變壓器基本工作原理

第1章變壓器的基本知識和構(gòu)造1.1變壓器的基本原理和分類一、變壓器的基本工作原理變壓器是運(yùn)用電磁感應(yīng)定律把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。變壓器工作原理圖當(dāng)原邊繞組接到交流電源時，繞組中便有交流電流流過，并在鐵心中產(chǎn)生與外加電壓頻率相似的磁通，這個交變磁通同步交鏈著原邊繞組和副邊繞組。原、副繞組的感應(yīng)分別表達(dá)為則變比k：表達(dá)原、副繞組的匝數(shù)比，也等于原邊一相繞組的感應(yīng)電勢與副邊一相繞組的感應(yīng)電勢之比。變化變壓器的變比，就能變化輸出電壓。但應(yīng)注意,變壓器不能變化電能的頻率。二、電力變壓器的分類變壓器的種類諸多，可按其用途、相數(shù)、構(gòu)造、調(diào)壓方式、冷卻方式等不一樣來進(jìn)行分類。按用途分類：升壓變壓器、降壓變壓器；按相數(shù)分類：單相變壓器和三相變壓器；按線圈數(shù)分類：雙繞組變壓器、三繞組變壓器和自耦變壓器；按鐵心構(gòu)造分類：心式變壓器和殼式變壓器；按調(diào)壓方式分類：無載（無勵磁）調(diào)壓變壓器、有載調(diào)壓變壓器；按冷卻介質(zhì)和冷卻方式分類：油浸式變壓器和干式變壓器等；按容量大小分類：小型變壓器、中型變壓器、大型變壓器和特大型變壓器。三相油浸式電力變壓器的外形,見圖1，鐵心和繞組是變壓器的重要部件，稱為器身見圖2，器身放在油箱內(nèi)部。1.2電力變壓器的構(gòu)造一、鐵心1.鐵心的材料采用高磁導(dǎo)率的鐵磁材料—0.35～0.5mm厚的硅鋼片疊成。為了提高磁路的導(dǎo)磁性能，減小鐵心中的磁滯、渦流損耗。變壓器用的硅鋼片其含硅量比較高。硅鋼片的兩面均涂以絕緣漆，這樣可使疊裝在一起的硅鋼片互相之間絕緣。2.鐵心形式鐵心是變壓器的主磁路，電力變壓器的鐵心重要采專心式構(gòu)造。二、繞組1.繞組的材料銅或鋁導(dǎo)線包繞絕緣紙后來繞制而成。2.形式圓筒式、螺旋式、持續(xù)式、糾結(jié)式等構(gòu)造。為了便于絕緣，低壓繞組靠近鐵心柱，高壓繞組套在低壓繞組外面，兩個繞組之間留有油道。變壓器繞組外形如圖所示。三、油箱及其他附件1.油箱變壓器油的作用：加強(qiáng)變壓器內(nèi)部絕緣強(qiáng)度和散熱作用。規(guī)定：用質(zhì)量好的鋼板焊接而成，能承受一定壓力，某些部位必須具有防磁化性能。形式：大型變壓器油箱均采用了鐘罩式構(gòu)造；小型變壓器采用吊器身式。2.儲油柜作用：減少油與外界空氣的接觸面積，減小變壓器受潮和氧化的概率。在大型電力變壓器的儲油柜內(nèi)還安放一種特殊的空氣膠囊，它通過呼吸器與外界相通，空氣膠囊制止了儲油柜中變壓器油與外界空氣接觸。。3.呼吸器作用：內(nèi)裝硅膠的干燥器，與油枕連通，為了使潮氣不能進(jìn)入油枕使油劣化。硅膠對空氣中水份具有很強(qiáng)的吸附作用，干燥狀態(tài)狀態(tài)為蘭色，吸潮飽和后變?yōu)榉奂t色。吸潮的硅膠可以再生。4.冷卻器作用：加強(qiáng)散熱。裝配在變壓器油箱壁上，對于強(qiáng)迫油循環(huán)風(fēng)冷變壓器，電動泵從油箱頂部抽出熱油送入散熱器管簇中，這些管簇的外表受到來自風(fēng)扇的冷空氣吹拂，使熱量散失到空氣中去，通過冷卻后的油從變壓器油箱底部重新回到變壓器油箱內(nèi)。5.絕緣套管作用：使繞組引出線與油箱絕緣。絕緣套管一般是陶瓷的，其構(gòu)造取決于電壓等級。1kV如下采用實(shí)心磁套管，10～35kV采用空心充氣或充油式套管，110kV及以上采用電容式套管。為了增大外表面放電距離，套管外形做成多級傘形裙邊。電壓等級越高，級數(shù)越多。6.分接開關(guān)作用：用變化繞組匝數(shù)的措施來調(diào)壓。一般從變壓器的高壓繞組引出若干抽頭，稱為分接頭，用以切換分接頭的裝置叫分接開關(guān)。分接開關(guān)分為無載調(diào)壓和有載調(diào)壓兩種，前者必須在變壓器停電的狀況下切換；后者可以在變壓器帶負(fù)載狀況下進(jìn)行切換。分接開關(guān)安裝在油箱內(nèi)，其控制箱在油箱外，有載調(diào)壓分接開關(guān)內(nèi)的變壓器油是完全獨(dú)立的，它也有配套的油箱、瓦斯繼電器、呼吸器。7.壓力釋放閥作用：為防止變壓器內(nèi)部發(fā)生嚴(yán)重故障而產(chǎn)生大量氣體，引起變壓器發(fā)生爆炸。8.氣體繼電器（瓦斯繼電器）作用：變壓器的一種保護(hù)裝置，安裝在油箱與儲油柜的連接管道中，當(dāng)變壓器內(nèi)部發(fā)生故障時（如絕緣擊穿、匝間短路、鐵芯事故、油箱漏油使油面下降較多等）產(chǎn)生的氣體和油流，迫使氣體繼電器動作。輕者發(fā)出信號，以便運(yùn)行人員及時處理。重者使斷路器跳閘，以保護(hù)變壓器。1.3變壓器的名牌數(shù)據(jù)一、型號型號表達(dá)一臺變壓器的構(gòu)造、額定容量、電壓等級、冷卻方式等內(nèi)容。例如：SL-500/10：表達(dá)三相油浸自冷雙線圈鋁線，額定容量為500kVA，高壓側(cè)額定電壓為10kV級的電力變壓器。二、額定值額定運(yùn)行狀況：制造廠根據(jù)國標(biāo)和設(shè)計(jì)、試驗(yàn)數(shù)據(jù)規(guī)定變壓器的正常運(yùn)行狀態(tài)。表達(dá)額定運(yùn)行狀況下各物理量的數(shù)值稱為額定值。額定值一般標(biāo)注在變壓器的銘牌上。變壓器的額定值重要有：額定容量SN：銘牌規(guī)定在額定使用條件下所輸出的視在功率。原邊額定電壓U1N：正常運(yùn)行時規(guī)定加在一次側(cè)的端電壓，對于三相變壓器，額定電壓為線電壓。副邊額定電壓U2N：一次側(cè)加額定電壓，二次側(cè)空載時的端電壓。原邊額定電流I1N：變壓器額定容量下原邊繞組容許長期通過的電流，對于三相變壓器，I1N為原邊額定線電流。副邊額定電流I2N：變壓器額定容量下原邊繞組容許長期通過的電流，對于三相變壓器，I2N為副邊額定線電流。單相變壓器額定值的關(guān)系式：三相變壓器額定值的關(guān)系式：額定頻率fN：我國工頻：50Hz；尚有額定效率、溫升等額定值。2.1變壓器的空載運(yùn)行變壓器空載運(yùn)行是指變壓器原邊繞組接額定電壓、額定頻率的交流電源，副邊繞組開路時的運(yùn)行狀態(tài)。變壓器空載運(yùn)行圖空載時各物理量產(chǎn)生的因果關(guān)系二、電勢與磁通的大小和相位關(guān)系設(shè)主磁通按正弦規(guī)律變化,根據(jù)電磁感應(yīng)定律可推導(dǎo)出原繞組感應(yīng)電勢同理可得因此，變壓器原、副繞組的感應(yīng)電勢大小與磁通成正比，與各自的匝數(shù)成正比，感應(yīng)電勢在相位上滯后磁通90°。三、原邊漏電抗和激磁電抗1.原邊漏電抗2.激磁電抗四、原副邊回路方程和等效電路1.電動勢平衡方程變壓器空載運(yùn)行時，各物理量的正方向一般按上圖標(biāo)定，根據(jù)基爾霍夫電壓定律，原邊回路方程為對于電力變壓器，空載時原繞組的漏阻抗壓降I0Z1很小，其數(shù)值不超過U1的0.2%，將I0Z1忽視，則有副邊回路方程2.空載時的等效電路Z1＜＜Zm、rm＜＜xm?？蛰d時電路功率因數(shù)都很小，空載電流I0重要是無功性質(zhì)，由于鐵磁材料的磁飽和性，引起空載電流I0的波形是尖頂波。但愿空載電流越小越好，因此變壓器采用高導(dǎo)磁率的鐵磁材料，以增大Zm減少I0。變壓器空載時既吸取無功功率，也吸取有功功率，無功功率重要用于建立主磁通，有功功率重要用于鐵耗。2.2變壓器負(fù)載運(yùn)行變壓器負(fù)載運(yùn)行是指變壓器原邊繞組接額定電壓、額定頻率的交流電源，副邊繞組接負(fù)載時的運(yùn)行狀態(tài)。變壓器負(fù)載運(yùn)行圖一、負(fù)載時電磁關(guān)系1.磁動勢平衡關(guān)系從空載到負(fù)載，由于變壓器所接的電源電壓U1不變，且U1≈E1，因此主磁通不變，負(fù)載時的磁動勢等于與空載時的磁動勢相等。即磁動勢平衡關(guān)系這表明，變壓器原、副邊電流與其匝數(shù)成正比，當(dāng)負(fù)載電流I2增大時，原邊電流I1將伴隨增大，即輸出功利增大時，輸入功率隨之增大。因此變壓器是一種能量傳遞裝置，它在變壓的同步也在變化電流的大小。2.原、副邊回路方程式按上圖所規(guī)定的正方向，根據(jù)基爾霍夫電壓定律，可寫出原、副邊回路方程式二、折算折算的目的：由于原、副邊回路只有磁路的耦合，沒有電路的直接聯(lián)絡(luò)，為了得到變壓器的等效電路，需對變壓器進(jìn)行繞組折算。折算：就是把副邊繞組匝數(shù)當(dāng)作與原邊繞組匝數(shù)相等時，對副邊回路各參數(shù)進(jìn)行的調(diào)整。折算原則是折算前后副邊磁動勢不變、副邊各部分功率不變，以保持變壓器內(nèi)部電磁關(guān)系不變。副邊各物理量的折算措施：折算后的基本方程式為三、負(fù)載時的等效電路1.T形等效電路根據(jù)折算后的基本方程式可以構(gòu)成變壓器的T形等效電路2.較精確等效電路由于Zm＞＞Z1，可把“T”形等效電路中的激磁支路移到電源端，便得變壓器的較精確等效電路，較精確等效電路的誤差很小。3.簡化等效電路在電力變壓器中，I0＜＜IN，因此，在工程計(jì)算中可忽視I0，即去掉激磁支路，將原、副邊的漏阻抗合并，而得到變壓器的簡化等效電路。對于簡化等效電路，可寫出變壓器的方程組簡化等效電路所對應(yīng)的相量圖在工程上，簡化等效電路及其方程式、相量圖給變壓器的分析和計(jì)算帶來很大的便利，得到廣泛應(yīng)用。2.3變壓器參數(shù)的測定一、空載試驗(yàn)1.變壓器的空載試驗(yàn)?zāi)康模呵蟪鲎儽萲、空載損耗pk和激磁阻抗Zm。2.空載試驗(yàn)的接線一般在低壓側(cè)加電壓，將高壓側(cè)開路3.空載試驗(yàn)的過程電源電壓由零逐漸升至1.2U1N，測取其對應(yīng)的U1、I0、p0。變壓器原邊加不一樣的電壓，建立的磁通不一樣，磁路的飽和程度不一樣，激磁阻抗不一樣，由于變壓器正常運(yùn)行時原邊加額定電壓，因此，應(yīng)取額定電壓下的數(shù)據(jù)來計(jì)算激磁阻抗。由變壓器空載時等效電路可知，因Z1＜＜Zm、r1＜＜rm，因此式中

p0—空載損耗，可作為額定電壓時的鐵耗。若要得到以高壓側(cè)為原邊的激磁參數(shù)，可將所測得的激磁參數(shù)乘以k2，k等于變壓器高壓側(cè)一相的電壓除以低壓側(cè)一相的電壓。對于三相變壓器，試驗(yàn)中測定的數(shù)據(jù)是線電壓、線電流和三相總功率，只要換算成一相的數(shù)據(jù)，就可直接代入上式計(jì)算。二、短路試驗(yàn)1.短路試驗(yàn)的目的：可測出短路阻抗Zk和變壓器的銅耗pk。2.短路試驗(yàn)的接線:一般在高壓側(cè)加電壓，將低壓側(cè)短路3.短路試驗(yàn)的過程電源電壓由零逐漸升高，使短路電流由零逐漸升高至1.2I1N，測取其對應(yīng)的Uk、Ik、pk。注意：由于變壓器短路阻抗很小，假如在額定電壓下短路，則短路電流可達(dá)（9.5～20）I1N，將損壞變壓器，因此做短路試驗(yàn)時，外施電壓必須很低，一般為（0.05～0.15）U1N，以限制短路電流。取額定電流點(diǎn)計(jì)算，因所加電壓低，鐵心中的磁通很小，鐵耗和勵磁電流可以忽視，使用簡化等效電路進(jìn)行分析pkN：短路損耗，指短路電流為額定電流時變壓器的損耗，pkN可作為額定電流時的銅耗。一般認(rèn)為：r1=r2′=0.5rk；x1=x2′=0.5xk將室溫下測得的短路電阻換算到原則工作溫度75℃時的值，而漏電抗與溫度無關(guān)。短路試驗(yàn)在任何一方做均可，高壓側(cè)參數(shù)是低壓側(cè)的k2倍，k等于變壓器高壓側(cè)一相的電壓除以低壓側(cè)一相的電壓。對于三相變壓器，試驗(yàn)中測定的數(shù)據(jù)是線電壓、線電流和三相總功率，只要換算成一相的數(shù)據(jù)，就可直接按單相變壓器計(jì)算。三、短路電壓短路電壓：在短路試驗(yàn)中，當(dāng)短路電流為額定電流時，原邊所加的電壓與額定電壓之比的百分值，即短路電壓是變壓器一種很重要的參數(shù)，其大小反應(yīng)了變壓器在額定負(fù)載時漏阻抗壓降的大小。從運(yùn)行角度來看，但愿Uk小某些，使變壓器輸出電壓隨負(fù)載變化波動小某些。但Uk太小，變壓器由于某種原因短路時短路電流太大，也許損壞變壓器。一般中、小型電力變壓器的Uk=4%～10.5%，大型電力變壓器的Uk=12.5%～17.5%。四、標(biāo)么值標(biāo)么值：實(shí)際值與該物理量某一選定的同單位的基值之比一般取各物理量對應(yīng)的額定值作為基值。取一、二次側(cè)額定電壓U1N、U2N作為一、二次側(cè)電壓的基值；取一、二次側(cè)額定電流I1N、I2N作為一、二次側(cè)電流的基值；一、二次側(cè)阻抗的基值分別為U1N/I1N、U2N/I2N。

在各物理量本來的符號上加上一上標(biāo)“*”來表達(dá)該物理量的標(biāo)么值。例如，U1*=U1/U1N。一、外特性和電壓變化率1.外特性外特性：指原邊加額定電壓，負(fù)載功率因數(shù)一定期，副邊電壓U2隨負(fù)載電流變化的關(guān)系，即U2=f(I2)。變壓器在純電阻和感性負(fù)載時，副邊電壓U2隨負(fù)載增長而減少，容性負(fù)載時，副邊電壓隨負(fù)載增長而也許升高。2.電壓變化率用變壓器的簡化相量圖可推導(dǎo)出電壓變化率的參數(shù)體現(xiàn)式電壓變化率的大小與負(fù)載的大小成正比。在一定的負(fù)載系數(shù)下，短路阻抗的標(biāo)么值越大，電壓變化率也越大。當(dāng)負(fù)載為感性時，△U為正值,闡明副邊電壓比空載電壓低；當(dāng)負(fù)載為容性時△U有也許為負(fù)值。當(dāng)△U為負(fù)值時，闡明副邊電壓比空載電壓高。為了保證變壓器的副邊波動在±5%范圍內(nèi)，一般采用變化高壓繞組匝數(shù)的措施來調(diào)整副邊電壓。二、變壓器的損耗和效率1.變壓器的損耗變壓器的損耗包括鐵耗和銅耗兩大類。鐵耗不隨負(fù)載大小變化，也稱為不變損耗；銅耗隨負(fù)載大小變化，也稱為可變損耗。2.變壓器的