第三章變壓器

第三章

變壓器的基本作用原理與理論分析5電力變壓器的原理、結(jié)構(gòu)和額定值1變壓器空載運行2變壓器負載運行3標幺值465變壓器的運行性能65參數(shù)測定方法5第一節(jié)

變壓器的原理、結(jié)構(gòu)和額定值一、變壓器的基本工作原理變壓器——

是一種靜止的電磁裝置，它利用電磁感應(yīng)原理，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。

變壓器的主要部件是一個鐵芯和套在鐵芯上的兩個繞組。兩繞組只有磁耦合沒電聯(lián)系。在一次繞組中加上交變電壓，一次側(cè)就有電流存在，該電流在鐵芯中可產(chǎn)生一個交變的主磁通Φ，主磁通在兩繞組中分別感應(yīng)電動勢e1、e2。根據(jù)電磁感應(yīng)定律可寫出電動勢的瞬時方程式：

只要：(1)磁通有變化量;(2)一、二次繞組的匝數(shù)不同，就能達到改變電壓的目的。因e1≈u1，e2≈u2，有：所以：改變變壓器的變比k，就能達到改變二次電壓u2的作用。若N1>N2，變壓器起降壓作用；若N1<N2，變壓器起升壓作用。變壓器分類按用途：升壓變壓器、降壓變壓器；按相數(shù)：單相變壓器和三相變壓器；按繞組數(shù)：雙繞組變壓器、三繞組變壓器和自耦變壓器；按鐵芯結(jié)構(gòu)：芯式變壓器和殼式變壓器；按調(diào)壓方式：無勵磁調(diào)壓變壓器、有載調(diào)壓變壓器；按冷卻介質(zhì)和冷卻方式：油浸式變壓器和干式變壓器；按容量大小：小型變壓器、中型變壓器、大型變壓器和特大型變壓器。變壓器用途電力系統(tǒng)中實現(xiàn)電能的遠距離高效輸送、合理配電、安全用電。如：電力變壓器、配電變壓器。供給特殊電源用的專用變壓器。如：煉鋼爐供電的電爐變壓器，大型電解電鍍、直流電力機車供電的整流變壓器。測量用的儀用變壓器?？刂葡到y(tǒng)實現(xiàn)信號的傳輸——控制變壓器，直到僅傳輸信號的非常小的無線電變壓器。連接發(fā)電機與電網(wǎng)的升壓變壓器連接發(fā)電機的封閉母線

與電網(wǎng)相連的高壓出線端各種變壓器電源變壓器環(huán)形變壓器控制變壓器各種變壓器電力變壓器接觸調(diào)壓器三相干式變壓器二、電力變壓器的基本結(jié)構(gòu)1、鐵芯—變壓器的磁路

鐵芯是變壓器的主磁路，又作為繞組的支撐骨架。變壓器的一次繞組和二次繞組都繞在鐵芯上。它主要由鐵芯柱、鐵軛和緊固件組成。如圖所示:鐵芯柱鐵軛緊固件作用是:固定繞組。作用是:使磁路閉合。作用是:使鐵芯不松動。為了提高導磁性能和減少鐵損，鐵芯多采用含硅量約為5%，厚度為0.23～0.35mm或0.5mm，兩面涂絕緣漆或氧化處理的冷軋硅鋼片疊裝而成。芯式變壓器結(jié)構(gòu)：芯柱被繞組所包圍。特點：芯式結(jié)構(gòu)的繞組和絕緣裝配比較容易，所以電力變壓器常常采用這種結(jié)構(gòu)。單相芯式變壓器1--鐵芯柱2--鐵軛3—高壓線圈4—低壓線圈殼式變壓器結(jié)構(gòu)：鐵芯包圍繞組。特點：殼式變壓器的機械強度較好，常用于低壓、大電流的變壓器或小容量電訊變壓器。單相殼式變壓器1--鐵芯柱2--鐵軛3—繞組三相芯式變壓器示意圖繞組上鐵軛鐵芯柱下鐵軛鐵芯的裝配

疊接式是將鐵芯柱和鐵軛的硅鋼片一層一層疊裝，各層硅鋼片的排列互不相同，疊裝之后，各層的接縫不在同一點，如圖所示。奇數(shù)層偶數(shù)層奇數(shù)層偶數(shù)層單相四片鐵芯交疊方法三相六片鐵芯交疊方法組成鐵芯的鋼片應(yīng)先裁成所需用的形狀和尺寸，稱為沖片，然后按交疊方式把沖片組合起來。2、繞組--變壓器的電路繞組是變壓器傳遞交流電能的電路部分，一般用絕緣扁銅(鋁)線或絕緣圓銅(鋁)線在繞線模上繞制而成。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。按照繞組在鐵芯中的排列方法可分為鐵芯式和鐵殼式根據(jù)高、低壓繞組的相對位置、形狀不同，以及在繞組鐵芯柱上排列方式不同，可分為同芯式和交疊式兩種。同芯式繞組1--鐵芯柱2--鐵軛3—高壓線圈4—低壓線圈油浸式電力變壓器1—信號式溫度計2—吸濕器3—儲油柜4—油位計5—安全氣道6—氣體繼電器7—高壓套管8—低壓套管9—分接開關(guān)10—油箱11—鐵芯12—線圈13—放油閥門1、型號型號表示一臺變壓器的結(jié)構(gòu)、額定容量、電壓等級、冷卻方式等內(nèi)容，表示方法為三、變壓器的型號與額定值

型號表示一臺變壓器的結(jié)構(gòu)、額定容量、電壓等級、冷卻方式等內(nèi)容。如：如OSFPSZ-250000/220表明自耦三相強迫油循環(huán)風冷三繞組銅線有有載調(diào)壓，額定容量250000kVA，高壓額定電壓220kV電力變壓器。2、額定值指銘牌規(guī)定的額定使用條件下所能輸出的視在功率。是輸出能力保證值。額定容量指長期運行時所能承受的工作電壓，單位：V、KV。額定電壓指在額定容量下，變壓器在連續(xù)運行時允許通過的最大電流有效值。在三相變壓器中指的是線電流。額定電流單位：V·A、KV·A、MV·A其實際輸出功率取決于負載的大小和性質(zhì)，即P=Scosφ。U1N是指根據(jù)絕緣強度和允許發(fā)熱所規(guī)定的應(yīng)加在一次繞組上的正常電壓有效值。U2N是指一次側(cè)加額定電壓時二次側(cè)的開路電壓。在三相變壓器中額定電壓為線電壓。單位：A此外，額定值還有效率、溫升等。除額定值外，銘牌上還標有變壓器的相數(shù)、聯(lián)結(jié)組和接線圖、短路電壓（或短路阻抗）的標么值、變壓器的運行方式及冷卻方式等。三者關(guān)系：單相：三相：額定頻率fN指電源頻率，我國規(guī)定標準工頻為50Hz。為考慮運輸，有時銘牌上還標有變壓器的總重、油重、器身重量和外形尺寸等附屬數(shù)據(jù)。練習1.有一臺單相變壓器，

試求變壓器原、副線圈的額定電流？解：一次繞組的額定電流二次繞組的額定電流2.有一臺SSP-125000/220三相電力變壓器，YN，d接線，求:變壓器額定電壓和額定電流

解：一、二次側(cè)額定電壓

一次側(cè)額定電流（線電流）

二次側(cè)額定電流（線電流）

第二節(jié)變壓器空載運行變壓器的空載運行是指變壓器一次繞組接在額定電壓的交流電源上，而二次繞組開路時的工作情況。u1i0Φ主磁通當變壓器的一次繞組加上交流電壓u1時，一次繞組內(nèi)便有一個交變電流i0（即空載電流）流過,并建立交變磁場。N1N2Φσ1漏磁通根據(jù)電磁感應(yīng)原理，分別在一、二次繞組產(chǎn)生電動勢e1、eσ1和e2eσ1e1e2u02i2=0u02一、電磁物理現(xiàn)象二、各電磁量參考方向的規(guī)定1）性質(zhì)上：與成非線性關(guān)系；與成線性關(guān)系；2）數(shù)量上：占99%以上，僅占1%以下；3）作用上：起傳遞能量的作用，起漏抗壓降作用。主磁通與漏磁通強調(diào)：磁通與產(chǎn)生它的電流之間符合右手螺旋定則；電動勢與感應(yīng)它的磁通之間符合右手螺旋定則。三、感應(yīng)電動勢、電壓變比1.主磁通感應(yīng)的電動勢——主電動勢設(shè)則有效值相量

可見，當主磁通按正弦規(guī)律變化時，所產(chǎn)生的一次主電動勢也按正弦規(guī)律變化，時間相位上滯后主磁通。主電動勢的大小與電源頻率、繞組匝數(shù)及主磁通的最大值成正比。四、空載電流1.作用與組成2、性質(zhì)和大小性質(zhì)：由于空載電流的無功分量遠大于有功分量，所以空載電流主要是感性無功性質(zhì)——也稱勵磁電流；大?。号c電源電壓和頻率、線圈匝數(shù)、磁路材質(zhì)及幾何尺寸有關(guān)，用空載電流百分數(shù)I0%來表示：空載電流包含兩個分量，一個是勵磁分量，作用是建立磁場，另一個是鐵損耗分量，主要作用是供鐵損耗。3、空載電流波形由于磁路飽和，空載電流與由它產(chǎn)生的主磁通呈非線性關(guān)系。

當磁通按正弦規(guī)律變化時，空載電流呈尖頂波形。實際空載電流為非正弦波，但為了分析、計算和測量的方便，在相量圖和計算式中常用正弦的電流代替實際的空載電流。374、空載損耗

對于已制成變壓器，鐵損與磁通密度幅值的平方成正比，與電流頻率的1.3次方成正比，即空載損耗約占額定容量的0.2%~1%，而且隨變壓器容量的增大而下降。為減少空載損耗，改進設(shè)計結(jié)構(gòu)的方向是采用優(yōu)質(zhì)鐵磁材料：優(yōu)質(zhì)硅鋼片、激光化硅鋼片或應(yīng)用非晶態(tài)合金。38五、漏抗漏電動勢也可以用漏抗壓降來表示，即根據(jù)主電動勢的分析方法，同樣有由于漏磁通主要經(jīng)過非鐵磁路徑,磁路不飽和,故磁阻很大且為常數(shù),所以漏電抗很小且為常數(shù),它不隨電源電壓負載情況而變.六、電路方程、等效電路和相量圖1、電動勢平衡平衡方程（1）一次側(cè)電動勢平衡方程忽略很小的漏阻抗壓降，并寫成有效值形式，有則可見，影響主磁通大小的因素有電源電壓和頻率，以及一次線圈的匝數(shù)。重要公式（2）二次側(cè)電動勢平衡方程2、變比定義對三相變壓器，變比為一、二次側(cè)的相電動勢之比，近似為額定相電壓之比，具體為Y，d接線D，y接線3、等效電路一次側(cè)的電動勢平衡方程為空載時等效電路為勵磁電阻、勵磁電抗、勵磁阻抗。由于磁路具有飽和特性，所以不是常數(shù)，隨磁路飽和程度增大而減小。由于，所以有時忽略漏阻抗，空載等效電路只是一個元件的電路。在一定的情況下，大小取決于的大小。從運行角度講，希望越小越好，所以變壓器常采用高導磁材料，增大，減小，提高運行效率和功率因數(shù)。2、相量圖根據(jù)前面所學的方程，可作出變壓器空載時的相量圖：（1）以為參考相量（2）與同相，滯后，（3）滯后，；（4）（5）空載運行小結(jié)（1）一次側(cè)主電動勢與漏阻抗壓降總是與外施電壓平衡,若忽略漏阻抗壓降，則一次主電勢的大小由外施電壓決定.（2）主磁通大小由電源電壓、電源頻率和一次線圈匝數(shù)決定，與磁路所用的材質(zhì)及幾何尺寸基本無關(guān)。（3）空載電流大小與主磁通、線圈匝數(shù)及磁路的磁阻有關(guān)，鐵心所用材料的導磁性能越好，空載電流越小。（4）電抗是交變磁通所感應(yīng)的電動勢與產(chǎn)生該磁通的電流的比值，線性磁路中，電抗為常數(shù)，非線性電路中，電抗的大小隨磁路的飽和而減小。第三節(jié)變壓器負載運行一、負載運行時的物理情況變壓器一次側(cè)接在額定頻率、額定電壓的交流電源上，二次接上負載的運行狀態(tài)，稱為負載運行。用圖示負載運行時的電磁過程二、負載運行時的基本方程式（一）磁動勢平衡方程式或用電流形式表示。,I;,I::L作用它起平衡二次磁動勢的另一個是負載分量產(chǎn)生主磁通它用來一個是勵磁電流兩個分量變壓器的一次電流包括表明10&&電磁關(guān)系將一、二次聯(lián)系起來,二次電流增加或減少必然引起一次電流的增加或減少.負載運行時,忽略空載電流有:表明，一、二次電流比近似與匝數(shù)成反比?？梢姡褦?shù)不同，不僅能改變電壓，同時也能改變電流。（二）電動勢平衡方程式根據(jù)基爾霍夫定律可得:或

綜上所述，變壓器負載運行方程式總結(jié)為:三、歸算當k較大時，變壓器一、二次側(cè)電壓相差很大，為計算和作圖帶來不便。變壓器一次側(cè)和二次側(cè)沒有直接電路的聯(lián)系，只有磁路的聯(lián)系。二次側(cè)的負載電流通過磁通勢影響一次側(cè)。因此只要保持二次側(cè)的磁通勢不變，一次側(cè)的物理量沒有改變。這為繞組的折算提供了依據(jù)。繞組折算：將變壓器的二次（或一次）繞組用另一個繞組來等效，同時對該繞組的電磁量作相應(yīng)的變換，以保持兩側(cè)的電磁關(guān)系不變。折算原則：1）保持二次側(cè)磁通勢不變；2）保持二次側(cè)各功率或損耗不變。折算原則：1）保持二次側(cè)磁通勢不變；2）保持二次側(cè)各功率或損耗不變。=1.電動勢換算關(guān)系2.阻抗換算關(guān)系根據(jù)保持歸算前后電阻銅耗及漏感中無功功率不變的原則，可得：3.端電壓換算關(guān)系折合算法只是一種分析的方法。凡是單位為伏的物理量（電動勢、電壓）的歸算值等于原來數(shù)值乘k；單位為歐的物理量（電阻、電抗、阻抗）的歸算值等于原來數(shù)值乘k2；電流的歸算值等于原來的數(shù)值乘以1/k。四、歸算后的基本方程、等效電路和相量圖（已沒有變比k）二次繞組經(jīng)折合后，基本方程式變?yōu)椋赫酆虾蟮幕痉匠淌降刃щ娐犯鶕?jù)折算后的方程，可以作出變壓器的等效電路。T型等效電路：近似等效電路簡化等效電路：

由簡化等效電路可知，短路阻抗起限制短路電流的作用，由于短路阻抗值很小，所以變壓器的短路電流值較大，一般可達額定電流的10～20倍。相量圖相量圖的畫法，視變壓器給定的和求解的具體條件。給定量和求解量不同，畫圖步驟也不一樣。根據(jù)變壓器的T形等效電路，可畫出相應(yīng)的相量圖。變壓器接感性負載，負載阻抗由電阻和電感組成，為滯后；接容性負載，負載阻抗由電阻和電容組成，為超前。相量圖的畫法（1）畫出；假定給定U2、I2、cos2及各個參數(shù)（2）在相量上加上得到；（3）（6）畫出與的相量和；（7）畫出，加得到。（4）畫出領(lǐng)先的主磁通；（5）根據(jù)畫出，領(lǐng)先一個鐵耗角；第四節(jié)標幺值

標么值,就是指某一物理量的實際值與選定的同一單位的基準值的比值,即一、定義二、基值1、通常以額定值為基準值。

2、各側(cè)的物理量以各自側(cè)的額定值為基準；線值以額定線值為基準值，相值以額定相值為基準值；單相值以額定單相值為基準值，三相值以額定三相值為基準值；3、標么值=實際值基準值三、優(yōu)點四、缺點標么值沒有單位，物理意義不明確。3、折算前、后的標么值相等。線值的標么值=相值的標么值；單相值的標么值=三相值的標么值；

1、額定值的標么值為1。

2、百分值=標么值×100%；4、某些意義不同的物理量標么值相等第五節(jié)參數(shù)測定方法一、空載實驗1、目的：通過測量空載電流和一、二次電壓及空載功率來計算變比、空載電流百分數(shù)、鐵損和勵磁阻抗。2、接線圖3、要求及分析WAVV~**1）低壓側(cè)加電壓，高壓側(cè)開路；4）求出參數(shù)5）空載電流和空載功率必須是額定電壓時的值，并以此求取勵磁參數(shù)；6）若要得到高壓側(cè)參數(shù)，須折算；7）對三相變壓器，各公式中的電壓、電流和功率均為相值；二、短路實驗1.目的：通過測量短路電流、短路電壓及短路功率來計算變壓器的短路電壓百分數(shù)、銅損和短路阻抗。2.接線圖3.要求及分析1）高壓側(cè)加電壓，低壓側(cè)短路；3）同時記錄實驗室的室溫；4）由于外加電壓很小，主磁通很少，鐵損耗很少，忽略鐵損，認為。5）參數(shù)計算對T型等效電路：四、短路電壓短路時，當短路電流為額定值時一次所加的電壓，稱為短路電壓，記作短路電壓也稱為阻抗電壓。6）溫度折算：電阻應(yīng)換算到基準工作溫度時的數(shù)值。8）對三相變壓器，各公式中的電壓、電流和功率均為相值；7）若要得到低壓側(cè)參數(shù)，須折算；短路電壓常用百分值表示

短路電壓的大小直接反映短路阻抗的大小，而短路阻抗又直接影響變壓器的運行性能。

從正常運行角度看，希望短路電壓小些，這樣可使副邊電壓隨負載波動小些；從限制短路電流角度，希望它大些，相應(yīng)的短路電流就小些。第六節(jié)變壓器的運行性能一、變壓器的電壓變化率和外特性1)電壓變化率是指當一次側(cè)接在額定電壓的電網(wǎng)上，負載的功率因數(shù)為常數(shù)時，空載與額定負載時二次側(cè)端電壓變化的相對值，用△U%表示。即：

電壓變化率是表征變壓器運行性能的重要指標之一,它大小反映了供電電壓的穩(wěn)定性。

由表達式可知，電壓變化率的大小與負載大小、性質(zhì)及變壓器的本身參數(shù)有關(guān)。用相量圖可以推導出電壓變化率的表達式（用標幺值表示的簡化等效電路的相量圖）2)變壓器的外特性變壓器在負載運行中，隨著負載的增加，負載電流隨之增加，一、二次繞組上的電阻壓降及漏磁電動勢都隨之增加，二次繞組的端電壓U2將會降低。1.001.03)電壓調(diào)整

為了保證二次端電壓在允許范圍之內(nèi),通常在變壓器的高壓側(cè)設(shè)置抽頭,并裝設(shè)分接開關(guān),調(diào)節(jié)變壓器高壓繞組的工作匝數(shù),來調(diào)節(jié)變壓器的二次電壓。

中、小型電力變壓器一般有三個分接頭，記作UN±5%。大型電力變壓器采用五個或多個分接頭,例UN±2x2.5%或UN±8x1.5%。

分接開關(guān)有兩種形式：一種只能在斷電情況下進行調(diào)節(jié)，稱為無載分接開關(guān)-----這種調(diào)壓方式稱為無勵磁調(diào)壓；另一種可以在帶負荷的情況下進行調(diào)節(jié)，稱為有載分接開關(guān)-----這種調(diào)壓方式稱為有載調(diào)壓。二、變壓器的損耗與效率1)變壓器的損耗變壓器的損耗主要是鐵損耗和銅