第七章變壓器

第七章變壓器

變壓器是一種常見的電氣設備，是一種靜止電機，它可以將一種電壓形式的電能轉換為另一種電壓形式的電能。在電力系統(tǒng)和電子線路中應用廣泛。變電壓：電力系統(tǒng)

變阻抗：電子線路中的阻抗匹配變電流：電流互感器

變壓器的主要功能有：變壓器概述變壓器的分類電壓互感器電流互感器按用途分電力變壓器(輸配電用)儀用變壓器整流變壓器變壓器符號

發(fā)電廠1.05萬伏輸電線22萬伏升壓變電站1萬伏降壓

變壓器應用舉例…降壓實驗室380/220伏降壓儀器36伏降壓電力變壓器：電力系統(tǒng)中傳輸和分配電能用的變壓器等。7.1.1變壓器的基本結構第一節(jié)變壓器的基本結構和工作原理鐵心繞組其他部件變壓器的基本結構1.鐵心鐵心由心柱和鐵軛兩部分組成。心柱用來套裝繞組，鐵軛將心柱連接起來，使之形成閉合磁路。為減少鐵心損耗，鐵心用厚0.27-0.35mm的硅鋼片疊成，片上涂以絕緣漆，以避免片間短路。按照鐵心的結構，變壓器可分為心式和殼式兩種。變壓器的磁路繞組：一次繞組二次繞組單相變壓器+–+–由高導磁硅鋼片疊成厚0.35mm或0.5mm鐵心變壓器的電路一次繞組N1二次繞組N2鐵心變壓器符號變壓器的結構變壓器結構三相變壓器心式變壓器:

結構心柱被繞組所包圍。

特點心式結構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構。殼式變壓器:

結構鐵心包圍繞組的頂面、底面和側面。

特點殼式變壓器的機械強度較好，常用于低電壓、大電流的變壓器或小容量電訊變壓器。2.繞組定義變壓器的電路部分，用紙包或紗包的絕緣扁線或圓線（銅或鋁）繞成。

一次繞組:輸入電能的繞組。

二次繞組:輸出電能的繞組。高壓繞組的匝數(shù)多,導線細；低壓繞組的匝數(shù)少，導線粗。從高,低壓繞組的相對位置來看,變壓器的繞組可分為同心式和交迭式。同心式結構

同心式繞組的高、低壓繞組同心地套裝在心柱上。特點

同心式繞組結構簡單、制造方便，國產(chǎn)電力變壓器均采用這種結構。交疊式結構

交迭式繞組的高、低壓繞組沿心柱高度方向互相交迭地放置。交迭式繞組用于特種變壓器中。特點

心式變壓器線圈鐵心

殼式變壓器線圈鐵心

殼式變壓器

低壓繞組

高壓繞組同心式繞組

低壓繞組

高壓繞組交疊式繞組3.其他部件

器身油箱變壓器油典型的油浸電力變壓器散熱器絕緣套管分接開關繼電保護裝置等部件1）變壓器的型號7.1.2變壓器的銘牌變壓器的銘牌和技術數(shù)據(jù)SJL1000/10

變壓器額定容量(KVA)

鋁線圈

冷卻方式J:油浸自冷式F:風冷式相數(shù)S:三相D:單相

高壓繞組的額定電壓(KV)

2）額定值額定電壓U1N、U2N

變壓器二次側開路（空載）時，一次、二次側繞組允許的電壓值銘牌規(guī)定的各個繞組在空載、指定分接開關位置下的端電壓，單位為V或kV。三相變壓器指線電壓。

額定電流I1N、I2N

變壓器滿載運行時，一次、二次側繞組允許的電流值。根據(jù)額定容量和額定電壓算出的電流稱為額定電流，單位為A。三相變壓器指線電流。

額定容量

SN

傳送功率的最大能力。在銘牌規(guī)定的額定狀態(tài)下變壓器輸出視在功率的保證值，單位為kV或kVA。三相變壓器指三相容量之和。額定頻率

我國的標準工頻規(guī)定為50赫(Hz)。變壓器的效率()為減少渦流損耗，鐵心一般由導磁鋼片疊成。變壓器的損耗包括兩部分：銅損(PCu)：繞組導線電阻的損耗。渦流損耗：交變磁通在鐵心中產(chǎn)生的感

應電流(渦流)造成的損耗。磁滯損耗：磁滯現(xiàn)象引起鐵心發(fā)熱，造

成的損耗。

鐵損(PFe)：變壓器的效率為一般95%,負載為額定負載的(50~75)%時，最大。輸出功率輸入功率

基本銅耗：是指電流流過繞組時所產(chǎn)生的直流電阻損耗。1.銅耗雜散銅耗：主要指漏磁場引起電流集膚效應，使繞組的有效電阻增大而增加的銅耗，以及漏磁場在結構部件中引起的渦流損耗等。銅耗與負載電流的平方成正比，因而也稱為可變損耗。2.鐵耗

基本鐵耗：是變壓器鐵心中的磁滯和渦流損耗。雜散鐵耗：包括疊片之間的局部渦流損耗和主磁通在結構部件中引起的渦流損耗等。鐵耗可近似認為與或成正比，由于變壓器的一次電壓保持不變,故鐵耗可視為不變損耗。

7.1.3變壓器的工作原理單相變壓器+–+–一次繞組N1二次繞組N2鐵心

一次、二次繞組互不相連，能量的傳遞靠磁耦合。(1)原理圖?一個鐵心：提供磁通的閉合路徑。?兩個繞組：一次側繞組(原邊)N1,二次側繞組(副邊)N2。變壓器的工作原理變壓器---利用電磁感應原理，從一個電路向另一個電路傳遞電能或傳輸信號的一種電器.是電力系統(tǒng)中生產(chǎn)，輸送，分配和使用電能的中的重要裝置也是電力拖動系統(tǒng)和自動控制系統(tǒng)中電能傳遞或作為信號傳輸?shù)闹匾?。工作原?.當一次繞組接交流電壓后，就有激磁電流i0存在，該電流在鐵心中可產(chǎn)生一個交變的主磁通Φ。2.Ф在兩個繞組中分別產(chǎn)生感應電勢e1和e2e1=－N1dФ/dte2=－N2dФ/dt3.若略去繞組電阻和漏抗壓降，則以上兩式之比為：U1/U2≈(-e1)/(-e2)=N1/N2

4.U1/U2≈(-e1)/(-e2)=N1/N2=k，k定義為變壓器的變比。即：U1/U2=N1/N2從此式可以看出，若固定U1，只要改變匝數(shù)比即可達到改變電壓的目的了，即:若使N2>N1，則為升壓變壓器；若使N2<N1，則為降壓變壓器。1.電壓變換（匝比）K為變比結論：改變匝數(shù)比，就能改變輸出電壓。2.電流變換結論：一次、二次側電流與匝數(shù)成反比。3.阻抗變換由圖可知：+–+–+–

結論：變壓器一次側的等效阻抗模，為二次側所帶負載的阻抗模的K2倍。第二節(jié)變壓器的運行特性

什么是空載運行？變壓器的一次繞組接交流電源,二次繞組開路負載電流為零(即空載)時的運行情況,稱為空載運行。一.空載時的物理情況單相變壓器空載運行時的各物理量1.空載磁場空載電流i0

產(chǎn)生一個交變磁通勢i0N1，并建立交變磁場主磁通?m通過鐵心閉合的磁通量（占絕大部分）漏磁通?1ó通過油和空氣閉合的磁通量（占少量）2.主磁通感應電動勢主磁通在一次繞組和二次繞組產(chǎn)生感應電動勢：e1(t)=-N1

dFm/dte2(t)=-N2

dFm/dt7.2.1單相變壓器的空載運行1)主磁通若u1

隨時間按正弦規(guī)律變化，則?m也按正弦規(guī)律變化，設則對e1有：e1(t)=-N1

dFm/dt=-wN1Fm

coswt=wN1Fm

sin(wt-90°)=E1msin(wt-90°)而對e2有：e2(t)=-N2

dFm/dt=-wN2Fm

coswt=wN2Fm

sin(wt-90°)=E2msin(wt-90°)所以e1和e2

也按正弦規(guī)律變化上式表明感應電動勢e1、e2

在相位上滯后于?m

的電角度是90°有效值是:因此，可得出：E1/E2=N1/N2≈U1/U2=k

式中k為變壓器的電壓比，即變比。定義K>1變壓器為降壓變壓器；K<1變壓器為升壓變壓器?？蛰d運行小結（1）感應電動勢E的大小與電源頻率f、繞組匝數(shù)N及鐵心中主磁通的最大值φm

成正比，在相位上滯后產(chǎn)生它的主磁通90度。而主磁通的大小由電源電壓、電源頻率和一次線圈匝數(shù)決定，與磁路所用材料的性質及幾何尺寸基本無關。（2）空載電流大小與主磁通、線圈匝數(shù)及磁路的磁阻有關。鐵心的飽和程度越高，則磁導率越低，勵磁電抗越小，空載電流越大。因此要合理選擇鐵心截面，使磁通密度Bm為最大。（3）鐵心所用材料的導磁性能越好，則勵磁電抗越大，空載電流越小。因此變壓器的鐵心均用高導磁的材料硅鋼片疊成。（4）氣隙對空載電流影響很大，氣隙越大，空載電流越大。因此要嚴格控制鐵心疊片接縫之間的氣隙。7.2.2單相變壓器負載運行變壓器帶有負載時，變壓器內的物理情況與空載時有所不同.變壓器負載運行時，二次繞組中的電流I2產(chǎn)生磁通勢I2N2由于電源電壓恒定U1=常數(shù)，則E1@

常數(shù)，?m@

常數(shù)產(chǎn)生主磁通的磁勢也不會改變，因此達到新的平衡的條件是：繞組的電流增量DI1所產(chǎn)生的磁通勢與二次繞組電流I2所產(chǎn)生的磁通勢相抵消，以維持主磁通基本不變。即這表明，二次繞組的電流增加時，一次繞組的電流就相應地增加，這樣，通過電磁感應作用，變壓器把電能從一次側傳遞到二次側。Dì1N1+

ì2N2=0

一、空載試驗（一）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。（二）接線圖：WAVV~**（三）要求及分析：1）為了便于測量和安全，通常在低壓側加電壓，高壓側開路；4）求出參數(shù)7.2.3變壓器參數(shù)的測定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、短路實驗一、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。二、接線圖三、要求及分析1）高壓側加電壓，低壓側短路；WAV~**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：6）溫度折算：電阻應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）若要得到低壓側參數(shù)，須折算；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。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。7.2.4變壓器的運行特性

在原邊繞組電壓保持額定，負載功率因數(shù)為常數(shù)時，變壓器副邊繞組端電壓U2隨負載電流I2變化的規(guī)律U2=f（I2）稱為變壓器的外特性。

1.001.01.變壓器的外特性

為了保證二次端電壓在允許范圍之內,通常在變壓器的高壓側設置抽頭,并裝設分接開關,調節(jié)變壓器高壓繞組的工作匝數(shù),來調節(jié)變壓器的二次電壓。從圖中可以看出：純電阻和感性負載時，外特性是下降的，容性負載時曲線上翹。純電阻時，電壓變化較小，感性和容性負載時電壓變化較大。2.電壓變化率：

一般供電系統(tǒng)希望要硬特性（隨I2的變化，U2

變化不大），電壓變化率約在5%左右。效率大小反映變壓器運行的經(jīng)濟性能的好壞，是表征變壓器運行性能的重要指標之一。3.變壓器的效率特性效率是指變壓器的輸出功率與輸入功率的比值。根據(jù)上式，可通過空載試驗和短路試驗，求出變壓器的鐵心損耗和銅損，然后計算效率。變壓器效率的大小與負載的大小、功率因數(shù)及變壓器本身參數(shù)有關。效率特性：在功率因數(shù)一定時，變壓器的效率與負載電流之間的關系η=f(β),稱為變壓器的效率特性。變壓器的效率特性曲線第三節(jié)

三相變壓器一、三相變壓器的磁路系統(tǒng)（一）三相組式變壓器特點是：三相磁路彼此無關。（二）三相心式變壓器特點是：三相磁路彼此有關聯(lián)。二、三相變壓器的電路系統(tǒng)－聯(lián)結組（一）變壓器的端頭標號繞組名稱單相變壓器三相變壓器中性點首端末端首端末端高壓繞組U1U2U1、V2、W1U2、V2、W2N低壓繞組u1u2u1、v1、w1u2、v2、w2n中壓繞組U1mU2mU1m、V1m、W1mU2m、V2m、W2mNm（二）單相變壓器的極性****一、二次繞組的同極性端同標志時，一、二次繞組的電動勢同相位。****一、二次繞組的同極性端異標志時，一、二次繞組的電動勢反相位。（三）三相變壓器的連接組別1、聯(lián)結組的定義定義：按一、二次側線電勢的相位關系,把變壓器繞組的連接分成各種不同的組合,稱為繞組的聯(lián)結組。2、聯(lián)結組的表達形式在三相變壓器中，對于一次繞組或二次繞組，主要采用星型和三角形兩種聯(lián)結形式。我國生產(chǎn)的三相電力變壓器常用Y,yn、Y,d、YN,d等三種聯(lián)結。3、聯(lián)結組別號的判定方法（1）時鐘表示法123456789101112將一次側線電勢的向量作為時鐘的分針，始終指向12（0）點；二次側線電勢的向量作為時鐘的時針，它所指的鐘點即為變壓器的聯(lián)結組別號。鐘表上時間的確定是由分針和時針在順時針方向的夾角確定的。（2）判定的步驟①繞組的連接形式UVWUVW各相繞組末端連接在一起，首端引出為星型連接。各相繞組首、末端依次連接在一起形成回路，首端引出為星型連接。②相序的判定UVW對于星型連接U、V、W為順向序，做向量圖是按照順時針方向畫圖。UVWEU.EV.Ew.UVW對于星型連接，逆相序時，做向量圖依然按照順時針方向畫圖。VWEU.EV.Ew.U對于三角型連接U、V、W為順向序，做向量圖是按照順時針方向畫圖。UVWUVWEU.EV.Ew.對于三角型連接為逆向序時，做向量圖是按照逆時針方向畫圖。WUVWEV.EW.EU.UV③同名端的判斷同名端是指一、二次側繞組相電動勢間的極性關系，用“.”標記。極性相同時為同名端，對應相電勢同向。EU.Eu.EU.Eu.反之為非同名端，對應相電勢反向。Uu④作向量圖判定組別號UVWuvwUVWEU.EV.Ew.EUV.uvwEuv.Eu.組別號為：Y,y0UVWUVWEU.EV.Ew.EUV.uvwEuv.Eu.組別號為：Y,y6180°UVWUVWUVWUVWUVWEU.EUV.uEu.vw組別號為：Y,d130°UVWUVWEU.EUV.uEu.vwEuv.330°組別號為：Y,d11

UVWUEU.EV.EW.VWEUV.vEV.uwEuV.180°組別號為：D,d6思考題有一三相變壓器，其一、二次繞組的同名端及端點標記如圖所示，試把該變壓器連成Y,d7。UVWUVWEU.EUV.uEuv.vEu.210°UVWUVWEU.EUV.uEuv.vEv.210°wvuwY,d7有一三相變壓器，其一、二次繞組的同名端及端點標記如圖所示，試把該變壓器連成D,d4。ＵＶＷＵＶＷEU.EUV.ＷEｖ.Ｅｕｖ．１２０°Eｕｖ.ｕｖｖｕＶｗｕ（四）聯(lián)結組別號的特點及應用1、特點：①當變壓器一、二次側繞組連接形式都為星型時，可得0、2、4、6、8、10、六個偶數(shù)組號。②當變壓器一次側繞組連接形式為星型，二次繞組連接形式為三角型時，可得1、3、5、7、9、11六個奇數(shù)組號。2、應用：為了制造和并聯(lián)運行時的方便，我國規(guī)定Y,yn0;Y,d11;YN,d11;YN,y0;Y,y0等五種作為三相電力變壓器的標準聯(lián)結組。三、三相變壓器的聯(lián)結法和磁路系統(tǒng)對電動勢波形的影響

i0中有無i03,看電路連接中有無i03通路，Y連接中，無i03通路,i0為正弦波;YN或D連接,i03可以在繞組中流過，i0為尖頂波。

單相變壓器，當磁路飽和時，u1為正弦波，Φ和e1也是正弦波，而i0為尖頂波——分解為基波i01和三次諧波i03（忽略其它高效次諧波）。

對三相變壓器，由于繞組的連接方式不同，i0

中可能i03

，使Φ和e1為非正弦波——同樣可分解為基波和三次諧波（忽略其它高效次諧波）。

Φ中有無Φ3

，看磁路結構，三相組式變壓器，Φ3可以在鐵心中流過，Φ為平頂波；三相心式變壓器，Φ3不能在鐵心中流過，只能借助油和油箱壁等形成回路，磁路磁阻很大，Φ3很小，Φ基本為正弦波。（一）Y，y聯(lián)結的三相變壓器的電動勢波形一次側Y接線，i03=0，i0為正弦波，磁通Φ應為平頂波。（2）對三相心式變壓器，Φ3不能在鐵心中流過，只能借助油和油箱壁等形成回路，磁路磁阻很大，Φ3很小，Φ基本為正弦波，感應電動勢e也基本為正弦波。但通過油箱壁時將產(chǎn)生渦流損耗，造成局部過熱，降低變壓器的效率，因此，容量不大于1600kVA的三相心式變壓器，才允許采用Y，d聯(lián)結。1、對三相變壓器組，Φ3可以在鐵心中存在，所以Φ為平頂波，感應電動勢e為尖頂波，其中的三次諧波幅值可達基波幅值的45%~60%，使相電動勢的最大值升高很多，可能擊穿繞組絕緣，因此，三相組式變壓器不采用Y，y連接。一次繞組Y連接，i03=0，i0為正弦波，Φ應為平頂波，其中的Φ3在二次繞組中感應電動勢e23，并在D內產(chǎn)生i23。i23建立的磁通Φ23大大削弱Φ3的作用，因此合成磁通和電動勢均接近正弦波。（二）D，y連接的三相變壓器的電動勢波形一次側D接線，i03可以流過，i0為尖頂波，磁通Φ應為正弦波，感應電動勢e也為正弦波。（三）Y，d連接的三相變壓器的電動勢波形結論：（1）變壓器一次側是YN連接時，電動勢波為正弦。（2）變壓器有一