第五章：變壓器

第五章變壓器學(xué)習(xí)要點(diǎn)1、理解變壓器空載、負(fù)載運(yùn)行；2、掌握變壓器的基本方程；3、掌握變壓器磁路及感應(yīng)電動(dòng)勢。4、了解三相變壓器繞組接法。5、掌握自耦變壓器與儀用互感器的使用。下一頁5.1變壓器的工作原理圖1用結(jié)構(gòu)原理圖表示的變壓器電路圖2用圖形符號表示的變壓器電路N1N2原理圖：+-+-－＋－＋電路圖：N1N2+-+-－－＋＋正方向的規(guī)定：(1)一次側(cè)電流的正方向與電源電壓的正方向取為一致，二次側(cè)電流的正方向與感應(yīng)電動(dòng)勢的正方向一致。感應(yīng)電動(dòng)勢的正方向?yàn)殡妷荷姆较颉?2)磁動(dòng)勢的正方向與產(chǎn)生該磁動(dòng)勢的電流的正方向之間符合右手螺旋關(guān)系。(3)磁通的正方向與磁動(dòng)勢的正方向一致。(4)感應(yīng)電動(dòng)勢的正方向（即電位升的方向）與產(chǎn)生該電動(dòng)勢的磁通的正方向之間符合右手螺旋關(guān)系。(5)由交變磁通所感應(yīng)的電動(dòng)勢，其正方向與繞組中電流的正方向一致。5.1.2變壓器的用途與分類(一)變壓器的用途變壓器是一種利用電磁感應(yīng)作用將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的電氣設(shè)備。在電力系統(tǒng)中：110kV、220kV330kV、500kV電能負(fù)荷升壓變壓器遠(yuǎn)距離輸電降壓變壓器10kV10kV6kV380V220V上一節(jié)下一節(jié)上一頁下一頁在電子線路和自動(dòng)控制系統(tǒng)中，變壓器起著信號傳遞、阻抗變換以及信號隔離等作用?！旊娋嚯x、輸電功率與輸電電壓的關(guān)系:輸電電壓

輸電功率

輸電距離110kV5×104kW50~150km220kV(20~30)×104kW200~400km500kV100×104kW≥500km(二)變壓器的分類(1)按用途分類

配電變壓器

整流變壓器

電源變壓器

(2)按相數(shù)分類

三相變壓器

單相變壓器

(3)按每相繞組的個(gè)數(shù)分類

三繞組變壓器

雙繞組變壓器

自耦變壓器

(4)按冷卻方式分類

干式變壓器

油浸式變壓器

(5)按結(jié)構(gòu)分類

心式變壓器

殼式變壓器

電力變壓器

※變壓器常用的結(jié)構(gòu)型式有兩種：上一節(jié)下一節(jié)上一頁下一頁5.2變壓器的基本結(jié)構(gòu)鐵心原邊繞組一次繞組（原繞組，原邊）：輸入電能副邊繞組二次繞組（副繞組，副邊）：輸出電能或工作電壓高的繞組——高壓繞組，工作電壓低的繞組——低壓繞組。圖3.1變壓器基本結(jié)構(gòu)

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，表示方法為如OSFPSZ-250000/220表明自耦三相強(qiáng)迫油循環(huán)風(fēng)冷三繞組銅線有載調(diào)壓，額定容量250000kVA，高壓額定電壓220kV電力變壓器。5.2.1型號和額定值1.型號：1）額定容量SN額定容量是指額定運(yùn)行時(shí)的視在功率。以VA或kVA表示。2）額定電壓U1N和U2N單位：V或kV3）額定電流I1N和I2N單位：A

對單相變壓器對三相變壓器4）額定頻率fN

我國規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)用電頻率為50Hz。2.額定值：空載運(yùn)行：原繞組加額定電壓，副繞組開路的運(yùn)行情況稱為空載運(yùn)行5.3變壓器的空載運(yùn)行N1N2一、空載運(yùn)行的物理過程主磁通：以鐵心為磁路，同時(shí)交鏈著一次繞組和二次繞組漏磁通：以空氣或變壓器油為磁路，只與一次繞組相交鏈：空載電流、勵(lì)磁電流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。主磁通與漏磁通的區(qū)別正方向的確定：按慣例：消耗電能的電路中，按電動(dòng)機(jī)慣例；產(chǎn)生電能的電路中，按發(fā)電機(jī)慣例。電動(dòng)機(jī)慣例發(fā)電機(jī)慣例變壓器原邊屬前者，副邊屬后者。二、各電磁量參考方向的規(guī)定根據(jù)電磁感應(yīng)定律和對正方向規(guī)定，一、二次繞組中感應(yīng)電動(dòng)勢為：假定

Φ=Φmsinωt

其中一次側(cè)：三、感應(yīng)電動(dòng)勢分析1、主磁通感應(yīng)的電動(dòng)勢——主電動(dòng)勢二次側(cè)：其中注意：從上面的表達(dá)式中我們可以看出，感應(yīng)電動(dòng)勢總是滯后于產(chǎn)生它的磁通900。式中X1—一次繞組的漏電抗2、漏磁通感應(yīng)的電動(dòng)勢——漏電動(dòng)勢根據(jù)主電動(dòng)勢的分析方法，同樣有一次側(cè)漏磁感應(yīng)電動(dòng)勢漏電動(dòng)勢也可以用漏抗壓降來表示，即由于漏磁通主要經(jīng)過非鐵磁路徑,磁路不飽和,故磁阻很大且為常數(shù),所以漏電抗很大且為常數(shù),它不隨電源電壓負(fù)載情況而變.1、電壓平衡方程式根據(jù)對正方向的規(guī)定，可以得到空載時(shí)電動(dòng)勢平衡方程式：式中，

Z1=R1+jX1——一次繞組的漏阻抗N1N2－＋＋－－－＋＋＋－一次側(cè)：四、電動(dòng)勢平衡方程和變比空載時(shí)一次繞組的漏阻抗壓降I0Z1很小，其數(shù)值不超過U1的0.2%，將I0Z1忽略，則上式變成：二次側(cè)：即注意：外加電壓、電源頻率不變時(shí)，鐵心內(nèi)主磁通最大值幾乎不變，這是分析變壓器和交流電動(dòng)機(jī)時(shí)的重要概念。5.4變壓器的負(fù)載運(yùn)行變壓器負(fù)載運(yùn)行原理圖N1N2+-+--+-++--+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(fù)載的運(yùn)行狀態(tài)，稱為負(fù)載運(yùn)行。圖3.7變壓器負(fù)載運(yùn)行原理圖N1N2+-+--+-++--+5.4.1負(fù)載運(yùn)行時(shí)的物理過程1.磁勢平衡Im是激磁電流，固定不變的量。IL負(fù)載分量隨負(fù)載不同而變化。在額定負(fù)載時(shí)，I1L比Im大很多，負(fù)載分量是I1中的主要部分.2.電動(dòng)勢平衡除了主磁通在原、副邊繞組中感應(yīng)電動(dòng)勢E1和E2外，原、副邊還有對應(yīng)于漏磁通產(chǎn)生的漏電勢。副邊：原邊：5.4.2基本電磁方程綜合分析，變壓器穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)的六個(gè)基本方程式各電磁量之間同時(shí)滿足這六個(gè)方程利用，k，Z1，Z2，Zm，ZL求解出

LmmZIUZENININIkEEZIEUZIEU221122112122221111mI&&&&&&&&&&&&&&&=-==+=-=+-=當(dāng)k較大時(shí)，變壓器原、副邊電壓相差很大，為計(jì)算和作圖帶來不便。變壓器原邊和副邊沒有直接電路的聯(lián)系，只有磁路的聯(lián)系。副邊的負(fù)載通過磁勢影響原邊。因此只要副邊的磁勢不變，原邊的物理量就沒有改變。這為折算提供了依據(jù)。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。

實(shí)際繞組的各個(gè)量，稱為實(shí)際值；假想繞組的各個(gè)量，稱為折算值；5.4.3變壓器的等效電路和向量圖折算1.變壓器的繞組歸算

所謂把二次側(cè)歸算到一次側(cè)是指：在不改變變壓器電磁關(guān)系和能量傳遞關(guān)系的前提下，把二次繞組的匝數(shù)變成與一次繞組的匝數(shù)相同，相當(dāng)于一臺變比k=1的變壓器。2.變壓器的等效電路

二次側(cè)歸算到一次側(cè)后，二次側(cè)的電勢和電壓應(yīng)乘以k倍，電流乘以1/k倍，阻抗乘以k2倍。歸算后基本方程

（a）（b）（c）A.T形等效電路變壓器的等效電路和相量圖B.近似等效電路C.簡化等效電路（變壓器滿載及短路時(shí)）變壓器的等效電路和相量圖3.變壓器的相量圖

基本方程、等效電路和相量圖是分析變壓器運(yùn)行的三種方法?；痉匠谈爬俗儔浩髦械碾姶抨P(guān)系，而等效電路和相量圖是基本方程的另一種表達(dá)形式，三者是一致的。根據(jù)：A.已知條件B.基本方程變壓器感性負(fù)載時(shí)的相量圖

1.開路實(shí)驗(yàn)（空載實(shí)驗(yàn)）變壓器等效電路的參數(shù)，可以通過對變壓器實(shí)行開路實(shí)驗(yàn)和短路實(shí)驗(yàn)來確定。該兩實(shí)驗(yàn)是變壓器實(shí)驗(yàn)的主要項(xiàng)目。空載實(shí)驗(yàn)接線圖

方法：調(diào)節(jié)調(diào)壓器改變變壓器的一次輸入電壓，并測量變壓器對應(yīng)的輸入功率P0、一次繞組的電壓U1和電流I0，測量時(shí)在額定電壓點(diǎn)附近多測量幾點(diǎn)。數(shù)據(jù)處理：注意：為方便和安全，開路實(shí)驗(yàn)常在低壓側(cè)加電壓，高壓側(cè)開路。計(jì)算出的是低壓側(cè)數(shù)據(jù)，若需歸算到高壓側(cè)時(shí)，激磁阻抗應(yīng)乘以k2。5.4.4變壓器參數(shù)的測定2.短路實(shí)驗(yàn)短路實(shí)驗(yàn)接線圖

方法：二次繞組短接，一次繞組上通過調(diào)壓器接電源。調(diào)節(jié)變壓器外加電壓，使短路電流達(dá)到變壓器的額定電流，測量此時(shí)的一次繞組電壓Uk、輸入功率Pk和電流Ik，即可近似計(jì)算變壓器的短路阻抗。數(shù)據(jù)處理：注意：為安全，短路實(shí)驗(yàn)通常在高壓側(cè)加低電壓，低壓側(cè)短路。5.4.5標(biāo)幺值標(biāo)幺值：某一物理量的實(shí)際值與選定的同一單位的基值的比值。通常以額定值為基值。優(yōu)點(diǎn)：3、折算前、后的標(biāo)幺值相等。線值的標(biāo)幺值=相值的標(biāo)幺值；單相值的標(biāo)幺值=三相值的標(biāo)幺值；

1、額定值的標(biāo)幺值為1。

2、百分值=標(biāo)幺值×100%；4、某些意義不同的物理量標(biāo)幺值相等缺點(diǎn)：標(biāo)幺值沒有單位，物理意義不明確。5、采用標(biāo)幺值后，不會(huì)改變變壓器基本方程式的形式。練習(xí)一、某變壓器一次電流的標(biāo)幺值為0.5，問：該變壓器二次電流的標(biāo)幺值多少？解：外特性：變壓器在U1N、fN下，負(fù)載功率因數(shù)一定時(shí)，U2=f（I2）。U2I2U205.5變壓器的運(yùn)行特性operatingcharacteristicoftransformer5.5.1外特性與電壓變化率:電壓變化率voltagerate-of-change定義：變壓器在U1N、fN下，副邊空載電壓U20與負(fù)載后在某一功率因數(shù)下副邊端電壓U2之差，與副邊額定電壓U2N的比值。即

電壓變化率的大小與負(fù)載大小、性質(zhì)及變壓器的參數(shù)有關(guān)。5.5.2變壓器的效率特性：銅損(PCu)：------可變損耗鐵損（）：PFe--------不變損耗損耗效率變壓器的效率與負(fù)載的大小、性質(zhì)及銅損和鐵損有關(guān)。一、組式磁路變壓器二、心式磁路變壓器特點(diǎn)是：三相磁路彼此無關(guān)聯(lián)。特點(diǎn)是：三相磁路彼此有關(guān)聯(lián)。5.6三相變壓器5.6.1結(jié)構(gòu)：變壓器的端頭標(biāo)號繞組名稱單相變壓器三相變壓器中性點(diǎn)首端末端首端末端高壓繞組AXA、B、CX、Y、ZN低壓繞組axa、b、cx、y、zn中壓繞組AmXmAm、Bm、CmXm、Ym、ZmNm2繞組連接方式我國主要采用星形連接（Y連接）和三角形連接（D連接）兩種。

星形連接（Y）三角形連接（D）三相繞組的聯(lián)結(jié)方式：星形連接方式：以高壓繞組為例，把三相繞組的３個(gè)末端X、Y、Z連在一起，結(jié)成中點(diǎn)，而把它們的三個(gè)首端A、B、C引出，便是星形連接，以符號Y表示；三角形連接方式：如果把一相的末端和另一相首端連接起來，順序形成一閉合電路，稱為三角形連接，用D表示。注意：相應(yīng)的對于低壓側(cè)而言，用y,d表示。

繞組的極性????????3、變壓器的聯(lián)結(jié)組：1）變壓器的聯(lián)結(jié)組：三相變壓器高、低壓繞組對應(yīng)的線電動(dòng)勢之間的相位差，通常用時(shí)鐘法來表示，稱為變壓器的聯(lián)結(jié)組。

2）時(shí)鐘法：即把高壓繞組的線電動(dòng)勢相量作為時(shí)鐘的長針，且固定指向12的位置，對應(yīng)的低壓繞組的線電動(dòng)勢相量作為時(shí)鐘的短針，其所指的鐘點(diǎn)數(shù)就是變壓器聯(lián)結(jié)組的標(biāo)號。5.6.2三相變壓器的聯(lián)結(jié)組三相變壓器的聯(lián)結(jié)組——高、低繞組對應(yīng)線電動(dòng)勢之間的相位差，不僅與繞組的極性（繞法）和首末端的標(biāo)志有關(guān)，而且與繞組的連接方式有關(guān)。1）、Y，y接法如圖所示：當(dāng)各相繞組同鐵心柱時(shí)，Y，y接法有兩種情況。1）、高、低壓繞組同極性端有相同的首端標(biāo)志，高、低壓繞組相電動(dòng)勢相位相同，則高、低壓繞組對應(yīng)線電動(dòng)勢和也同相位，其聯(lián)結(jié)組為Y，y0。2）、同極性端有相異的端點(diǎn)標(biāo)志，高、低壓繞組相電動(dòng)勢相位相反，則對應(yīng)的線電動(dòng)勢和相位也相反，因此其聯(lián)結(jié)組為Y，y6。如果高低繞組的三相標(biāo)記不變，將低壓繞組的三相標(biāo)記依次輪換，如b→a，c→b，a→c；y→x，z→y，x→z，則可得到其他聯(lián)結(jié)組別，例如Y，y4；Y，y8；Y，y10；Y，y2等偶數(shù)聯(lián)結(jié)組。

2）、Y，d接法

用相量圖判斷變壓器的聯(lián)結(jié)組時(shí)應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：1）繞組的極性只表示繞組的繞法，與繞組首末端的標(biāo)志無關(guān)；2）高、低壓繞組的相電動(dòng)勢均從首端指向末端，線電動(dòng)勢從A指向B；3）同一鐵心柱上的繞組（在連接圖中為上下對應(yīng)的繞組），首端為同極性時(shí)相電動(dòng)勢相位相同，首端為異極性時(shí)相電動(dòng)勢相位相反；4）相量圖中A、B、C與a、b、c的排列順序必須同為順時(shí)針排列，即原、副方同為正相序。5)對于Y,y連接而言,可得0,2,4,6,8,10六個(gè)偶數(shù)的聯(lián)結(jié)組號.相對于Y,d而言,就可得1,3,5,7,9,11六個(gè)奇數(shù)的聯(lián)結(jié)組號.標(biāo)準(zhǔn)聯(lián)結(jié)組：

Y，y接法和D，d接法可以有0、2、4、6、8、10等6個(gè)偶數(shù)聯(lián)結(jié)組別，Y，d接法和D，d接法可以有1、3、5、7、9、11等6個(gè)奇數(shù)組別，因此三相變壓器共有12個(gè)不同的聯(lián)結(jié)組別。為了使用和制造上的方便，我國國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定只生產(chǎn)下列5種標(biāo)準(zhǔn)聯(lián)結(jié)組別的電力變壓器，即Y，yn0；Y，d11；YN，d11；YN，y0；Y，y0。其中以前3種最為常用。對于單相變壓器，標(biāo)準(zhǔn)聯(lián)結(jié)組為I，I0。二、三相變壓器空載電動(dòng)勢的波形由于磁路存在著飽和現(xiàn)象，當(dāng)主磁通為正弦波時(shí)，勵(lì)磁電流為尖頂波，其中除基波外還主要包含有三次諧波。三相中三次諧波在時(shí)間上是同相位的！當(dāng)三相變壓器的一次繞組為YN或D接法，則三次諧波電流可以流通，各相磁化電流為尖頂波。在這種情況下，不論二次方是y接法或d接法，鐵心中的主磁通均為正弦波，因此各相電動(dòng)勢也為正弦波。對三相電動(dòng)勢波形無影響。當(dāng)一次繞組為Y接法，則勵(lì)磁電流的三次諧波沒有通路，無法流通，使相電動(dòng)勢波形發(fā)生變化，下面進(jìn)行詳細(xì)分析：5.6.3三相變壓器的并聯(lián)運(yùn)行理想狀態(tài)：未帶負(fù)載時(shí)，各變壓器之間無環(huán)流；帶上負(fù)載時(shí)，各變壓器能合理分擔(dān)負(fù)載，即負(fù)載能按容量大小成比例分配；滿足條件：各一次側(cè)額定電壓、二次側(cè)額定電壓分別相等，即變比相同。聯(lián)結(jié)組相同；短路阻抗標(biāo)幺值相等。1.自耦變壓器(1)自耦變壓器的結(jié)構(gòu)只有一個(gè)繞組。RLI1+－E1+－E2N1N2I2圖3.9自耦變壓器+U1－－U2+(2)自耦變壓器的工作原理≈

U1

U2

E1

E2=

N1

N2=kA上一頁5.7特種變壓器負(fù)載時(shí)磁動(dòng)勢平衡關(guān)系為：若忽略勵(lì)磁電流，則有：即：使用時(shí)應(yīng)注意：原、副邊千萬不能對調(diào)使用。容量關(guān)系：SN=U1NI1N=U2NI2N=U2N（I1N+I）=U2NI1N+U2NI自耦變壓器額定容量由兩部分組成:通過電磁感應(yīng)作用傳到二次側(cè)的電磁容量U2NI；直接由電路傳到二次側(cè)的傳導(dǎo)容量U2NI1N，傳導(dǎo)容量占總?cè)萘康?/k

主要優(yōu)缺點(diǎn)：

優(yōu)點(diǎn)：當(dāng)額定容量相同時(shí)，自耦變壓器與雙繞組變壓器相比，所耗材料少、體積小、造價(jià)低，損耗小，效率高。

缺點(diǎn)：由于自耦變壓器原、副繞組之間有直接電的聯(lián)系，因此用在電力系統(tǒng)中的三相自耦變壓器中性點(diǎn)必須可靠接地。當(dāng)高壓邊遭受過電壓時(shí)，會(huì)引起低壓邊嚴(yán)重過電壓，為避免這種危險(xiǎn)，需要在原、副邊都裝設(shè)避雷器。2儀用互感器儀用互感器有電壓互感器和電流互感器。使用互感器的目的是：1．與小量程的標(biāo)準(zhǔn)化電壓表和電流表配合測量高電壓、大電流；2．使測量回路與被測回路隔離，以保障工作人員和測試設(shè)備的安全；3．為各類繼電保護(hù)和控制系統(tǒng)提供控制信號。1）電壓互感器用低量程的電壓表測高電壓VR

N1（匝數(shù)多）保險(xiǎn)絲

N2（匝數(shù)少）~u（被測電壓）電壓表被測電壓=電壓表讀數(shù)

N1/N2