變壓器類型和綜合講解

1、變壓器類型和綜合講解變壓器 變壓器是電力系統(tǒng)中應用廣泛的一種電氣設(shè)備，它是利用電磁感應原理，把一種等級電壓、電流的交流電能，變?yōu)橥l率的另一種等級電壓、電流的交流電能的靜止設(shè)備。 廣義上的變壓器除了改變電壓等級的作用外，還具備改變電壓、電流頻率或者相角的功能，稱為調(diào)頻器或移相器 。本書介紹的變壓器只具備改變電壓等級的功能。變壓器第一節(jié) 變壓器的工作原理和結(jié)構(gòu)一、變壓器的基本工作原理及分類 （一）變壓器的基本工作原理 變壓器是利用電磁感應原理工作的，下圖為工作原理示意圖。 變壓器 在一個閉合的鐵芯上,套有兩個繞組。這兩個繞組具有不同的匝數(shù)且互相絕緣，兩繞組間只有磁的耦合而沒有電的聯(lián)系。其中，接于

2、電源側(cè)的繞組稱為原繞組或一次繞組，一次繞組各量用下標“1”表示；用于接負載的繞組稱為副繞組或二次繞組，二次繞組各量用下標“2”表示。 變壓器 若將繞組1接到交流電源上，繞組中便有交流電流i1流過，在鐵芯中產(chǎn)生交變磁通,與外加電壓u1相同頻率,且與原、副繞組同時交鏈，分別在兩個繞組中感應出同頻率的電動勢e1和e2。變壓器 若把負載接于繞組2，在電動勢e2的作用下，就能向負載輸出電能，即電流i2將流過負載，實現(xiàn)了電能的傳遞。 變壓器 原、副繞組感應電動勢的大小正比于各自繞組的匝數(shù)，而繞組的感應電動勢又近似于各自的電壓，因此，只要改變一次或二次繞組的匝數(shù)比，就能達到改變電壓的目的，這就是變壓器的變壓

3、原理。 變壓器（二）變壓器的分類 為適應不同的使用目的和工作條件，變壓器種類很多，因此變壓器的分類方法有多種 按用途分類電力變壓器（升壓、降壓、配電）特種變壓器（電爐、整流）儀用互感器（電壓、電流互感器、脈沖變壓器，阻抗匹配變壓器）變壓器按繞組數(shù)目分類單繞組（自耦）變壓器雙繞組變壓器三繞組變壓器多繞組變壓器按相數(shù)分類單相變壓器三相變壓器多相變壓器變壓器按鐵芯結(jié)構(gòu)分類有心式變壓器殼式變壓器按調(diào)壓方式分類無勵磁調(diào)壓變壓器有載調(diào)壓變壓器變壓器按冷卻介質(zhì)和冷卻方式分類干式變壓器充氣式變壓器油浸變壓器電力變壓器電源變壓器環(huán)形變壓器接觸調(diào)壓器控制變壓器三相干式變壓器變壓器實物變壓器變壓器二、變壓器的基本結(jié)

4、構(gòu)變壓器（一）鐵芯 鐵芯是變壓器的主磁路，又是它的支撐骨架。鐵芯由鐵芯柱和鐵軛兩部分組成，鐵芯柱上套裝繞組，鐵軛的作用則是使整個磁路閉合。為了提高磁路的導磁性能和減少鐵芯中的磁滯和渦流損耗，鐵芯用厚、表面涂有絕緣漆的硅鋼片疊成。 變壓器 疊片式鐵芯的結(jié)構(gòu)型式有心式和殼式兩種。心式鐵芯結(jié)構(gòu)的變壓器，其鐵芯被繞組包圍著。 變壓器 殼式鐵芯結(jié)構(gòu)的變壓器，它的特點是鐵芯包圍線圈。 心式變壓器結(jié)構(gòu)簡單，繞組的裝配及絕緣設(shè)置也較容易，國產(chǎn)電力變壓器鐵芯主要用心式結(jié)構(gòu)。 殼式變壓器的機械強度好，但制造復雜、鐵芯材料消耗多，只在一些特殊變壓器（如電爐變壓器）中采用。變壓器變壓器 疊片式鐵芯的裝配，一般均采用交

5、迭式疊裝，使上、下層的接縫錯開，減小接縫間隙以減小勵磁電流。當采用冷軋硅鋼片時，由于冷軋硅鋼片順碾壓方向的導磁系數(shù)高，損耗小，故用斜切鋼片的疊裝方法 鐵芯柱的截面在小容量變壓器中常采用方形或矩形 。1、3、5 層2、4、6層變壓器 大型變壓器為充分利用線圈內(nèi)圓空間而常采用階梯形截面。當鐵芯柱直徑超過380mm時，還設(shè)有冷卻油道。 變壓器 疊裝好的鐵芯其鐵軛用槽鋼（或焊接夾）及螺桿固定。鐵芯柱則用環(huán)氧無緯玻璃絲粘帶綁扎。鐵軛的截面有矩形及階梯形的，鐵軛的截面通常比鐵芯柱大（510），以減少空載電流和損耗。變壓器（二）繞組 繞組是變壓器的電路部分， 一般用銅或鋁的絕緣導線繞成。電壓高的繞組為高壓繞

6、組，電壓低的繞組為低壓繞組。 同心式的高、低壓繞組同心地套在鐵芯柱上。為了便于絕緣，通常低壓繞組靠近鐵芯，高壓繞組放在外面，中間用絕緣紙筒隔開。變壓器 交疊式繞組的高低壓繞組交替地套在鐵芯柱上。這種繞組都做成餅式，高、低壓繞組之間的間隙較多，絕緣比較復雜，但這種繞組漏電抗小，引線方便，機械強度好，主要用在電爐和電焊等特種變壓器中。 變壓器（三）油箱和冷卻裝置 油浸變壓器的器身浸在充滿變壓器油的油箱里。變壓器油既是絕緣介質(zhì)，又是冷卻介質(zhì)，它通過受熱后的對流，將鐵芯和繞組的熱量帶到箱壁及冷卻裝置，再散發(fā)到周圍空氣中。變壓器 在小容量變壓器中采用平板式油箱；容量稍大的變壓器采用排管式油箱，在油箱側(cè)壁

7、上焊接許多冷卻用的管子，以增大油箱散熱面積。 當裝設(shè)排管不能滿足散熱需要時，則先將排管做成散熱器，再把散熱器安裝在油箱上，這種油箱稱為散熱器式油箱。 變壓器 大型變壓器還采用強迫油循環(huán)冷卻等方式，以增強冷卻效果。強迫油循環(huán)的冷卻裝置稱為冷卻器 。 變壓器 為了檢修方便，變壓器器身重量大于15t時，通常將變壓器做成鐘罩式油箱，檢修時只需把上節(jié)油箱吊起，避免了必須使用重型起重設(shè)備。 變壓器（四）絕緣套管 變壓器套管是將線圈的高、低壓引線引到箱外的絕緣裝置，它是引線對地（外殼）的絕緣，又擔負著固定引線的作用。套管大多數(shù)裝于箱蓋上，中間穿有導電桿，套管下端伸進油箱與繞組引線相連，套管上部露出箱外，與外

8、電路連接。 變壓器 1KV以下采用純瓷套管，1035KV采用空心充氣或充油套管，110KV以上采用電容式套管。為增加表面放電距離，高壓絕緣套管外部做成多級傘形。 變壓器（五）分接開關(guān) 用以改變高壓繞組的匝數(shù)，從而調(diào)整電壓比的裝置。雙繞組變壓器的一次繞組及三繞組變壓器的一、二次繞組一般都有35個分接頭位置，相鄰分接頭相差+5%，多分接頭的變壓器相鄰分接頭相差+2.5%。 分接開關(guān)的操作部分裝于變壓器頂部，經(jīng)傳桿伸入變壓器油箱內(nèi)。分接開關(guān)分為兩種：一種是無載分接開關(guān)，另一種是有載分接開關(guān)。后者可以在帶負荷的情況下進行切換、調(diào)整電壓。 變壓器變壓器（六）保護裝置（1）儲油柜（又稱油枕） 它是一種油保

9、護裝置，水平地安裝在變壓器油箱蓋上，用彎曲聯(lián)管與油箱連通，柜內(nèi)油面高度隨變壓器油的熱脹冷縮而變動。儲油柜的作用是保證變壓器油箱內(nèi)充滿油，減少油和空氣的接觸面積，從而降低變壓器油受潮和老化的速度。（2）吸濕器（又稱呼吸器） 通過它使大氣與油枕內(nèi)連通。吸濕器內(nèi)裝有硅膠或活性氧化鋁，用以吸收進入油枕中空氣的水分，以防止油受潮而保持良好性能。變壓器（3）安全氣道（又稱防爆筒） 它裝于油箱頂部，如圖32所示。它是一個長鋼圓筒，上端口裝有一定厚度的玻璃板或酚醛紙板，下端口與油箱連通。它的作用是當變壓器內(nèi)部因發(fā)生故障引起壓力驟增時，讓油氣流沖破玻璃或酚醛紙板噴出，以免造成箱壁爆裂。 （4）凈油器（又稱熱虹吸

10、凈油器） 它是利用油的自然循環(huán)，使油通過吸附劑進行過濾，以改善運行中變壓器油的性能。變壓器（5）氣體繼電器（又稱瓦斯繼電器） 它裝在油枕和油箱的連通管中間，見圖32。當變壓器內(nèi)部發(fā)生故障（如絕緣擊穿、匝間短路、鐵芯事故等）產(chǎn)生氣體時，或油箱漏油使油面降低時，氣體繼電器動作，發(fā)出信號以便運行人員及時處理；若事故嚴重，可使斷路器自動跳閘，對變壓器起保護作用。 變壓器三、變壓器的銘牌（一）變壓器型號 變壓器的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。 SL500/10為三相油浸自冷雙繞組鋁線、額定容量500kVA、高壓繞組額定電壓10kV級電力變壓器。SFPL63000/110表

11、示三相強迫油循環(huán)風冷式雙繞組鋁線、額定容量63000kVA、高壓繞組額定電壓110kV級電力變壓器。 變壓器（二）額定值1、額定容量SN（kVA） 指在額定使用條件下所能輸出的視在功率，對三相變壓器而言，額定容量指三相容量之和。由于變壓器效率很高，雙繞組變壓器原、副邊的額定容量按相等設(shè)計。 變壓器2、額定電壓U1N/U2N（kV或V） 指變壓器長時間運行時所能承受的工作電壓。一次額定電壓U1N是指根據(jù)絕緣強度規(guī)定加到一次側(cè)的工作電壓；二次額定電壓U2N是指變壓器一次加額定電壓，分接開關(guān)位于額定分接頭時，二次空載端電壓。在三相變壓器中，額定電壓指的是線電壓。 變壓器3、額定電流I1N/I2N（A

12、） 指變壓器在額定容量下，允許長期通過的電流。同樣，三相變壓器的額定電流也指的是線電流。 單相變壓器 三相變壓器 變壓器4、額定頻率fN（HZ）我國規(guī)定標準工頻為50 HZ。 此外，還有效率、溫升等額定值。除額定值外，銘牌上還標有變壓器的相數(shù)、聯(lián)結(jié)組別、阻抗電壓（或短路阻抗相對值或標么值）、接線圖等。 5.1.2 變壓器的型號和額定數(shù)據(jù)1. 額定容量SN：額定工作狀態(tài)下的視在功率，用伏安（VA）等表示。額定電壓U1N/U2N：U1N是電源加到原繞組上的額定電壓，U2N是原邊繞組加上額定電壓后副邊開路即空載時副繞組的端電壓，單位為V或kV。SL-1000/10三相鋁線額定容量為1000kVA高壓

13、邊額定電壓10kV5.1.2 變壓器的型號和額定數(shù)據(jù)3. 額定電流I1N / I2N：指線電流值，單位為A。4. 額定頻率：按我國規(guī)定，工業(yè)用電50Hz。額定容量、額定電壓和額定電流之間的關(guān)系：單相：三相： 變壓器空載運行變壓器的原繞組加上額定電壓，副繞組開路，變壓器空載運行。 U1，I1正方向為“電動機慣例”； U2，I2正方向為“發(fā)電機慣例”。+-+-+-+-5.2.1 變壓器各電磁量正方向漏磁通s1、s2正方向與主磁通m一致。漏磁電動勢Es1、Es2與E1、E2正方向一致。+-+-+-+- 交變磁通在原、副繞組內(nèi)感應電動勢：5.2.2 變壓器空載運行主磁通、漏磁通 主磁通：m=msint

14、一次繞組漏磁通： s1=s1sint 漏磁通僅占主磁通的0.1% 0.2%2. 主磁通感應電動勢主磁通=msint 在一次繞組的瞬時值：主磁通在二次繞組的瞬時值：2. 主磁通感應電動勢用相量形式表示： 當電網(wǎng)頻率和繞組匝數(shù)為定值時，E1、E2的大小僅取決于主磁通m的大小。3. 漏電勢 漏磁通s1通過的磁路是線性的，漏磁通與產(chǎn)生空載電流i0呈線性關(guān)系，s1與 i0的比值為常數(shù)，設(shè)常數(shù)Ls1若勵磁電流I0按正弦規(guī)律變化，即為了提高變壓器運行性能，漏電抗X1小點為好。X1=Ls1 一次繞組漏電抗4. 空載運行電壓方程 一次繞組回路電壓方程R1為一次繞組電阻 二次繞組開路：一次、二次繞組電動勢E1和E

15、2之比稱為變壓器的變比k由于I0不超國IN的10% ，加上Z1值很小有： k1為降壓變壓器， k1為升壓變壓器; 對于三相變壓器，變比指同一相的相電勢之比。4. 空載運行電壓方程5. 勵磁電流一次繞組中流過的電流i0， 稱為勵磁電流。勵磁電流Ior 建立磁場的磁化電流與m同相Ioa 引起損耗的有功電流與E1同相忽略空載損耗：（1）當主磁通為正弦波時， 磁路越飽和， 電流波形畸變嚴重。（2）勵磁電流與主磁通同相位。 IoaIor-E1I06. 變壓器空載運行相量圖電壓方程：00 0是U1與I0之間的相位差，近似等于90o，空載運行是功率因素很低，變壓器從電源吸收大量的無功功率。7. 變壓器空載運

16、行時的等效電路 等值電路綜合了空載時變壓器內(nèi)部的物理情況，在等值電路中R1、X1是常量；Rm、Xm是變量，它們隨鐵心磁路飽和程度的增加而減少。 把E1和I0 之間的關(guān)系直接用參數(shù)形式反映， 可把 寫出I0流過一個阻抗引起的阻抗壓降。RmXmjXmRmR1jX17. 變壓器空載運行時的等效電路jXmRmR1jX1 從電源吸收的有功功率等于鐵損耗pFe和銅損耗pCu1，空載時pCu1小，主要是鐵損耗pFe。 變壓器負載運行 5.3.1 負載時磁通勢及一、二次電流關(guān)系 Z1Zm，U1一定，m基本不變，F(xiàn)0不變，有電通勢平衡方程。 負載時磁通勢及一、二次電流關(guān)系加負載后，I2產(chǎn)生的磁通勢F2會減弱磁通

17、量m，一次繞組將增加電流，維持總磁通勢F2及磁通量m基本不變。 IL為一次電流負載分量； k=N1/N2為變比。由于I0I1為降壓變壓器， I2I1為升壓變壓器。 負載時二次電壓、電流關(guān)系F2會產(chǎn)生二次繞組漏磁通s2，同理有Ls2、X2。 Z2=R2+jX2為二次繞組漏阻抗。5.3.3 變壓器的基本方程式 綜合分析， 變壓器穩(wěn)態(tài)運行時的六個基本方程式 各電磁量之間同時滿足這六個方程，即已知其中一些量，可以求出另一些物理量。但未知量最多不超過六個。變壓器負載運行時的電磁關(guān)系+ 折合算法 當k較大時， 變壓器一次、二次邊電壓相差很大，為計算和作圖帶來不便。 變壓器一次邊和二次邊沒有直接電路的聯(lián)系，

18、只有磁路的聯(lián)系。二次邊的負載通過磁勢影響原邊。因此只有二次邊的磁勢不變，一次邊的物理量就不會變。這為折算提供了依據(jù)。 折合算法這種保持磁勢不變而假想改變它的匝數(shù)與電流的方法，稱折合算法。 F2=I2N2= I2N1I1I2I0 如果保持一次邊繞組的磁勢不變進行折算， 稱為一次邊向二次邊的折算。I1=k I11. 電動勢的折算關(guān)系折算前后主磁場、漏磁場不變。2. 阻抗換算關(guān)系折合于是3. 端電壓換算關(guān)系實際值折算銅耗：有功輸出：無功輸出：折合算法不改變功率關(guān)系。 等效電路采用折合算法后，基本方程式為：T型等效電路R1jX1R2jX2RmjXm 等效電路 負載運行時，I0I1，忽略I0 ，將勵磁回

19、路去掉， 得到更簡單的阻抗串聯(lián)電路。 Rk為短路電阻，Xk為短路電抗，Zk為短路阻抗?？蛰d運行時， 不能用簡化的等值電路。R1jX1R2jX2RkjXk 相量圖根據(jù)折合后的方程和T型等效電路可以畫出變壓器負載運行的相量圖。 若給定U2、I2、cos2及k各個參數(shù)（1）畫出2（3）（4）畫出領(lǐng)先 的主磁通 ；（5）根據(jù) 畫出 ， 領(lǐng)先 一個鐵耗角了； 相量圖2（6）畫出 與 的相量和 ；（7）畫出 ，加 得到 。 相量圖是基本方程的圖形表示法，他比較直觀地表示了變壓器各物理量的幅值和相位的關(guān)系。 相量圖對應于簡化電路的相量圖RkjXk12感性負載容性負載21單相變壓器基本方法總結(jié) 分析計算變壓器

20、負載運行方法有基本公式、等值電路和相量圖。 基本方程式：是變壓器的電磁關(guān)系的數(shù)學表達式； 等值電路： 是基本方程式的模擬電路； 相量圖： 是基本方程的圖示表示； 三者都能獨立地表示變壓器在一定條件下運行時各電磁量之間的關(guān)系。一般定量計算用等效電路，討論各物理量之間的相位關(guān)系用相量圖。 標幺值某個物理量的實際值與選定的一個同單位的固定數(shù)值進行比較。 如U1=99kV，U2=100kV，選U2為基值，標幺值用U1、U2表示， U1， U2。 一般基值都選額定值，如電壓U1N、U2N，電流I1N、I2N，阻抗則U1N/I1N、U2N/I2N。 標幺值電壓、電流采用標幺值的優(yōu)點：1）便于直觀地表示變壓

21、器的運行情況。兩臺變壓器電壓電流值分別為：6kV,9A和35kV,20A。標幺值分別為：U1=1.0,I1=1.0和U1=1.0,I1=0.6第一臺額定運行，第二臺欠載運行。2）三相變壓器的電壓和電流的線值與相值不同，但標幺值相等。只要給出電壓和電流的標幺值而不必指出是線值還是相值。3）折算前、后標么值相等（不需折算）。4）負載時，I1=I2= ，反映了負載的大小， 稱為負載系數(shù)。 標幺值阻抗采用標幺值的優(yōu)點折算前、后標么值相等，如R1=R1。對R1，R2，X1，X2，Rm，Xm其標幺值只有一個數(shù)值。采用標幺值阻抗數(shù)值都在一個較小的范圍，如Zk。標幺值是一個相對值的概念，應用使公式簡化，計算簡

22、化，因此，在各種電機包括變壓器中都采用標幺值。 變壓器參數(shù)測定等值電路是分析和計算變壓器的有效工具，但許先要知道變壓器的參數(shù)。變壓器的電路參數(shù)在銘牌和產(chǎn)品目錄上大都沒有標出，可通過試驗的方法測定。勵磁參數(shù)和短路參數(shù)可通過空載試驗和短路試驗測出。 變壓器的空載試驗空載試驗可以測出變比k，鐵損耗pFe，勵磁阻抗Zm等。為了便于測試和安全， 空載試驗在低壓側(cè)施加電壓。加U1N，測U1，I0，p0及U20。VWAN1N2R1jX1R2jX2RmjXm 變壓器的空載試驗可得參數(shù) 變比：k=U1/U20。 由于R1Rm和Z1I0可用簡化的等效電路來分析。 U1從0逐漸升高到Ik=I1N時，測量Ik，Uk和

23、pk。 變壓器的短路試驗短路試驗時，外施電壓低(E1Uk/20 ； 帶容性負載有可能U0 ，二次繞組電壓有可能升高。 變壓器的運行特性變壓器二次繞組端電壓與負載的關(guān)系叫做變壓器的外特性。U21.01.0（超前）（落后）0 變壓器的效率變壓器的效率負載不為額定值時： 變壓器的效率定義效率特性：0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.21.00.80.60.40.2cos2=常數(shù)最高效率出現(xiàn)在 結(jié)論：最大效率發(fā)生在鐵損耗p0與銅損耗2pkN相等的時候。 變壓器的連接組別1234m1234m繞組的同極性端 變壓器的連接組別AXaxmAXaxm 單相變壓器高、低壓繞組電動勢的相位關(guān)系用時鐘表示

24、法，EA看作長針，Ea看作短針 。,0,65.7.2 三相變壓器繞組的繞組三相變壓器高、低壓繞組首尾端符號： 高首端A、B、C；高尾端X、Y、Z； 低首端a、b、c；低尾端x、y、z。三相繞組有星型（Y）接法。ACBXZYXZYABC相電勢線電勢5.7.2 三相變壓器繞組的繞組三角型（）接法：第一種接法A, YB, ZC, XACBXZY線電勢 三相相序為A-B-C-A時，A，B，C三個點是順時針方向依次排列，ABC是等邊三角形。5.7.2 三相變壓器繞組的繞組三角型（）接法：第二種接法ACBXZY線電勢A, ZB, XC, Y 三相變壓器高、低繞組都可以用Y或連接，用Y連接時，中點可引出線，

25、也可不引出線。5.7.3 三相變壓器的連接組別ACBXZYabcA aBCxzycbXYZ 時鐘表示法，EAB為長針始終指向12點，Eab為短針，用它指向的時鐘數(shù)表示組別數(shù)。連接組別：Y,y05.7.3 三相變壓器的連接組別考慮到高低繞組首端即可使同極性也可為異極性端，低壓端左右繞組順序可以是ax-by-cz還可cz-ax-by或by-cz-ax。Y/Y連接的三相變壓器可以得到（Y,y0）,（Y,y2）,（Y,y4）,（Y,y6）,（Y,y8）,（Y,y10）幾種連接組別。5.7.3 三相變壓器的連接組別2. Yd連接ACBXZYxzyacbBA CXYZa, yc, xb, z連接組別為：Y

26、,d115.7.3 三相變壓器的連接組別2. Yd連接ACBXZYBA CXYZa, zc, yb, x連接組別為：Y,d1xzyacb三相變壓器繞組的聯(lián)接組聯(lián)接組的幾點認識：（1）當變壓器的繞組標志（同名端或首末端）改變時， 變壓器的聯(lián)接組號也隨著改變。 （2）Y/Y聯(lián)接的三相變壓器， 其聯(lián)接組號都是偶數(shù)；（3） Y/聯(lián)接的三相變壓器，其聯(lián)接組號都是奇數(shù)；（4） /聯(lián)接可以得到與Y/Y聯(lián)接相同的組號； /Y聯(lián)接也可以得到與Y/聯(lián)接相同的組號； （5）最常用的聯(lián)接組是Y/Y12 和 Y/11。5.9 自耦變壓器一、二次側(cè)公用一部分繞組的變壓器。繞組ax段是高低壓公用的叫公共繞組。AXN1 N2