第4章 單相變壓器

第4章單相變壓器內(nèi)容提要:

變壓器的用途和結(jié)構(gòu)。

變壓器的運(yùn)行原理。

闡述分析變壓器運(yùn)行的三種方法—電磁平衡關(guān)系、等值電路和向量圖。

變壓器參數(shù)的測(cè)定。

衡量變壓器運(yùn)行性能的重要標(biāo)志是外特性和效率特性。掌握這些知識(shí)為選擇、使用、維護(hù)變壓器奠定基礎(chǔ)。4.1變壓器的用途、分類(lèi)和結(jié)構(gòu)4.1.1變壓器的工作原理 電力變壓器主要由一閉合鐵芯作為主磁路和兩個(gè)匝數(shù)不同、而又相互絕緣的線圈（繞組）作為電路組合而成，如圖4.1所示。圖4.1雙繞組變壓器示意圖4.1變壓器的用途、分類(lèi)和結(jié)構(gòu)4.1.2變壓器的應(yīng)用

由于變壓器具有變換電壓，變換電流和變換阻抗的功能，所以在電力系統(tǒng)和電子線路中得到極為廣泛的應(yīng)用，它是電能的傳輸、分配和使用的重要電氣設(shè)備。

圖4.2電力系統(tǒng)示意圖4.1變壓器的用途、分類(lèi)和結(jié)構(gòu)4.1.3變壓器的結(jié)構(gòu) 對(duì)于變壓器運(yùn)行維護(hù)人員，首先應(yīng)了解變壓器結(jié)構(gòu)，才能正確使用，便于監(jiān)視和檢測(cè)，進(jìn)行維護(hù)和修理，從而提高運(yùn)行的可靠性。 變壓器結(jié)構(gòu)如圖4.3所示，它由以下幾部分組成：4.1變壓器的用途、分類(lèi)和結(jié)構(gòu)(1)鐵芯的作用和材料

鐵芯既是變壓器的主磁路，又是機(jī)械骨架。為減小變壓器的鐵耗，鐵芯一般采用高導(dǎo)磁的0.35mm或0.5mm兩面涂有絕緣漆的硅鋼片疊成。

鐵芯由鐵芯柱和鐵軛兩部分組成，鐵芯柱上套有繞組，鐵軛僅起連接鐵芯柱，使磁路形成閉合回路的作用。4.1變壓器的用途、分類(lèi)和結(jié)構(gòu)1.鐵芯(1)鐵芯的作用和材料圖4.5心式變壓器結(jié)構(gòu)圖4.6殼式變壓器結(jié)構(gòu)

1.1直流電機(jī)基本工作原理(2)鐵芯疊裝方法

圖4.6硅鋼片的疊法

4.1變壓器的用途、分類(lèi)和結(jié)構(gòu)2.繞組繞組是變壓器的電路部分，它由銅線或鋁線繞制而成。按高、低壓繞組在鐵芯柱上的排列方式，可分為以下兩類(lèi)。 (1)同心式繞組 (2)交疊式繞組

4.1變壓器的用途、分類(lèi)和結(jié)構(gòu) 1.同心式繞組

2．交疊式繞組

4.1變壓器的用途、分類(lèi)和結(jié)構(gòu)3.油箱和變壓器油4.1變壓器的用途、分類(lèi)和結(jié)構(gòu)4.儲(chǔ)油柜（又叫油枕）

圖4.10三相變壓器器身結(jié)構(gòu)

4.1變壓器的用途、分類(lèi)和結(jié)構(gòu)5.氣體繼電器和安全氣道

氣體繼電器裝在儲(chǔ)油柜與油箱之間的連通管內(nèi)，是變壓器內(nèi)部發(fā)生故障時(shí)的保護(hù)裝置，如圖4.11所示。圖4.11儲(chǔ)油柜和安全氣道4.1變壓器的用途、分類(lèi)和結(jié)構(gòu)6.導(dǎo)管和調(diào)壓裝置

導(dǎo)管是將變壓器繞組引出 線，從油箱內(nèi)部引到箱外， 絕緣導(dǎo)管由瓷質(zhì)的絕緣導(dǎo) 筒和導(dǎo)電桿構(gòu)成，導(dǎo)管外 形做成多級(jí)傘形，級(jí)數(shù)越 多耐壓越高，如圖所示。4.1變壓器的用途、分類(lèi)和結(jié)構(gòu)6.導(dǎo)管和調(diào)壓裝置

油箱上還裝有分接開(kāi)關(guān)， 可調(diào)節(jié)高壓繞組匝數(shù)，用 以調(diào)節(jié)副邊輸出電壓的高 低。通常輸出電壓的調(diào)節(jié) 范圍是額定電壓5%，如 圖所示。

4.1變壓器的用途、分類(lèi)和結(jié)構(gòu)

4.1.4變壓器的銘牌和額定值1．變壓器的型號(hào)含義2．額定容量SN（kVA）

4.1變壓器的用途、分類(lèi)和結(jié)構(gòu)1．變壓器的型號(hào)含義2．額定容量SN（kVA）單相變壓器容量：三相變壓器容量：

4.1變壓器的用途、分類(lèi)和結(jié)構(gòu)3．額定電壓U1N、U2N（kV） U1N是指變壓器額定運(yùn)行時(shí)，根據(jù)絕緣強(qiáng)度和散熱條 件，規(guī)定加于原繞組的端電壓；U2N指原繞組加額定 頻率f1=f1N的額定電壓U1N，副繞組的空載電壓

U20，即U20=U2N。對(duì)于三相變壓器額定電壓指額 定線電壓。

4.1變壓器的用途、分類(lèi)和結(jié)構(gòu) 4．額定電流I1N、I2N（A） 額定電流是根據(jù)絕緣和發(fā)熱要求，變壓器原、副繞 組長(zhǎng)期允許通過(guò)的安全電流，對(duì)于三相變壓器額定電流是指額定線電流。

4.2單相變壓器的空載運(yùn)行4.2.1空載運(yùn)行時(shí)的物理狀況

圖4.14變壓器空載運(yùn)行原理圖

4.2單相變壓器的空載運(yùn)行4.2.1空載運(yùn)行時(shí)的物理狀況

與1s二者性質(zhì)不同，從圖4.14可見(jiàn)，是經(jīng)過(guò) 鐵芯而閉合，而鐵磁材料存在著飽和現(xiàn)象，磁阻為 一變數(shù)，所以與I0呈非線性關(guān)系；1s是經(jīng)過(guò)非 導(dǎo)磁材料而閉合，磁阻為常數(shù)，故1s與I0呈線性 關(guān)系。

4.2單相變壓器的空載運(yùn)行4.2.2變壓器的感應(yīng)電勢(shì)和變比1．變壓器各電磁量正方向的規(guī)定（1）同一支路中電壓與的正方向一致。（2）磁通的正方向與產(chǎn)生它的電流正方向符合右手螺旋定則。（3）感應(yīng)電勢(shì)正方向與產(chǎn)生它的磁通符合右手螺旋定則。

4.2單相變壓器的空載運(yùn)行2．感應(yīng)電勢(shì)由于外加電壓為正弦波，則設(shè)、均按正弦規(guī)律變化：

（1）感應(yīng)電勢(shì)瞬時(shí)值。（2）感應(yīng)電勢(shì)的有效值。（3）感應(yīng)電勢(shì)的向量式。4.2單相變壓器的空載運(yùn)行2．感應(yīng)電勢(shì)由于外加電壓為正弦波，則設(shè)、均按正弦規(guī)律變化：

（1）感應(yīng)電勢(shì)瞬時(shí)值。4.2單相變壓器的空載運(yùn)行2．感應(yīng)電勢(shì)由于外加電壓為正弦波，則設(shè)、均按正弦規(guī)律變化：

（2）感應(yīng)電勢(shì)的有效值。4.2單相變壓器的空載運(yùn)行2．感應(yīng)電勢(shì)由于外加電壓為正弦波，則設(shè)、均按正弦規(guī)律變化：

（3）感應(yīng)電勢(shì)的向量式。4.2單相變壓器的空載運(yùn)行 3．電勢(shì)平衡方程式

上式表明U1與E1在數(shù)值上相等，在方向上相反，在波形上相同。的大小取決于U1、N1、f的大?。划?dāng)U1、N1、f不變時(shí)，則基本不變，磁路飽和程度也基本不變。 由于副邊空載，I2=0，則副繞組內(nèi)無(wú)壓降產(chǎn)生，副邊空載電壓U20等于副邊電勢(shì)E2，即：

上式說(shuō)明U20與E2既同方向，又同大小。4.2單相變壓器的空載運(yùn)行4．變壓器的變比K變比K是變壓器的一個(gè)重要參數(shù)，但需注意：（1）K一般取高壓邊與低壓邊電勢(shì)或電壓之比。（2）對(duì)三相變壓器是指原、副邊相電勢(shì)（相電壓）之比。4.2單相變壓器的空載運(yùn)行4.2.3變壓器的空載電流i0變壓器空載電流嚴(yán)格地講可以分為兩個(gè)分量:或4.2單相變壓器的空載運(yùn)行4.2.4變壓器空載時(shí)的向量圖和等值電路1．變壓器空載時(shí)的等值電路

變壓器運(yùn)行時(shí)既有電路，又有電和磁的相互聯(lián)系，若能用純電路的形式“等效”地表示出來(lái)，就可使變壓器分析大為簡(jiǎn)化。

4.2單相變壓器的空載運(yùn)行2．變壓器空載時(shí)的向量圖為了直觀地反映變壓器各物理量的大小和相位關(guān)系，可用向量圖來(lái)表示空載運(yùn)行時(shí)的情況，其具體畫(huà)法見(jiàn)教材。4.3變壓器的負(fù)載運(yùn)行4.3.1變壓器負(fù)載時(shí)物理狀況圖4.17變壓器負(fù)載運(yùn)行原理圖

4.3變壓器的負(fù)載運(yùn)行4.3.1變壓器負(fù)載時(shí)物理狀況上式說(shuō)明，變壓器負(fù)載變化（I2變化）時(shí)，必將引起原邊電流I1和功率隨之變化。4.3變壓器的負(fù)載運(yùn)行4.3.2變壓器負(fù)載時(shí)磁勢(shì)平衡方程式變壓器負(fù)載后，原繞組磁勢(shì)和副繞組磁勢(shì)都同時(shí)作用于主磁路上，共同產(chǎn)生主磁通，故磁勢(shì)平衡方程式為：或4.3變壓器的負(fù)載運(yùn)行4.3.3變壓器負(fù)載時(shí)電勢(shì)平衡方程式變壓器負(fù)載時(shí)各物理量電磁關(guān)系如下：4.3變壓器的負(fù)載運(yùn)行4.3.3變壓器負(fù)載時(shí)電勢(shì)平衡方程式綜上所述，可得變壓器基本方程式為：4.3變壓器的負(fù)載運(yùn)行4.3.4變壓器繞組折算

1．變壓器折算原則2．折算的方法4.3變壓器的負(fù)載運(yùn)行4.3.5變壓器負(fù)載時(shí)的等值電路副繞組經(jīng)折算后的基本方程式如下：

4.3變壓器的負(fù)載運(yùn)行1．“T”形等值電路4.3變壓器的負(fù)載運(yùn)行2．簡(jiǎn)化等值電路簡(jiǎn)化等值電路對(duì)應(yīng)的電壓平衡方程式為：

4.4變壓器參數(shù)的測(cè)定4.4.1變壓器空載試驗(yàn)1．變壓器空載試驗(yàn)的目的2．變壓器試驗(yàn)接線圖3．變壓器空載試驗(yàn)方法4．變壓器激磁參數(shù)的計(jì)算5．變壓器空載試驗(yàn)注意事項(xiàng)4.4變壓器參數(shù)的測(cè)定4.4.2變壓器短路試驗(yàn)1．變壓器短路試驗(yàn)?zāi)康?．變壓器短路試驗(yàn)接線圖3．變壓器短路試驗(yàn)方法4．變壓器短路參數(shù)的計(jì)算4.5變壓器的運(yùn)行特性4.5.1變壓器的外特性和電壓變化率1．變壓器的外特性2．變壓器的電壓變化率（電壓調(diào)整率）3．變壓器外特性曲線

4.5變壓器的運(yùn)行特性4.5.2變壓器的效率特性4.5變壓器的運(yùn)行特性1.變壓器損耗(1)鐵耗Pfe P0

PFe

(2)銅耗PCu4.5變壓器的運(yùn)行特性2.變壓器的效率4.5變壓器的運(yùn)行特性3.變壓器的效率特性4.5變壓器的運(yùn)行特性例4.2一臺(tái)三相變壓器，SN=100kV·A，U1N/U2N=6000/400，I1N/I2N=9.36/144A，Y,yn0接法，在環(huán)境溫度=20℃時(shí)進(jìn)行空載和短路試驗(yàn)，測(cè)得數(shù)據(jù)如表4.2所示。試求：（1）變比K和激磁參數(shù)Zm、rm、Xm。（2）短路參數(shù)Zk、rk、Xk。（3）當(dāng)變壓器額定負(fù)載且cos2=0.8（感性）時(shí)的電壓變化率U%，效率，最高效率m。表4.2空載試驗(yàn)和短路試驗(yàn)數(shù)據(jù)

空載試驗(yàn)（低壓邊加電壓）短路試驗(yàn)（高壓邊加電壓）U20(V)I20