第4章單相變壓器

1、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

2、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，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

3、的作用。 4.1 變壓器的用途、分類和結(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。 (1)同心式繞組 (2)交疊式繞組 4.1 變壓器的用途、分類和結(jié)構(gòu) 1.同心式繞組 2交疊式繞組 4.1 變壓器的用途、分類和結(jié)構(gòu) 3.油箱和變壓器油 4.1 變壓器的用途、分類和結(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

4、壓器的用途、分類和結(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、分類和結(jié)構(gòu) 6.導(dǎo)管和調(diào)壓裝置 油箱上還裝有分接開關(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、分類和結(jié)構(gòu) 4.1

5、.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： N1N 1N2N2N SUIUI N1N 1N2N2N 33SUIUI 4.1 變壓器的用途、分類和結(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、分類和結(jié)構(gòu) 4額定電流I1N、

6、I2N（A） 額定電流是根據(jù)絕緣和發(fā)熱要求，變壓器原、副繞 組長期允許通過的安全電流，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，是經(jīng)過 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

7、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)電勢正方向與產(chǎn)生它的磁通符合右手螺旋 定則。 U I E I 4.2 單相變壓器的空載運(yùn)行 2感應(yīng)電勢 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)電勢瞬時(shí)值。 （2）感應(yīng)電勢的有效值。 （3）感應(yīng)電勢的向量式。 m 1s1sm sin sin t t 4.2 單相變壓器的空載運(yùn)行 2感應(yīng)電勢 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)電勢瞬時(shí)值。 m 1s1sm sin sin t t m 1111m 1m1m m 2222m 2m2m d(sin)d cos dd sin(/2)s

8、in(/2) d(sin)d cos dd sin(/2)sin(/2) t eNNNt tt NtEt t eNNNt tt NtEt 1s1sm 1s1111s 1sm dd(sin) cos dd sin(/2) t eNNNt tt Et 4.2 單相變壓器的空載運(yùn)行 2感應(yīng)電勢 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)電勢的有效值。 m 1s1sm sin sin t t 1m1m 11m 2m2m 22m 1sm11sm 1s11sm 4.44 22 4.44 22 4.44 22 EN EfN EN EfN EN EfN 4.2 單相變壓器的空載運(yùn)行 2感應(yīng)電勢

9、 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)電勢的向量式。 m 1s1sm sin sin t t 11m 22m j4.44 j4.44 EfN EfN 1 1s1sm11sm jj4.44 2 N EfN 11sm 1s 0 2 N L I 1 1s1sm01s01 jjj 2 N EILI X 2 111s 2XfN 4.2 單相變壓器的空載運(yùn)行 3電勢平衡方程式 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??；當(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)無壓降產(chǎn)生，副

10、邊 空載電壓U20等于副邊電勢E2，即： 上式說明U20與E2既同方向，又同大小。 1110 11010 110 1110 1 j(j ) s UE EI rEI XI rEI rXEI Z 2020 UE 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或電壓之比。 （2）對(duì)三相變壓器是指原、副邊相電勢（相電壓）之 比。 1212120 KEENNUU 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 00P0Q III 22 00P0Q III 4.2 單相變

11、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，就可使變壓器分析大為簡化。 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 量圖來表示空載運(yùn)行時(shí)的情況， 其具體畫法見教材。 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。 1L122 2

12、2 1L2 1 INI N NI II NK 1L122 22 1L2 1 INI N NI II NK 4.3 變壓器的負(fù)載運(yùn)行 4.3.2變壓器負(fù)載時(shí)磁勢平衡方程式 變壓器負(fù)載后，原繞組磁勢和副繞組磁勢 都同時(shí)作用于主磁路上，共同產(chǎn)生主磁通 ，故磁勢平衡方程式為： 或 111 FI N 222 FI N 112201 I NI NI N 120 FFF 2 120 1 22 102001L 2 N III N NI IIIIII NK 2 120 1 22 102001L 2 N III N NI IIIIII NK 1122 2 1 21 12 I NI N I I K IN K IN

13、1122 2 1 21 12 I NI N I I K IN K IN 4.3 變壓器的負(fù)載運(yùn)行 4.3.3變壓器負(fù)載時(shí)電勢平衡方程式 變壓器負(fù)載時(shí)各物理量電磁關(guān)系如下： 1 1 I r 11s11 j s EI X 11111 UII NF 0m1 FE 2 E 2222 II NF 2 2 I r 2s2s2s2 jEI X 4.3 變壓器的負(fù)載運(yùn)行 4.3.3變壓器負(fù)載時(shí)電勢平衡方程式 綜上所述，可得變壓器基本方程式為： 1111 22222L 10m 112201 UEI Z UEI ZI Z EI Z I NI NI N 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

14、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： 11111111 10mm0m 22222222 22L 21 101L02 (j) (j) (j) () UEI rXEI Z EIrXI Z UEIrXEI Z UI Z EE IIIII 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簡化等值電路 簡化等值電路對(duì)應(yīng)的電壓平衡方程式為： 11kk21k2 (j)UI rXUI ZU 4.4 變壓器參數(shù)的測定 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

15、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)的測定 4.4.2變壓器短路試驗(yàn) 1變壓器短路試驗(yàn)?zāi)康?2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 P0PFe (2)銅耗PCu 2 2 11 2 12 2 21 2 12Cu1CuCu rIrIrIrIPPP 222222 Cu1 1221k11N1N

16、 kk (/)PI rI rI rIIIrP 4.5 變壓器的運(yùn)行特性 2.變壓器的效率 %100%100 1 1 1 2 P PP P P %100)1 ( 2 PP P %100)1 ( CuFe2 CuFe PPP PP %100)1 ( k 2 Fe2 k 2 Fe PPP PP 2N2N222222 coscoscosSIUIUP %100 cos 1 k 2 Fe2N k 2 Fe PPS PP 4.5 變壓器的運(yùn)行特性 3.變壓器的效率特性 0k 2 mCu PPP k 0 m P P %100 2cos 2 1 02Nm 0 m PS P 4.5 變壓器的運(yùn)行特性 例 4 .

17、2 一 臺(tái) 三 相 變 壓 器 ， S N = 1 0 0 k V 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）空載試驗(yàn)（低壓邊加電壓）短路試驗(yàn)（高壓邊加電壓）短路試驗(yàn)（高壓邊加電壓） U20(V)I20(A)P0(W)Uk(V)Ik(A)Pk(W) 40

18、09.376003179.41920 4.5 變壓器的運(yùn)行特性 解： （1） 15 400 6000 3 3 N2 N1 U U K 520.5545 37. 9 3040 15 3 2 20 202 m I U KZ 547.512 37. 9 3060 15 3 2 2 2 20 02 m I P Kr 783.552165.30490087 2 m 2 mm rZX 4.5 變壓器的運(yùn)行特性 解：（2） 折算到75時(shí)的短路參數(shù)值為： 243. 7 4 . 9 301923 22 k k k I P r 470.19 4 . 9 37313 k k k I U Z 073.18243. 7470.19 222 k 2 kk rZX 808. 8243. 7 20235 75235 235 75235 k C75k rr 105.20073.18808. 8 222 k 2 C75kC75k XrZ 4.5 變壓器的運(yùn)行特性 解：（3）當(dāng)滿載且cos2=0.8時(shí)，則=1.0，sin2=0.6。 對(duì)于Y接法，則I1N=I1N，那么： 623. 9 60003 10