢。即在頻率和匝數(shù)N；不變的條件下，電壓U；正比于磁通；或者說，若外加電壓U；不變，則磁通電也不變。變壓器運行時鐵心中的磁通基本上不變，這是分析變壓器運行情況的一個基本概念。根據(jù)正方向的規(guī)定和基爾霍夫定律可知，副邊繞組輸出的空載電壓U20就等于

23、副邊繞組感應(yīng)電勢E2，即變壓器空載時副邊繞組電壓方程為： = （6-7）2變壓器的變壓比變壓器的變壓比用表示，它定義為原邊繞組電勢E與副邊繞組電勢E之比，即： K=應(yīng)該用公式編輯表達 (6-8）根據(jù)E=4.44fN，E=4.44fN，U=-，=及變壓器額定電壓的定義可得： =應(yīng)該用公式編輯表達 (6-9）上式表明，變壓器的變壓比等于原邊、副邊繞組的匝數(shù)之比，等于原邊繞組電壓與副邊繞組空載電壓之比，也等于原邊繞組額定電壓與副邊繞組額定電壓之比。在實際的變壓器中，=只是近似的。變壓比是變壓器的一個重要參數(shù)。3實際變壓器空載時的電壓方程實際變壓器空載運行時有鐵磁損耗和磁路飽和的問題，則原邊繞組感應(yīng)電

24、勢；與勵磁電流之間的關(guān)系應(yīng)該用一個阻抗來表達，即： =- （6-10）式中的稱為變壓器的勵磁阻抗，它是表示變壓器鐵心磁化性能和鐵耗的一個綜合參數(shù)，其表達式為 （6-11）式中的稱為變壓器的勵磁電阻，它是表示鐵磁損耗的一個等值參數(shù)。由于變壓器鐵心的磁化曲線是非線性的，磁導(dǎo)隨鐵心飽和程度的提高而降低，勵磁電抗將隨飽和程度的提高而減小。因而，嚴格地講，勵磁阻抗不是一個常值。但是，一般情況下由于變壓器的電源電壓變化不大，可以近似認為勵磁阻抗是一個常值。實際上的變壓器空載運行時，空載電流激勵的磁通分為兩部分：一部分為主磁通，它同時與原邊、副邊繞組交鏈并產(chǎn)生感應(yīng)電勢和；另一部分通過原邊繞組周圍的空間形成閉

25、路，只與原邊繞組交鏈而不與副邊繞組交鏈，稱為原邊繞組漏磁通，用表示，它在原邊繞組中產(chǎn)生的感應(yīng)電勢稱為漏電抗電勢，用表示，相應(yīng)的漏電抗用表示，則： =-j (6-12)由于漏磁通經(jīng)過空氣閉路，磁路不會飽和，使得漏磁通保持與成正比，所以是一個常數(shù)。由于漏磁通經(jīng)過的路徑磁阻很大，因此相應(yīng)的漏電抗和漏電抗電勢是很小的。理想變壓器空載運行時，原邊繞組對于電源來說近似于一個純電感負載，所以它的空載電流比電壓滯后90，是無功電流，用來產(chǎn)生主磁通。而實際變壓器空載運行時，空載電流除產(chǎn)生主磁通和漏磁通外，還具有有功分量，以供給繞組電阻和鐵心中的損耗，這時的空載電流比電壓滯后不到90而接近90。在一般的電力變壓器

26、中，鐵心回路的磁阻很小，勵磁阻抗很大，因而空載電流人是相當小的，只有額定電流的6%左右。實際變壓器的原邊繞組有很小的電阻尼，空載電流流過它要產(chǎn)生電壓降，它和感應(yīng)電勢、漏電抗電勢。一起為電源電壓所平衡，故可得實際變壓器空載時原邊繞組的電壓方程為： =十R =一jR =一（Rj） =一十Z （6-13） 式（6-13）中，Z=R十j。是變壓器原邊繞組的漏阻抗。由于R、。均根小，Z也是很小的，很小的空載電流在漏阻抗上產(chǎn)生的壓降當然也是很小的。所以實際變壓器空載運行時可以認為： UE=4.44fN （6-14）上式再次表明，變壓器運行時鐵心中的磁通基本上不變。6.2.3 變壓器的負載運行上下不需要有空

27、格負載運行就是指變壓器的原邊繞組接在電源上，副邊繞組接上負載后輸出電流的狀態(tài)。1原邊繞組和副邊繞組電流的關(guān)系變壓器負載運行示意圖如圖6-4所示。圖6-4 變壓器的負載運行變壓器空載運行時，原邊繞組流過空載電流，鐵心磁路只有勵磁磁勢N；，它產(chǎn)生的主磁通分別在原邊、副邊繞組中感應(yīng)出電勢和。當副邊繞組接上負載后，在作用下，副邊繞組流過負載電流，并產(chǎn)生相應(yīng)的磁勢也加在鐵心磁路上，根據(jù)愣次定律，該磁勢將使鐵心中的主磁通趨于改變，因而也將趨于改變，從而打破了原有的平衡，使原邊繞組電流發(fā)生變化。設(shè)電流由變?yōu)?，則變壓器負載運行時原邊繞組電壓方程為： =一Z （6-15）由于Z在數(shù)值上比小很多，將Z忽略不計。當

28、不變時，近似不變，與對應(yīng)的磁通也近似不變，因而變壓器空載時和負載時產(chǎn)生該磁通的磁勢也應(yīng)該不變，即空載時的勵磁磁勢與負載時的合成磁勢應(yīng)該相等，由此，可以得出變壓器的磁勢平衡方程為： N=N （6-16）上式表明，變壓器負載時原邊繞組電流產(chǎn)生的磁勢與副邊繞組電流產(chǎn)生的磁勢的合成值等于勵磁電流產(chǎn)生的磁勢。在上式中用N除各項后可得： = （6-17）式（6-16）中=一表示原邊繞組電流的負載分量。式（6-17）表明，原邊繞組電流由兩部分組成：其中 用來產(chǎn)生磁通，稱它為勵磁分量；用以抵消副邊繞組電流產(chǎn)生的去磁作用，稱它為負載分量。當變壓器的負載電流變化時，原邊繞組電流會相應(yīng)變化，以抵消副邊繞組電流的影響

29、，使鐵心中的磁通基本上不變。正是磁通近似不變的這種效果，使得變壓器可以通過磁的聯(lián)系，把輸入到原邊繞組的電功率傳遞到副邊繞組電路中去。這個概念是相當重要的。從功率平衡的角度來講，也應(yīng)該是這樣；副邊繞組輸出了功率，原邊繞組就應(yīng)該相應(yīng)地輸入功率。當變壓器在額定負載下運行時，勵磁電流入相對于額定電流來說是很小的，故將上式中的忽略后可得： （6-18）上式表明，變壓器的原邊繞組電流與副邊繞組電流在相位上幾乎相差180，而有效值的大小是為的K倍。2變壓器負載運行時原邊繞組電壓方程變壓器負載運行時，除原邊繞組電流與空載時的不一樣外，其他電磁關(guān)系仍與空載時相同，所以原邊繞組的電壓方程可將空載運行時電壓方程中的

30、改為而得到，即： =一一R=一+jR+號大小不一。=一+（j+R）=一+Z （6-19）3變壓器負載運行時副邊繞組電壓方程與原邊繞組有電阻及漏磁通；同樣的道理，副邊繞組也有電阻R及漏磁通，如圖6-4所示，則負載電流流過時會產(chǎn)生相應(yīng)的電阻壓降 R及漏抗電勢一j 。根據(jù)正方向的規(guī)定和基爾霍夫定律可知，副邊繞組電路的電壓方程為： 十 R 一j 一 R （j R） Z Z （6-20）上式中Z表示副邊繞組電路的負載阻抗；Z表示副邊繞組的漏阻抗。4變壓器的基本方程綜上分析，變壓器負載運行時各量的關(guān)系可以用變壓器的基本方程來表達，即： 一 十 Z （6-21） Z （6-22） （6-23） + （6-2

31、4）=-Z （6-25）= Z （6-26）根據(jù)變壓器的基本方程，當知道了電源電壓、變壓器的變壓比、漏阻抗Z和Z、勵磁阻抗Z以及變壓器所接的負載阻抗Z后，就可以求出電流等其他未知量。但是，用上述方程來直接求解還比較復(fù)雜。為了簡化對變壓器的分析，下面介紹變壓器的等效電路。6.2.4 變壓器的等效電路要得到變壓器的等效電路，需要先進行變壓器的折算。通過折算使變壓器的基本方程得到簡化，便可以找到與簡化后的基本方程相對應(yīng)的變壓器的等效電路。變壓器的折算變壓器的原邊繞組和副邊繞組之間沒有電的聯(lián)系，只有磁的聯(lián)系。從變壓器的磁勢平衡方程可見，副邊繞組的負載電流是通過它的磁勢來影響原邊繞組的電流的。變壓器的折

32、算就是指假設(shè)用一個和原邊繞組具有相同匝數(shù)N；的等效副邊繞組，去代替具有匝數(shù)N。折算后，等效副邊繞組的電流、電勢、電阻、漏抗和阻抗分別用I、E、R、X、和Z來表示，則折算前后的關(guān)系可用下列方法確定。因折算前后副邊繞組的磁勢保持不變，即： NN 則 應(yīng)用公式編輯。例：= （6-27）因折算前后副邊繞組回路上的視在功率保持不變，即： E=E U=IU 則 E=KE （6-28） U=KU （6-29）因折算前后副邊繞組回路上的有功功率、無功功率保持不變，即： RR R=IR X = I x X= I X 則 R R （6-30） RR （6-31） X=X （6-32） X=X （6-33）應(yīng)用式（

33、6-28）式（6-33），可以把實際副邊繞組回路上的各個量折算為等效副邊繞組回路上的量，也可以反過來，把等效副邊繞組回路上的量折回到實際副邊繞組回路上去。變壓器的折算只是分析變壓器的一種方法，通過折算可以把原邊繞組和副邊繞組之間復(fù)雜的電磁關(guān)系轉(zhuǎn)換為等效的電的關(guān)系，從而能簡化變壓器的基本方程，畫出變壓器的等效電路。1變壓器的等效電路經(jīng)折算后，變壓器的基本方程變?yōu)椋?Z （6-34） （6-35） （6-36） （6-38） 一Z （6-39） （6-40）根據(jù)以上經(jīng)折算后的變壓器的基本方程可以找到與其對應(yīng)的等效電路，如圖6-5所示。圖6-5 變壓器等效電路圖中 R1-與變壓器原邊繞組的銅耗相對應(yīng)

34、的電阻；X-與變壓器原邊繞組的漏磁通相對應(yīng)的漏電抗；R-與變壓器副邊繞組的銅耗相對應(yīng)的經(jīng)折算后的電阻；X-與變壓器副邊繞組的漏磁通相對應(yīng)的經(jīng)折算后的漏電抗；格式應(yīng)調(diào)整R-與變壓器的鐵耗相對應(yīng)的勵磁電阻；X-與變壓器的主磁通相對應(yīng)的勵磁電抗。所謂等效電路，就是指這個電路能夠等效地反應(yīng)變壓器的運行情況。例如，勵磁支路中流過勵磁電流，它用來產(chǎn)生主磁通，以便產(chǎn)生感應(yīng)電勢；表示原邊繞組通過電磁感應(yīng)傳送給副邊繞組的電磁功率，它是變壓器進行能量轉(zhuǎn)化的樞紐；R和R上消耗的功率表示原邊繞組電阻和副邊繞組電阻的銅損耗； 和分別表示變壓器的輸入功率和輸出功率。6.4.5 變壓器的參數(shù)測定在利用變壓器等效電路分析其性

35、能時，要用到變壓器的參數(shù)R、X、R、X。R和X，這些參數(shù)的大小直接影響到變壓器的運行性能。變壓器的參數(shù)，歸根結(jié)底還是由它使用的材料、結(jié)構(gòu)形狀及幾何尺寸決定的。設(shè)計變壓器時，應(yīng)考慮，既要滿足運行性能的要求，又要合理使用材料、提高勞動生產(chǎn)率以降低成本。要得到變壓器的參數(shù)，可以有兩種辦法：一種是根據(jù)變壓器所使用的材料、結(jié)構(gòu)尺寸等，通過設(shè)計計算得到，這是電機設(shè)計課程的內(nèi)容；另一種是，對已經(jīng)制造出來的變壓器，可以通過實驗的方法來測定。下面就介紹測定變壓器參數(shù)的方法：變壓器的空載實驗和短路實驗。1空載實驗變壓器的空載實驗，就是指將變壓器的副邊繞組（高壓繞組）處于開路狀態(tài)，讓原邊繞組（低壓繞組）電壓達到額定

36、值，測量此時的空載電流I。、變壓比K、空載損耗P。和勵磁阻抗Z。其實驗線路圖如圖7-8（）所示。圖片質(zhì)量不好，需調(diào)整。應(yīng)將圖中（a）（b）去掉。其它處還有。圖6-6 變壓器的空載實驗 （）線路圖；（b）等效電路。空載實驗時的等效電路如圖6-6（b）所示，此時變壓器原邊繞組（低壓繞組）電壓、感應(yīng)電勢和主磁通都達到額定值，格式有誤=0，。變壓器的空載損耗P。由兩部分組成：一是空載電流I。在原邊繞組中產(chǎn)生的銅耗，二是因為磁通交變而在鐵心中產(chǎn)生的鐵耗。由于空載電流入很小，空載時的銅耗便可以略去，近似地認為P。就是鐵耗。在圖7-8（b）中，XmX，這是由于變壓器中的主磁通遠大于它的漏磁通；RR，這是由于

37、空載時的鐵耗遠大于鋼耗。因此可以得到變壓器的勵磁阻抗Z、勵磁電阻R及勵磁電抗X分別為： (6-41) (6-42) (6-43)通過空載實驗，除了可以求出激磁參數(shù)外，還可求出變壓器的變壓比，即： K=格式有誤 (6-44)理論上空載實驗可以在低壓繞組側(cè)進行，也可以在高壓繞組側(cè)進行，但一般都在低壓繞組側(cè)的額定電壓下進行，因為低壓繞組側(cè)的電壓較低，比較安全。當然，這樣測出來的參數(shù)都是低壓繞組側(cè)的值。要得到高壓繞組側(cè)的勵磁阻抗，還必須進行折算，即高壓繞組側(cè)的勵磁阻抗為KZ。Z的大小與鐵心的飽和程度有關(guān)，電壓超過額定值越多，鐵心越飽和，Z就越小。常用的為對應(yīng)于額定電壓時的Z值?？蛰d損耗P。主要是鐵耗，

38、也就是由于鐵心磁化所引起的磁滯損耗和渦流損耗。如果鐵心質(zhì)量不好，如：硅鋼片不合格、片間絕緣有損傷、鐵心螺桿或壓板的絕緣損壞、鐵心接縫過大、鐵心疊片不整齊、鐵心磁阻過大等，會引起空載損耗和空載電流過大。我們希望變壓器的勵磁阻抗大，空載損耗和空載電流小。2短路實驗變壓器的短路實驗，就是指將變壓器的副邊繞組（低壓繞組）處于短路狀態(tài)，讓原邊繞組（高壓繞組）電流達到額定值，測量此時的短路電壓U、短路電流I及功率P。其實驗線路圖如圖6-7(a)所示。圖6-7 變壓器的短路實驗（）線路圖；（b）等效電路。由于副邊繞組未接任何阻抗而直接短路，整個變壓器等效電路的阻抗很小，為避免原邊和副邊繞組因電流過大而燒壞，

39、在進行短路試驗時，外施電源電壓必須經(jīng)調(diào)壓器后接到原邊繞組。原邊繞組上的電壓要從零開始增大，使原邊繞組電流達到額定值為止，此時原邊繞組側(cè)的短路電壓U=（5-10）U。短路實驗時測量到的功率P由兩部分組成，即：因磁通交變而產(chǎn)生的鐵耗和短路電流在原邊和副邊繞組中產(chǎn)生的銅耗。由于U很低，鐵心中磁通很小，故鐵耗可以略去。近似地認為短路實驗時測量到的功率P就是銅耗。由于原邊繞組側(cè)的短路電壓U=（5-10）U，它比額定電壓低很多，因此鐵心中磁通很小，勵磁電流可以略去，則短路實驗時的等效電路便如圖6-7所示。根據(jù)測量數(shù)據(jù)，可以計算出： (6-45) (6-46) (6-47)由于、是在變壓器短路情況下所測量到

40、的參數(shù)，因此分別稱為短路阻抗為短路電阻，為短路電抗。理論上講，在進行短路試驗時，電源可以加在高壓繞組側(cè)，也可以加在低壓繞組側(cè)。由于高壓繞組側(cè)電流較小，測量比較方便，所以一般都是把高壓繞組側(cè)接電源，而把低壓繞組側(cè)短路。當然在這種情況下測量到的參數(shù)都是折算到高壓繞組側(cè)的數(shù)值。由于繞組的電阻隨溫度而改變，而短路實驗一般在室溫下進行，故必要時應(yīng)將所測得的室溫電阻值換算到基準工作溫度時的數(shù)值。按國家標準規(guī)定，油浸式電力變壓器的短路電阻應(yīng)換算到75時的數(shù)值。 （75）= (6-48)式中（75）換算到75時的短路電阻；實驗時的室溫。施加額定電流作短路實驗時的短路電壓U又稱為變壓器的阻抗電壓，它表示變壓器在

41、額定負載下運行時，漏阻抗壓降的大小。從正常運行的角度來看，要求變壓器的阻抗電壓小一些。因為阻抗電壓越小，則短路阻抗越小，負載變化時的漏阻抗壓降變化就越小，輸出電壓就越穩(wěn)定。阻抗電壓是變壓器的一個重要參數(shù)，標識在變壓器的銘牌上。1變壓器的電壓變化率變壓器的負載并不是固定不變的，負載的變化會影響到變壓器副邊繞組端電壓的變化。我們希望供電電壓盡量穩(wěn)定。隨著負載的變化，電源電壓變化越小就說明供電電壓的質(zhì)量越高。一般用電壓變化率來反映供電電壓的穩(wěn)定性，它是變壓器運行的主要性能指標之一。當變壓器空載，原邊繞組接至額定電壓U后，副邊繞組的開路電壓U等于它的額定電壓U。負載以后，負載電流在變壓器內(nèi)部將產(chǎn)生電阻

42、壓降和漏抗壓降，造成副邊繞組端電壓U隨負載電流的變化而變化。原邊繞組電壓保持額定，空載與負載時，副邊繞組端電壓之差（UU）與額定電壓U的比值，就稱為變壓器的電壓變化率上，用公式表示為： = (6-49)經(jīng)有關(guān)的推導(dǎo)后，可以得知，電壓變化率與變壓器的短路參數(shù)、負載的大小和性質(zhì)有關(guān)，其計算公式為： = (6-50)式中負載電流的負載系數(shù)（又稱為標么值）；變壓器負載的功率因數(shù)角；短路電阻的標么值；短路電抗的標么值。上式說明，變壓器的電壓變化率與它的負載大小成正比；與負載的功率因數(shù)有關(guān)；在負載一定時，短路阻抗標么值越大則電壓變化率越大。當變壓器帶額定負載，即=，這時計算出來的稱為變壓器的額定電壓變化率

43、，通常是用它來反映變壓器的供電質(zhì)量，即電壓是否穩(wěn)定。實際運行中，變壓器帶的負載大多數(shù)都是感性負載，因而變壓器負載后的副邊繞組端電壓通常是下降的。2變壓器的外特性在原邊繞組電壓保持額定，負載功率因數(shù)cos常數(shù)時，變壓器副邊繞組端電壓U隨負載電流變化的規(guī)律Uf（）稱為變壓器的外特性，如圖7-10所示。圖6-8 變壓器的外特性由圖6-8可見，空載時0，則UU。當負載為電阻性或電感性負載時，隨著增大，U逐漸降低，即變壓器具有下降的外特性。在負載大小相同時，其電壓下降的程度取決于負載的功率因數(shù)，負載功率因數(shù)越低，U下降越大。當負載為電容性負載時，隨著增大，U有可能上升，即變壓器有可能具有上升的外特性。3

44、變壓器的效率在能量傳遞過程中，變壓器內(nèi)部將同時產(chǎn)生損耗，這些損耗影響到變壓器的效率。變壓器的效率也是它的主要性能指標之一。從變壓器的等效電路可以看出變壓器的功率平衡關(guān)系。變壓器的輸人功率P為： P= （6-51）輸人功率中的一小部分供給鐵磁損耗，其值為： （6-52） 鐵磁損耗可以通過空載實驗求得。由于變壓器運行時，其主磁通基本上不變，因此與之對應(yīng)的鐵磁損耗也基本上不變，故鐵磁損耗又被稱為變壓器的不變損耗。 輸人功率中的另一部分供給原邊繞組和副邊繞組的銅耗。其值為： （6-53） 若令表示負載電流的負載系數(shù)（又稱為標么值）,則，故： （6-54）式(7-55）中表示原邊繞組和副邊繞組在額定電流

45、時的銅耗（即短路損耗）。由于原邊繞組和副邊繞組的銅耗正比于電流的平方，故稱它為變壓器的可變損耗。變壓器的輸出功率為： （6-55） 輸人功率應(yīng)該等于損耗與輸出功率之和。所以，變壓器的功率平衡方程為： （6-56）式中。變壓器中的總損耗。變壓器的效率為輸出功率與輸人功率之比。效率的計算公式為： (6-57)對于給定的變壓器，、和都是一定的?？梢姡敼β室驍?shù)不變時，變壓器的效率將隨負載而變化。由此可得到變壓器的效率特性f（），如圖7-11所示。圖6-9 壓器的效率特性由圖6-9可見，變壓器的效率有一個最大值?？梢宰C明，當變壓器的不變損耗與可變損耗相等，即時，變壓器的效率達到最大。是效率最大時的負載

46、電流標么值。一般電力變壓器的額定效率為=0.95-0.99。當時，隨著負載的減小，效率急劇下降；當>m時，隨著負載的增大，效率逐步下降。所以，要提高變壓器的效率，不應(yīng)使變壓器在較小的負載下運行；當然，也不宜使變壓器在很大的負載下運行，因為負載況很大時，損耗急劇增大，不僅使效率下降，而且溫升增高，會使變壓器過熱而受到損害。一般電力變壓器的=0.4-0.6時效率最高。6.3變壓器的銘牌每臺變壓器都有一塊銘牌，上面標注著變壓器的型號和額定值等。銘牌用不受氣候影響的材料制成，并安裝在變壓器外殼上的明顯位置。在使用變壓器之前必須先查看銘牌。通過查看銘牌，對變壓器的額定值等有了充分了解后，才能正確使

47、用變壓器。圖6-10所示為一臺變壓器銘牌的示意圖。用圖片表達電力變壓器產(chǎn)品型號 S7-500/10 標準代號 XXXX 額定容量 500KVA 產(chǎn)品代號 XXXX 額定電壓 10KV 出廠序號 XXX 額定頻率 50HZ三相 聯(lián)接組別號 Y，yn0 阻抗電壓 4% 冷卻方式 油冷開關(guān)位置高壓低壓電壓（V）電流（A）電壓（V）電流（A）I10500275II100002894007217III9500304XX變壓器廠 XX年XX月圖6-10 變壓器的銘牌額定值是制造工廠對變壓器正常工作時所作的使用規(guī)定。在設(shè)計變壓器時，根據(jù)所選用的導(dǎo)體截面、鐵心尺寸、絕緣材料以及冷卻方式等條件來確定變壓器正常運

48、行時的有關(guān)數(shù)值，例如，它能流過多大電流及能承受多高的電壓等等。這些在正常運行時所承擔的電流和電壓等數(shù)值，就被規(guī)定額定值。各個量都處在額定值時的狀態(tài)被稱為額定運行。額定運行可以使變壓器安全、經(jīng)濟地工作并保證一定的使用壽命。變壓器的額定值主要有：1額定電壓在額定運行時規(guī)定加在原邊繞組的端電壓，稱為原邊繞組額定電壓，以表示；當變壓器空載時，原邊繞組加以額定電壓后，在副邊繞組上測量到的電壓，稱為副邊繞組額定電壓，以U表示。因此副邊繞組的額定電壓是指它的空載電壓。在三相變壓器中，額定電壓都是指線電壓。電壓的單位是或。2額定電流在額定運行時，原邊繞組、副邊繞組所能承擔的電流，分別稱為原邊繞組、副邊繞組的額定電流，并分別用和。表示。在三相變壓器中，額定電流都是指線電流。電流的單位是。3額定容量原邊繞組或副邊繞組額定電流與額定電壓的乘積，稱為額定容量，以S。表示，它是在銘牌上所標注的額定運行狀態(tài)下，變壓器輸出的視在功率。它的單位以V·A表示。對于三相變壓器來說，額定容量是指三相的總?cè)萘?，即：單相變壓器：SIUIU （6-58）三相變壓器：S=IU=IU （6-59）4額定頻率額定頻率用f表示。在我國，