第二章 變壓器的基本作用原理與理論分析

第一篇變壓器1第二章

變壓器的基本作用原理

與理論分析

22-1電力變壓器的基本結(jié)構(gòu)和額定值一、電力變壓器的基本結(jié)構(gòu)變壓器是一種靜止的電氣設(shè)備，它利用電磁感應(yīng)作用，將一種電壓、電流的交流電能變換為相同頻率的另一種電壓、電流的交流電能。3變壓器的用途主要用于電力系統(tǒng)：升壓變壓器、降壓變壓器、聯(lián)絡(luò)變壓器、配電變壓器。其他用途：整流設(shè)備、電爐、高壓試驗(yàn)、礦井配電、交通運(yùn)輸?shù)忍厥庥秒妶?chǎng)合的專用變壓器交流電能測(cè)量的儀用互感器實(shí)驗(yàn)設(shè)備、電子儀器和控制裝置等的小容量控制變壓器

4變壓器的分類按用途分：電力變壓器：升壓變壓器、降壓變壓器、聯(lián)絡(luò)變壓器、配電變壓器等特種變壓器：整流變壓器、電爐變壓器等儀用變壓器：電壓互感器、電流互感器

按鐵心結(jié)構(gòu)分：心式變壓器:工藝簡(jiǎn)單，易絕緣殼式變壓器電力系統(tǒng)中各種變壓器都用鐵心式。5按繞組數(shù)目分

雙繞組變壓器：一個(gè)初級(jí)繞組，一個(gè)次級(jí)繞組三繞組變壓器：容量較大，三種不同電壓自耦變壓器：初次級(jí)繞組合二為一所有變壓器的基本原理都是相同的按冷卻方式分油浸式變壓器：采用變壓器油用于加強(qiáng)絕緣和散熱干式變壓器：在不允許用油處使用，容量相對(duì)較小67電力變壓器基本結(jié)構(gòu)

鐵心，帶有絕緣的繞組，變壓器油，油箱，絕緣套管變壓器必須具有電路和磁路部分，電路部分由繞組構(gòu)成，磁路部分由鐵心構(gòu)成，繞組套裝在鐵心上，構(gòu)成器身，器身是變壓器的核心部分。89

鐵芯：鐵芯即為磁路，通過交變磁通；電工鋼片迭成，0.35mm，之間涂有絕緣漆；繞組：?jiǎn)蜗啵焊叩蛪豪@組分成兩部分分別套在兩邊的鐵芯柱上；三相：每個(gè)柱上有一相高低壓繞組；低壓繞組靠近鐵芯，高壓繞組套在低壓外面變壓器油

增強(qiáng)絕緣：介電常數(shù)大；散熱：比空氣導(dǎo)熱系數(shù)大；防潮：水分的存在使絕緣性能降低1011油箱儲(chǔ)油器：常為橢圓形，底部有沉積器（排水和排污）；油：需防潮，但不得不透氣；呼吸作用：熱脹冷縮；油枕：減小空氣與油的接觸面，上有通氣管道；排氣管：保護(hù)變壓器油箱；

氣體繼電器：故障時(shí)報(bào)警或自動(dòng)切斷變壓器電源；形狀：容量很小——平滑，容量大——管形，容量很大——裝散熱器12絕緣套管

中心導(dǎo)電桿+瓷套低電壓等級(jí)——瓷質(zhì)套管，較高電壓——充油瓷套，高電壓——導(dǎo)電桿上包表面附有鋁箔的絕緣紙筒，鋁箔間構(gòu)成電容器，使之承受高電壓13二、額定值（一）額定容量SN（VA，KVA）（二）額定電壓UN（V，KV）（三）額定電流IN（A）（四）額定頻率fN

（Hz）額定值是制造廠對(duì)變壓器在指定工作條件下運(yùn)行時(shí)所規(guī)定的一些量值，通常標(biāo)在銘牌上在額定狀態(tài)下，變壓器可以長(zhǎng)期可靠運(yùn)行，并具有優(yōu)良的性能14額定值的關(guān)系單相變壓器：三相變壓器：15

[例2-1]

一臺(tái)DJ-240/6型單相油浸自冷式變壓器的額定容量SN=240kVA，額定電壓U1N/U2N=6.3kV/0.23kV。求變壓器一、二次繞組的額定電流。16

[例2-2]

一臺(tái)SCL-800/10型環(huán)氧樹脂澆注三相鋁線干式變壓器的額定容量SN=800kVA，額定電壓U1N/U2N=10kV/0.4kV。求變壓器一、二次繞組的額定電流。17182-2

變壓器的空載運(yùn)行19一、變壓器空載運(yùn)行時(shí)的

電磁物理現(xiàn)象202122二、電磁量的正方向1)首先規(guī)定電源電壓u1的正方向,方向是由上向下。2)根據(jù)電源電壓的正方向確定初級(jí)繞組的電流i0的方向

;3)根據(jù)初級(jí)繞組的電流方向和初級(jí)繞組的繞向確定鐵心中主磁通的方向

——符合右手螺旋法則;4)根據(jù)主磁通方向和初級(jí)繞組的繞向確定初級(jí)繞組中感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)e1的方向——符合右手螺旋法則;5)根據(jù)主磁通方向和次級(jí)繞組的繞向確定次級(jí)繞組中感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)e2的方向;6)最后根據(jù)次級(jí)繞組的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)確定次級(jí)繞組的端電壓u20和電流i2的方向.23三、感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)、電壓變比變壓器在額定電壓下空載運(yùn)行時(shí)，因此，很小，且也很小，若略去不計(jì)，則

當(dāng)外施電壓u1是正弦交變電壓時(shí)，和e1、e2也都是按正弦規(guī)律變化，設(shè)2425變比關(guān)系：26四、勵(lì)磁電流27（一）磁路飽和對(duì)勵(lì)磁電流大小的影響

（二）磁路材料性質(zhì)對(duì)勵(lì)磁電流大小的影響28（三）磁路飽和對(duì)勵(lì)磁電流波形的影響293031（四）磁滯現(xiàn)象對(duì)勵(lì)磁電流的影響3233

i0為一不對(duì)稱的尖頂波，可分解為；對(duì)稱尖頂波+正弦波勵(lì)磁電流i0的基波不再與主磁通Ф同相，而是超前一個(gè)小角度α，再考慮渦流損耗，則i0超前Ф的角度要更大一些。

i0不是正弦的，不能用相量表示，為了工程計(jì)算和測(cè)量方便，通常用等效正弦波電流來替代，故可用正弦量或相量表示。等效原則：頻率相同；相位相同，超前磁通；有效值相同勵(lì)磁電流分解：

磁化電流（無功分量），與同相，滯后

900

；磁滯電流（有功分量），超前

900

，與同相；34（五）渦流對(duì)勵(lì)磁電流的影響交變磁通在鐵芯中感應(yīng)電勢(shì)，產(chǎn)生渦流及渦流損耗。

渦流電流（有功分量），與同相位。由于磁路飽和、磁滯和渦流三者同時(shí)存在，激磁電流實(shí)際包含、和

三個(gè)分量；又由于

和

同相位，合并稱為鐵耗電流分量，用

表示。35五、勵(lì)磁特性的電路模型3637六、漏磁通與漏電抗X1

反映了I0產(chǎn)生漏磁通并感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的作用，由于漏磁路是線性的，所以x1是常數(shù)。38七、電路方程、等效電路和相量圖考慮變壓器初級(jí)繞組的電阻r1和漏磁通的影響

3940

[例2-3]

一臺(tái)三相電力變壓器，Y,y0接法，額定容量SN=100kVA，額定電壓U1N/U2N=6kV/0.4kV，每相參數(shù)：一次繞組漏阻抗Z1=r1+jx1=(4.2+j9)

，勵(lì)磁阻抗Zm=rm+jxm=(514+j5526)。試計(jì)算：

（1）勵(lì)磁電流及其與額定電流的比值；

（2）空載損耗；

（3）一次繞組相電壓、相感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)及漏阻抗壓降。414243（一）分析方法首先是“先簡(jiǎn)后繁”，即先將變壓器看作是一臺(tái)理想的變壓器，然后再逐步考慮鐵耗、漏磁通和一次繞組電阻。二是“非線性問題線性化”。三是“電磁現(xiàn)象電路化”，即用電路參數(shù)來表征電磁現(xiàn)象。（二）重點(diǎn)本節(jié)的重點(diǎn)是變壓器空載運(yùn)行時(shí)的電路方程、相量圖和等效電路。這三者的關(guān)鍵是電路方程。442-3

變壓器負(fù)載運(yùn)行45一、負(fù)載運(yùn)行時(shí)的電磁物理現(xiàn)象4647二、基本方程式（一）磁動(dòng)勢(shì)平衡方程式（二）電壓平衡方程式48三、繞組歸算繞組歸算——用一假想的繞組替代其中一個(gè)繞組使成為k＝1的變壓器。歸算量在原符號(hào)加上標(biāo)號(hào)區(qū)別，歸算后的值稱為歸算值或折算值。原則：歸算不改變實(shí)際變壓器內(nèi)部的電磁平衡關(guān)系以次級(jí)繞組歸算到初級(jí)為例，即49（一）次級(jí)電流的歸算值原則：歸算前后磁勢(shì)應(yīng)保持不變（二）次級(jí)電動(dòng)勢(shì)和電壓的歸算值原則：歸算前后次級(jí)電磁功率平衡50（三）次級(jí)電阻的歸算值（四）次級(jí)漏抗的歸算值（包括負(fù)載阻抗）原則：歸算前后銅耗不變?cè)瓌t：歸算前后漏電抗上無功損耗不變51四、歸算后的基本方程式、

等效電路和相量圖525354五、近似等效電路和簡(jiǎn)化等效電路5556

[例2-4]一臺(tái)三相電力變壓器的額定容量SN=800kVA，額定電壓U1N/U2N=10/0.4kV，已知初級(jí)繞組每相電阻r1=0.73

，漏電抗x1=3.5，次級(jí)繞組每相電阻r2=0.0013，漏電抗x2=0.0062，勵(lì)磁支路rm=81.2，xm=2505。變壓器Yy0聯(lián)接，次級(jí)側(cè)接三相對(duì)稱負(fù)載運(yùn)行，每相負(fù)載阻抗ZL=0.17+j0.08。試計(jì)算：(1)

變壓器初、次級(jí)側(cè)電流和勵(lì)磁電流；(2)

負(fù)載端電壓；(3)

輸入及輸出的有功功率和無功功率。572-4

標(biāo)幺值一、標(biāo)幺值的定義二、基值基值采用下標(biāo)“b”表示標(biāo)幺值均用下標(biāo)“*”表示初級(jí)、次級(jí)應(yīng)采用不同的基值一般取額定值做基值58

基值選?。簶?biāo)幺值：591．計(jì)算方便，容易判斷計(jì)算錯(cuò)誤2．采用標(biāo)么值計(jì)算同時(shí)也起到了歸算作用

3．采用標(biāo)么值更能說明問題實(shí)質(zhì)三、標(biāo)幺值的優(yōu)點(diǎn)60

[例2-5]

一臺(tái)三相電力變壓器的額定容量SN=800kVA，額定電壓U1N/U2N=10/0.4kV，已知初級(jí)繞組每相電阻r1=0.73

，漏電抗x1=3.5，次級(jí)繞組每相電阻r2=0.0013，漏電抗x2=0.0062，勵(lì)磁支路rm=81.2，xm=2505。變壓器Y,y0聯(lián)接，次級(jí)側(cè)接三相對(duì)稱負(fù)載運(yùn)行，每相負(fù)載阻抗ZL=0.17+j0.08。試用標(biāo)幺值計(jì)算：(1)

變壓器初、次級(jí)側(cè)電流和勵(lì)磁電流；(2)

負(fù)載端電壓；(3)

輸入及輸出的有功功率。612-5

等效電路參數(shù)的測(cè)定62一、空載試驗(yàn)6364可測(cè)量變比、勵(lì)磁阻抗、勵(lì)磁電阻、勵(lì)磁電抗和空載損耗為了試驗(yàn)方便和安全，空載試驗(yàn)通常在低壓側(cè)做，即在低壓側(cè)加額定電壓。對(duì)三相變壓器，計(jì)算時(shí)電壓、電流和空載損耗均要用一相的值。65二、短路試驗(yàn)6667可測(cè)量短路阻抗、短路電阻、短路電抗和負(fù)載損耗為了試驗(yàn)方便，短路試驗(yàn)通常在高壓側(cè)做，即在高壓側(cè)加電壓。對(duì)三相變壓器，計(jì)算時(shí)電壓、電流和短路損耗均要用一相的值。分離初、次級(jí)電阻；通常假定國標(biāo)規(guī)定，短路電阻應(yīng)歸算到75度時(shí)的值。68短路電壓短路電流等于額定電流時(shí)的外施電壓以額定電壓百分?jǐn)?shù)表示69以標(biāo)幺值表示短路電阻標(biāo)幺值70

[例2-6]SCL-1000/10型干式鋁線電力變壓器的額定數(shù)據(jù)為：SN=1000kVA，U1N/U2N=10/0.4kV，D,y聯(lián)接。在低壓側(cè)進(jìn)行空載試驗(yàn)，測(cè)得U0=400V，I0=36A，P0=2800W；在高壓側(cè)進(jìn)行短路試驗(yàn)，測(cè)得Uk=600V，Ik=I1N，Pk=7530W，環(huán)境溫度為20C。試求變壓器的參數(shù)。

712-6

變壓器的運(yùn)行特性變壓器運(yùn)行性能的主要指標(biāo)：電壓變化率（又稱電壓調(diào)整率）效率72一、次級(jí)端電壓的變化1.變壓器外特性732.電壓變化率74由于后一項(xiàng)很小，所以計(jì)算時(shí)可略去，簡(jiǎn)化成

75二、變壓器的效率76認(rèn)為負(fù)載運(yùn)行時(shí)鐵耗不變，近似等于空載損耗，即認(rèn)為負(fù)載運(yùn)行時(shí)銅耗與負(fù)載電流的平方成正比，且額定負(fù)載時(shí)的銅耗等于負(fù)載損耗或

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[例2-7]例2-6中S