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文檔簡介

1、第五章第五章 變壓器變壓器第5章 變壓器transformer變壓器是一種靜止的電氣設(shè)備,它利用電磁感應(yīng)原理,將一種電壓的交流電能轉(zhuǎn)接成同頻率的另一種交流電壓的電能。變壓器是電力系統(tǒng)中重要的電氣設(shè)備,眾所周如。輸送一定的電能時,輸電線路的電壓愈高,線路中的電流和損耗就愈小。為此需要用升壓變壓器把交流發(fā)電機發(fā)出的電壓升高到輸電電壓,通過高壓輸電線將電能經(jīng)濟地送到用電地區(qū),然后再用降壓變壓器逐步將輸電電壓降到配電電壓,供用戶安全而方便地使用。在其他工業(yè)部門中,變壓器應(yīng)用也很廣泛。第五章第五章 變壓器變壓器5.1 概述introduction 5.1.1基本結(jié)構(gòu)basic structure變壓器中

2、最主要的部件是鐵心和繞組,它們構(gòu)成了變壓器的器身。1.鐵心:鐵心由心柱和鐵軛兩部分組成,心柱用來套裝繞組,鐵軛將心柱連接起來,使之形成閉合磁路,為減少鐵心損耗,鐵心用厚0.30-0.50mm的硅鋼片疊成,片上涂以絕緣漆,以避免片間短路。圖5-1是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。在大型電力變壓器中為提高磁導(dǎo)率和減少鐵心損耗,常采用冷軋硅鋼片;為減少接縫間隙和激磁電流,有時還采用由冷軋硅鋼片卷成的卷片式鐵心。第五章第五章 變壓器變壓器第五章第五章 變壓器變壓器2. 繞組:繞組是變壓器的電路部分,用紙包或紗包的絕緣扁線或圓線繞成。其中輸人電能的繞

3、組稱為一次繞組(或原繞組),輸出電能的繞組稱為二次繞組(或副繞組),它們通常套裝在同一心柱上。一次和二次繞組具有不同的匝數(shù)、電壓和電流,其中電壓較高的繞組稱為高壓繞組,電壓較低的稱為低壓繞組。對于升壓變壓器,一次繞組為低壓繞組,二次繞組為高壓繞組;對于降壓變壓器,情況恰好相反,高壓繞組的匝數(shù)多、導(dǎo)線細;低壓繞組的匝數(shù)少、導(dǎo)線粗。從高、低壓繞組的相對位置來看,變壓器的繞組可分成同心式和交迭式兩類。同心式繞組的高、低壓繞組同心地套裝在心柱上,如圖52所示。交迭式繞組的高、低壓繞組沿 心柱高度方向互相交迭地放置,交迭式繞組用于特種變壓器中。同心式繞組結(jié)構(gòu)簡單、制造方便,國產(chǎn)電力變壓器均采用這種結(jié)構(gòu)。

4、第五章第五章 變壓器變壓器第五章第五章 變壓器變壓器3. 變壓器油,油箱和冷卻裝置:電力變壓器繞組與鐵心裝配完后用夾件禁固,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:用作變壓器繞組與繞組、繞組與鐵心及油箱之間的絕緣。變壓器運行時各種損耗變?yōu)闊崮埽儔浩饔褪軣岷螽a(chǎn)生對流,將熱量帶到油箱殼散發(fā),油箱有許多散熱油管,以增大散熱面積。為了加快散熱,有的大型變壓器采用內(nèi)部油泵強迫油循環(huán),外部用變壓器風(fēng)扇吹風(fēng)或用自來水沖淋變壓器油箱。這些都是變壓器的冷卻裝置。第五章第五章 變壓器變壓器5.1.2 變壓器的額定值rated va

5、lue額定值是制造廠對變壓器在指定工作條件下運行時所規(guī)定的一些量值。在額定狀態(tài)下運行時,可以保證變壓器長期可靠地工作,并具有優(yōu)良的性能。額定值亦是產(chǎn)品設(shè)計和試驗的依據(jù)。額定值通常標在變壓器的銘牌上,亦稱為銘牌值,變壓器的額定值主要有: (1)額定容量SN 在銘牌規(guī)定的額定狀態(tài)下變壓器輸出視在功率的保證值,稱為額定容量。額定容量用伏安(vA)或千伏安(kVA)表示。對三相變壓器,額定容量系指三相容量之和 (2)額定電壓UN, 銘牌規(guī)定的各個繞組在空載、指定分接開關(guān)位置下的端電壓,稱為額定電壓。額定電壓用伏(v)或千伏(kV)表示。對三相變壓器,額定電壓指線電壓。(3)額定電流IN 根據(jù)額定容量和

6、額定電壓算出的電流稱為額定電流,以安(A)表示。對三相變壓器,額定電流指線電流。(4)額定頻率fN 我國的標準工頻規(guī)定為50赫(Hz)。第五章第五章 變壓器變壓器此外,額定工作狀態(tài)下變壓器的效率、溫升等數(shù)據(jù)亦屬于額定值。單相變壓器的一次、二次繞組的額定電流為I2N = SN/ U2N (5-1)I1N = SN/ U1N (5-2)SN = U1N.*I1N = U2N.*I2N (5-3)三相變壓器的一次、二次繞組的額定電流為 (線值) (5-4) (5-5) (線值)(5-6) (相值)(5-7) NNNUSI113/NNNUSI223/NNNNNIUIUS112233NNNNNIUIUS

7、112233第五章第五章 變壓器變壓器例5.1:一臺三相雙繞組電力變壓器,額定容量SN =100KVA,額定電壓U1N / U2N =6000/400V,則額定電流I1N、I2N是多少?解:AUSINNN62. 960003/101003/311AUSINNN3 .1444003/101003/322第五章第五章 變壓器變壓器5.2 變壓器的空載運行no-load operation of single phase transformer變壓器一次繞組加上交流電壓,二次繞組開路的運行情況稱變 壓器的空載運行。單相變壓器空載運行時的各物理量如圖5-3所示。變壓器的一次繞組匝數(shù)為N1,二次繞組匝數(shù)

8、為N2。當(dāng)一次繞組接上電源電壓u1,二次繞組開路時,一次繞組中流過的電流為i0,稱空載電流。產(chǎn)生的磁通勢i0N1為空載磁通勢。在空載磁通勢i0N1的作用下,磁路中產(chǎn)生磁通,因此空載磁通勢又稱勵磁磁通勢,空載電流又稱勵磁電流。磁通分兩種:一種是同時環(huán)鏈著一次繞組和二次繞組的,稱主磁通,用m表示;一種只環(huán)鏈一次繞組本身的,稱一次繞組的漏磁通,用1表示。交流電網(wǎng)中的電壓u1隨時間以電源頻率為f做正弦變化,則i0、m、1也隨時間交變,頻率為f。交變的磁通在與它環(huán)鏈的繞組中感應(yīng)電動勢,m在一次繞組感應(yīng)電動勢為e1,在二次繞組感應(yīng)電動勢為e2;1在一次繞組感應(yīng)電動勢為e1。二次繞組在空載時的端電壓為u20

9、。第五章第五章 變壓器變壓器第五章第五章 變壓器變壓器5.2.1 空載運行時的電磁現(xiàn)象electromagnetic phenomenon 如圖5-3中的假定正向(e、i同方向,的方向與i的方向符合右手螺旋定則)下,根據(jù)電磁感應(yīng)定律有: dtdNem11dtdNem22dtdNe111設(shè)空載電流i0的頻率為f, tmsintmsin11)90sin(2111tfNdtdNem第五章第五章 變壓器變壓器mfNjE1144. 4mfNjE2244. 4mfNjE11144. 410.110 xIjjELI。第五章第五章 變壓器變壓器表明,在電路中,漏電動勢可以用一次繞組漏電抗的壓降來替代。1011

10、22111000144. 444. 4XIjEfNjEfNjENIFIUmmm10rI第五章第五章 變壓器變壓器據(jù)此可畫出圖5-4變壓器空載矢量相量圖,勵磁電流i0可以分解為勵磁電流的有功分量IFe(提供鐵心中磁滯損耗和渦流損耗)和無功分量I(產(chǎn)生主磁通的磁化電流)。第五章第五章 變壓器變壓器第五章第五章 變壓器變壓器5.2.2空載運行時的電磁關(guān)系electromotive relationship of no-load空載運行時變壓器實際上就是一個含鐵心的電感器線圈,即非線性電抗器。從能量傳遞看作為電源的負載,空載運行時變壓器: (1)一方面從電源吸收無功功率,在鐵心中建立磁場,產(chǎn)生主磁通;

11、(2)另一方面從電源吸收有功功率,供鐵心損耗(磁滯、渦流)、繞組銅損使用。由于是不帶負載,所以電源輸入少量電功率 P0 。第五章第五章 變壓器變壓器電動勢平衡方程:在圖5-3假定正方向下,根據(jù)基爾霍夫電壓定律可得:一次側(cè): (5-16)忽略I0Z1,則有: (5-17) 即 (5-18) 10.1.10.10.1.1.ZIExIjrIEUmfNEU11144. 4111144. 444. 4fNUfNEm* 結(jié)論:影響主磁通大小的因素是: 電源電壓U1、電源頻率f和一次側(cè)線圈匝數(shù)N1,與鐵心材質(zhì)及幾何尺寸基本無關(guān)。第五章第五章 變壓器變壓器二次側(cè): 2. 變比: (5-19) *降壓K1;升壓

12、K1;*三相變壓器:Y,d接線: (5-20) D,y接線: (5-21) Y,y和D,d接線: (5-22)2.20.EUNNUUUUNNEEK212012121NNUUK213NNUUK213NNUUK21第五章第五章 變壓器變壓器3等效電路: 為了描述主磁通m在電路中的作用,結(jié)合圖5-4空載矢量相量圖,仿照對漏磁通的處理辦法,引入勵磁阻抗Zm,令: (5-23) 其中為勵磁電阻和為勵磁電抗則有: (5-24)式(5-23)中: 、 和 隨磁路飽和程度的增加而減小。等效電路為圖5-5: (5-25)0.0.1.)(IjxrZIEmmm0.110.10.1.1.)()(IjxrIjxrZIE

13、Ummmzmxmr1001ZIZIUm第五章第五章 變壓器變壓器 r1 x1 rm xm 圖5-5 變壓器空載時的等效電路1E1U0I第五章第五章 變壓器變壓器*空載電流的大?。喝Q于激磁阻抗的大小,從變壓器運行的角度看,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,同時磁滯損耗和渦流損耗的結(jié)果都是消耗了有功功率而在鐵心中轉(zhuǎn)化為熱,對變壓器是不利的,所以變壓器的鐵心材料應(yīng)該選取磁滯回線瘦窄的軟磁材料(回線胖寬的鐵磁材料稱為硬磁材料),并且要用片間彼此絕緣的硅鋼片疊成,這樣可以盡量減少勵磁電流的有功分量IFe的數(shù)值,提高變壓器的效率和功率因數(shù)。*變壓器空載運行時,很

14、低,一般在0.10.2之間。第五章第五章 變壓器變壓器5.3 變壓器的負載運行l(wèi)oad operation of single-phase transformer5.3.1磁動勢平衡關(guān)系magnetomotive force balance relationship1.負載運行定義:如圖5-7變壓器原邊(一次繞組)接電源U1,副邊(二次繞組)接負載阻抗ZL,此時副邊繞組流過電流I2,原邊繞組電流不再是I0,而是變?yōu)镮1,這即是變壓器的負載運行。2.負載時的電磁過程第五章第五章 變壓器變壓器 圖5-7 單相變壓器負載運行示意圖第五章第五章 變壓器變壓器如圖5-7所示變壓器中電流,電壓,磁通的正方

15、向是這樣規(guī)定的:電流與電壓同方向,磁通正方向與電流正方向符合右手螺旋關(guān)系,電勢正方向與電流正方向相同,這樣規(guī)定后e1=N1d/dt,e2=N2d/dt才成立,也就是說正方向的規(guī)定符合楞次定律。副邊電流電壓、電勢正方向也是按上述原則規(guī)定的。楞次定律說:感應(yīng)電勢如能產(chǎn)生電流,該電流產(chǎn)生的磁通阻止原來鐵心中的磁通變化。變壓器負載運行時,原、副繞組都有電流流過,都要產(chǎn)生磁通勢,按照安培環(huán)路定律,負載時,鐵心中的主磁通是由這兩個磁通勢共同產(chǎn)生的,也可以說是它們的合成磁通勢產(chǎn)生的,因此有式5-26的磁動勢平衡方程式。第五章第五章 變壓器變壓器磁動勢平衡方程式:(1)磁動勢形式: (5-26) (2)電流形

16、式 : (5-27)其中 (忽略I0)mFFFF021)(201kIII12211NNKII第五章第五章 變壓器變壓器式5-26的物理意義是變壓器運行時,不論是空載運行還是負載運行,磁路的主磁通是固定不變的,勵磁磁通勢由原繞組產(chǎn)生,數(shù)值(F0=I0N1)也是固定不變的。負載后,副邊繞組流過電流I2,該電流產(chǎn)生磁勢F2I2N2,該磁勢也要產(chǎn)生磁通 ,也就是說F2將改變鐵心中的磁通,而鐵心中的磁通是由電源電壓決定的,如式5-17所示,m基本不變,因此原繞組中只有增加一個(-F2)的磁通勢以抵消或平衡副繞組的磁通勢,這時原繞組中的電流不再是I0,而變成了I1,原繞組產(chǎn)生磁勢為F1=I1N1,F1與F

17、2共同作用產(chǎn)生m,F(xiàn)1+F2的作用相當(dāng)于空載磁勢F0,也可視為勵磁磁勢Fm。第五章第五章 變壓器變壓器變壓器負空載運行時的磁通、感應(yīng)電動勢歸納如下:11rI11111NIFIU22222NIFIU100NIF11E210EE22E22rI第五章第五章 變壓器變壓器5.3.2電動勢平衡方程electromotive force(emf) balance equation 變壓器負載運行時,二次繞組中電流I2產(chǎn)生僅與二次繞組相交鏈的漏磁通2,2在二次繞組中的感應(yīng)電動勢,類似于,它也可以看成一個漏抗壓降,即 (5-28) 式5-28中 為二次繞組的漏電感; 是對應(yīng)二次繞組漏磁通的漏電抗。若二次繞組的

18、電阻是r2,則二次繞組的阻抗Z2=r2+jX2。根據(jù)基爾霍夫第二定律,在圖5-7假定正向下,可以列出原、副繞組的電壓、電流方程組,即22.22.2xI jLI jE。2L2x第五章第五章 變壓器變壓器11.1.11.11.1.1.ZIExIjrIEU22.2.22.22.2.2.ZIExIjrIEU102211NININIKNNEE2121mZIE01LZIU2.2.第五章第五章 變壓器變壓器利用上述方程式,可以對變壓器進行計算。例如,已知電源電壓U1、變比k及參數(shù)Z1、Z2、Zm、負載阻抗ZL,利用上述方程式可求解出六個未知量:I1、I2、I0、E1、E2、U2但對一般變壓器,變比k值較大,

19、使地一次繞組、二次繞組的電壓、電流數(shù)值的數(shù)量級相差很大,計算不方便,畫相量圖更是困難,因此下面將介紹分析變壓器的一個重要方法等效電路法。第五章第五章 變壓器變壓器5.3.3繞組的折算conversion為了得到變壓器的等效電路,先要進行繞組的折算。通常是將二次繞組折算到一次繞組,當(dāng)然也可以相反。所謂把二次側(cè)繞組折算到一次側(cè),就是用一個匝數(shù)為N1的等效繞組去替代原變壓器匝數(shù)為N2的二次側(cè)繞組,折算后的變壓器的變比N1/ N1=1。 如果E2、I2、R2、X2分別表示折算前二次側(cè)的電動勢、電流、電阻、漏抗,則折算后分別表示為E2、I2、R2、X2,即在原符號上加“”。折算目的在于簡化變壓器的計算,

20、獲得等效電路,第五章第五章 變壓器變壓器折算前后變壓器內(nèi)部的電磁過程、能量傳遞完全等效,也就是說,從一次側(cè)看進去,各物理量不變,因為變壓器二次側(cè)繞組是通過F2來影響一次側(cè)的,只要保證F2不變,則主磁通m不變,在一次側(cè)繞組中感應(yīng)的電動勢不變,一次側(cè)從電網(wǎng)吸收的電流、有功功率、無功功率不變,對電網(wǎng)等效。即折算原則: 和二次側(cè)的各功率保持不變。1、 電勢折算E24.44fN1mE1,E24.44fN2m所以E2/E2N1/N2k,E2kE2折算前后電磁關(guān)系不變,那么鐵心中的磁通不變,k為變比,也即是電勢、電壓折算的系數(shù)。22 FF第五章第五章 變壓器變壓器2、 磁勢折算N1I2=N2I2 ,得I2=

21、I2N2/N1=I2/k變壓器折算前后副繞組磁勢不變。k也為電流折算系數(shù)。3、 阻抗折算阻抗折算要保持功率不變折算前后副邊銅耗不變I22r2I22r2,得r2I22r2/ I22k2 r2(k2)-阻抗折算系數(shù)副邊漏抗上的無功功率不變,則I22X2= I22X2,得X2= I22X2/ I22= k2 X2折算前后副邊阻抗功率因數(shù)不變,如tan2= X2/ r2= X2/ r2=tan2第五章第五章 變壓器變壓器負載阻抗上的功率不變,則可求出I22RL= I22RL ,得 RL=k2RLI22XL= I22XL ,得XL=k2XL4、 副邊電壓折算U2=I2ZL=(I2/k)(RL+jXL)k

22、2=kI2(RL+jXL)=kU2折算后的方程組:第五章第五章 變壓器變壓器22010212122221111LmZIUZIEIIIEEZIEUZIEU第五章第五章 變壓器變壓器5.3.4等效電路和相量圖equivalent circuit and phasor diagram1.“T”形等效電路和相量圖“T”形等效電路:根據(jù)方程組5-35可以得到變壓器的T型等效電路,如圖5-8。在此等效電路中,在勵磁支路rm +j Xm中流過勵磁電流,它在鐵心中產(chǎn)生主磁通m,m在一次側(cè)繞組中感應(yīng)電動勢E1,在二次側(cè)繞組中感應(yīng)電動勢E2。rm是勵磁電阻,它所消耗的功率代表鐵耗;Xm是勵磁電抗,它反映了主磁通在

23、電路中的作用;Zm是勵磁阻抗,它上面的電壓降I0Zm代表電動勢E1。r1是一次側(cè)的電阻,它所消耗的功率I12 r1代表變壓器一次側(cè)的銅耗;X1是一次側(cè)的漏電抗,I12X1代表了一次側(cè)漏磁場所消耗的無功功率。r2是二次側(cè)的電阻折算到一次側(cè)的值,它所消耗的功率I22 r2代表變壓器二次側(cè)的銅耗;X2 是二次側(cè)的漏電抗折算到一次側(cè)的值,I22 X2代表了二次側(cè)漏磁場所消耗的無功功率;ZL是負載阻抗的折算值。第五章第五章 變壓器變壓器第五章第五章 變壓器變壓器相量圖根據(jù)方程組5-35可以得到變壓器負載運行時的相量圖,它清楚地表明各物理量的大小和相位關(guān)系。已知U2、I2、cos2,變壓器參數(shù)k、r1、X

24、1、r2、X2、rm、Xm。繪出相量圖的如圖5-9所示,作圖步驟如下:(1)由k、r2、X2計算得r2、X2。(2)由U2、I2、cos2(假定滯后)作 相量,即可得U2、I2的相量,再根據(jù),求得。22,Iu)(22222jXrIUE122,EEE第五章第五章 變壓器變壓器(3)作出m的相量,使m的相量超前于E1900電角度。(4)作勵磁電流I0的相量(I0= E1/Zm),I0的相量超前相量m電角度。 =900-arctanXm/rm (5-36) (5)由 求得 。(6)由 求得一次側(cè)電壓相量 的夾角為,1,cos1是從一次側(cè)看進去的變壓器的功率因數(shù)。2. 等效電路:T型等效電路能準確地反

25、映變壓器運行是的物理情況,但它含有串聯(lián)、并聯(lián)支路,運算較為復(fù)雜。對于電力變壓器,一般I1NZ10.08U1N 時,可將勵磁支路前移與電源并聯(lián),得到圖5-10所示的等效電路,計算簡化很多,且誤差不大。)(201kIII1I11.1.11.11.1.1.ZIExIjrIEU1.1.1.,IUU與第五章第五章 變壓器變壓器第五章第五章 變壓器變壓器第五章第五章 變壓器變壓器3.簡化等效電路和相量圖:對于電力變壓器,由于I0rK,故當(dāng)純電阻負載時,即cos=1時,u為正值,且很??;感性負載時, 0 ,cos 0、sin 0,為u為正值,二次側(cè)端電壓U2隨負載電流I2的增大而下降;容性負載時, 0、si

26、n 0,若r*Kcos 1。2磁勢關(guān)系 根據(jù)變壓器的基本原理,鐵心柱內(nèi)磁動勢平衡,即: I1Nab+I2Nbc=I0Nab (5-65)為了分析方便起見,略去I0很小。加一項減一項比值不變。I1Nab-I1Nbc+I1Nbc+I2Nbc=0得,IacNac=IbcNbc (5-66)由此可知,同一繞組ac段和bc段存在著磁勢平衡關(guān)系。 第五章第五章 變壓器變壓器3電流關(guān)系對于c點,電流平衡方程式為 (5-67) 由式5-67可知,Iac和Ibc同相位,且I2Ibc。4自耦變壓器的額定容量SN=U1N I1N= U2N I2N =1+1/(ka-1) UacN I1N =1+1/(ka-1) U

27、2N IbcN = U2N IbcN + U2N I1N (5-68) )1/(11 .2.abcacbckIIII第五章第五章 變壓器變壓器式5-68表明,自耦變壓器的額定容量SN可分為兩部分,第一部分U2N IbcN,對應(yīng)于以串聯(lián)繞組Nac為一次側(cè),以公共繞組Nbc為二次側(cè)的一個雙繞組變壓器通過電磁感應(yīng)而傳遞給二次側(cè)負載的容量,稱為電磁容量,它決定了變壓器的主要尺寸、材料消耗,是變壓器設(shè)計的依據(jù),也稱計算容量。第二部分U2N I1N,對應(yīng)的是一次側(cè)電流I1N直接傳導(dǎo)給負載,稱傳導(dǎo)容量。由式5-68可知,計算容量U2N IbcN=(1-1/ka)SN,可見自耦變壓器的計算容量小于額定容量SN

28、,ka越接近“1”,設(shè)計容量越接近0,優(yōu)點越顯著。(1-1/ka)稱為效益系數(shù)。第五章第五章 變壓器變壓器5自耦變壓器的缺點 (1) ka 不夠大;(2)漏阻抗小,短路電流大;(3)低壓側(cè)和高壓側(cè)繞組在電氣方面連在一起 ,若原邊引起過電壓也會影響到低壓邊。 第五章第五章 變壓器變壓器5.9 儀用互感器mutual inductance互感器是一種用于測量的小容量變壓器,容量從幾伏安到幾百伏安。有電流互感器和電壓互感器兩種。 采用互感器測量的目的一是為了工作人員和儀表的安全,將測量回路與高壓電網(wǎng)隔離,二是可以用小量程電流表測量大電流,用低量程電壓表測量高電壓。我國規(guī)程規(guī)定,電流互感器二次側(cè)電流為

29、5A或1A,電壓互感器二次側(cè)額定電壓為100V或 V。 3/100第五章第五章 變壓器變壓器5.9.1、電流互感器 current mutual inductance 圖5-33是電流互感器的接線圖,它的一次側(cè)繞組由一匝或幾匝截面較大的導(dǎo)線構(gòu)成,串聯(lián)在被測量電流的電路中;二次側(cè)匝數(shù)較多,導(dǎo)線截面較小,并與負載(阻抗很小的儀表)接成閉合回路,因此電流互感器正常運行時相當(dāng)于變壓器短路。 忽略勵磁電流,由變壓器的磁動勢平衡關(guān)系可得I1/ I2= N1/N2=ki (5-69) 這樣利用原、副繞組不同的匝數(shù)關(guān)系,可將線路上的大電流變?yōu)樾‰娏鱽頊y量。 由于互感器內(nèi)總有一定的勵磁電流以及漏阻抗和儀表的阻抗等,從變壓器的相

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