《電機原理與維修》課件第1章

第1章變壓器的基本工作原理、分類和結構

1.1變壓器的基本工作原理1.2變壓器的分類1.3變壓器的基本結構和銘牌習題

1.1變壓器的基本工作原理1.1.1變壓器的用途變壓器是電力系統(tǒng)中使用最為廣泛的電氣設備之一，它的主要用途是用來升高或降低電壓。發(fā)電廠中發(fā)電機發(fā)出的電壓相對較低，要將這些電能輸送到較遠的用電地區(qū)，必須升高電壓，采用高壓輸電。當輸送的電功率一定時，電壓愈高，輸電電流愈小，線路上的電壓降和功率損耗也愈小，輸電線的有色金屬耗量也少。當電能輸送到用電中心后，需要用降壓變壓器將電壓降低，再輸送到配電系統(tǒng)供各種負載使用?？梢?，電力輸送過程中升壓和降壓都需要用變壓器來完成。據統(tǒng)計，電力系統(tǒng)中變壓器的安裝總容量約為發(fā)電機總容量的6～8倍。根據發(fā)、配電及用電要求的不同，電力系統(tǒng)中的電壓分為許多等級，500V及以下的電壓稱為低壓系統(tǒng)，3kV、6kV、35kV、110kV、220kV、330kV、500kV、750kV及以上稱為高壓系統(tǒng)。在電力系統(tǒng)中用作電能輸送與分配的變壓器稱為“電力變壓器”，如圖1-1所示。其次，變壓器在其他方面應用也十分廣泛，如電解、化工用的整流變壓器；冶煉用的電爐變壓器；焊接用的焊接變壓器；測量用的儀用變壓器等。變壓器除變換電壓外，還可變換電流和阻抗等。圖1-1電力系統(tǒng)示意圖1.1.2變壓器的基本工作原理變壓器是一種靜止的電氣設備，它是利用電磁感應原理工作的。它把輸入的電壓升高或降低為同頻率的交流電壓輸出，以滿足輸電、配電的需要。圖1-2所示是單相變壓器的工作原理示意圖。變壓器的主要部件是一個鐵芯和套在鐵芯上的兩個繞組N1和N2，其中繞組N1接交流電源，稱為原邊繞組或一次繞組，有些也稱為原邊；繞組N2接負載，稱為副邊繞組或二次繞組，有些也稱為副邊。原、副邊繞組具有不同的匝數且互相絕緣，它們之間只有磁的耦合而沒有電的聯(lián)系。圖1-2單相變壓器工作原理示意圖當原邊繞組N1接到交流電壓u1時，便有交流電流i1流入，因而在鐵芯中產生與u1同頻率的交變磁通。磁通同時與繞組N1和N2交鏈。根據電磁感應定律，交變磁通分別在繞組N1和N2中感應出同頻率的電動勢e1和e2，并且，

(1-1)式中：N1、N2為原、副邊繞組匝數。副邊繞組有了電動勢e2，便可向負載輸出電能。由于感應電動勢的大小與繞組的匝數成正比，因此，改變原邊繞組和副邊繞組的匝數即可改變副邊電壓的大小，這就是變壓器的基本工作原理。1.2變壓器的分類變壓器的應用十分廣泛，種類很多，其分類方法也很多，常用的有以下幾種：按用途分類，可分為電力變壓器和特種變壓器。電力變壓器主要用于輸、配電系統(tǒng)中，按功能又可分為升壓變壓器、降壓變壓器、配電變壓器、聯(lián)絡變壓器。特種變壓器可分為整流變壓器、電爐變壓器、試驗變壓器、調壓變壓器和焊接變壓器等。按結構形式分類，可分為單相變壓器和三相變壓器。按絕緣介質分類，可分為油浸式和干式變壓器。按繞組數目分類，可分為自耦變壓器、雙繞組變壓器、三繞組變壓器和多繞組變壓器。按鐵芯形式分類，可分為心式和殼式變壓器。按調壓方式分類，可分為有載調壓和無載調壓變壓器。按冷卻介質和冷卻方式分類，可分為油浸自冷式、油浸風冷式、強迫油循環(huán)風冷式、強迫油循環(huán)水冷式和氣冷式等。變壓器按其容量大小可分為五類，第Ⅰ類容量為100kV·A,電壓為10kV及以下；第Ⅱ類容量為125～630kV·A，電壓為10kV及以下。第Ⅰ、Ⅱ類為小型變壓器。第Ⅲ類容量為800～6300kV·A，電壓為35kV及以下，為中型變壓器。第Ⅳ類容量為8000～63000kV·A，電壓為35kV及以下，為大型變壓器。90000kV·A及以上為第Ⅴ類(特大型變壓器)。我國目前可以設計、制造容量為5×105kV·A、電壓為500kV的特大型變壓器。1.3變壓器的基本結構和銘牌變壓器的基本結構主要有：鐵芯、繞組、絕緣套管、箱體、分接開關及其附件。鐵芯和繞組是變壓器的主要部分，由它們組成變壓器的器身。油浸式變壓器的器身浸放在盛滿變壓器油的封閉油箱中，各繞組的出線端經絕緣套管引出。為了變壓器能夠安全、可靠地運行，通常還設有儲油柜、安全氣道和氣體繼電器等附件。圖1-3所示是三相油浸式電力變壓器的基本結構示意圖。圖1-3三相油浸式變壓器基本結構示意圖(a)SJ1系列變壓器；(b)S系列變壓器1.3.1鐵芯鐵芯是變壓器的磁路部分，也是繞組的支撐骨架，原邊繞組和副邊繞組都繞在鐵芯上。鐵芯分為鐵芯柱和鐵軛兩部分。裝配好的鐵芯形似窗戶框，套入繞組的垂直部分叫鐵芯柱，水平部分叫鐵軛，鐵軛將鐵芯柱連接起來形成閉合磁路,如圖1-4(a)所示。

1.鐵芯材料為了提高磁路的導磁性能，減少鐵芯損耗(鐵損、渦流及磁滯損耗)，鐵芯一般采用高磁導率的硅鋼片疊成。硅鋼片厚度為0.35mm或0.5mm，表面涂有絕緣漆膜，疊成鐵芯后片與片間是絕緣的。硅鋼片有熱軋和冷軋兩種，冷軋硅鋼片比熱軋硅鋼片磁導率高，損耗小。

2.鐵芯形式圖1-4(a)為變壓器的鐵芯結構，按繞組套入鐵芯柱的形式，鐵芯分為心式和殼式兩種，如圖1-4(b)、(c)所示。心式變壓器的原邊繞組和副邊繞組套在鐵芯柱上，鐵芯被繞組包圍，如圖1-4(b)所示。這種結構比較簡單，繞組的裝配及絕緣比較容易，適用于大容量，高電壓的變壓器。電力變壓器大多采用心式結構。殼式變壓器的鐵芯包圍繞組的上、下面和側面，如圖1-4(c)所示。這種結構機械強度好，鐵芯容易散熱，但耗用鐵芯材料較多，制造工藝較復雜。只有一些特殊變壓器(如電爐變壓器)和小型干式變壓器采用殼式結構。圖1-4變壓器鐵芯和形式(a)變壓器鐵芯；(b)心式變壓器；(c)殼式變壓器

3.鐵芯疊裝鐵芯一般由剪成一定形狀的硅鋼片疊裝而成。為了減小接縫間隙，提高導磁性能，減小勵磁電流，常采用交錯式疊裝，使相鄰層疊縫錯開。由于冷軋硅鋼片和熱軋硅鋼片導磁性能的不同，因此它們疊裝的方法也不同。熱軋硅鋼片疊裝的次序如圖1-5所示，冷軋硅鋼片疊裝的次序如圖1-6所示。疊裝之后，用特殊的緊固件夾緊，即組成了變壓器的鐵芯。由于各層硅鋼片的排列互不相同，因此在疊裝后各層的接縫不在同一點，這可以有效地提高導磁性能。目前，大、中型變壓器的鐵芯均采用圖1-6所示的疊裝方法。圖1-5熱軋硅鋼片疊法圖1-6冷軋硅鋼片疊法

4.鐵芯截面鐵芯柱截面的形狀通常有三種：正方形、矩形和階梯形。小型變壓器鐵芯柱截面形狀一般為正方形或矩形，如圖1-7(a)所示。大、中型變壓器的鐵芯柱截面一般做成階梯形或多級階梯形，以充分利用繞組內圓空間，如圖1-7(b)、(c)所示。當鐵芯柱直徑大于380mm時，芯柱中間還應留出油道，以利于鐵芯散熱。圖1-7鐵芯柱截面

(a)方形；(b)階梯形；(c)多級階梯形鐵軛的截面有矩形、T形和階梯形。為減小勵磁電流和鐵芯損耗，鐵軛截面積一般比鐵芯柱截面積大5%～10%，如圖1-8所示。隨著制造技術的發(fā)展，近年來還出現了一種漸開線形鐵芯變壓器，它的鐵芯柱硅鋼片是在專門的成型機上采用冷擠壓成型方法軋制而成的，鐵軛則是由同一寬度的硅鋼帶卷制成形，鐵芯柱按三角形方式布置，三相磁路完全對稱。漸開線形鐵芯變壓器的主要優(yōu)點是節(jié)省硅鋼片，便于生產機械化和減少裝配時間，如圖1-9所示。圖1-8鐵軛截面圖1-9三相漸開線形鐵芯1.3.2繞組繞組是變壓器的電路部分，一般用絕緣銅線或絕緣鋁線繞制而成。變壓器中，工作電壓高的繞組稱為高壓繞組，工作電壓低的繞組稱為低壓繞組。根據高、低壓繞組在鐵芯上套裝的位置及形狀，繞組可分為同心式和交疊式兩種類型。

1.同心式繞組同心式繞組是將高、低壓繞組同心地套裝在同一鐵芯柱上，如圖1-10(a)所示，為便于絕緣，低壓繞組套在靠近鐵芯柱，高壓繞組套在低壓繞組外面。高、低壓繞組之間留有通道，有利于繞組散熱、絕緣。這種繞組結構簡單、制造方便，電力變壓器常采用這種形式。它又分為圓筒式、螺旋式和連續(xù)式等幾種基本形式，如圖1-11所示。圖1-10同心式繞組與交疊式繞組(a)同心式繞組；(b)交疊式繞組圖1-11同心式繞組基本形式(a)圓筒式(雙層)；(b)螺旋式(多層)；(c)連續(xù)式(盤狀)

2.交疊式繞組交疊式繞組是把高、低壓繞組分成若干個線餅沿鐵芯柱交替排列，所以也稱為餅式繞組。為了便于絕緣，通常在最上層和最下層放置低壓繞組，如圖1-10(b)所示。這種繞組漏抗小、機械強度高，易構成多條并列支路，引出線方便，主要用于低電壓大電流的電焊、電爐變壓器及殼式變壓器中。1.3.3分接開關變壓器常用改變繞組匝數的方法來調整電壓比。通常從高壓繞組引出若干抽頭，即分接頭，然后與切換裝置連接在一起，即分接開關。分接開關分為有載調壓分接開關和無載調壓分接開關，前者必須在變壓器停電情況下切換，后者可以在不停電情況下切換。調節(jié)電壓的范圍是額定輸出電壓的±5%，原理如圖1-12所示。圖1-12電力變壓器的分接開關圖1-13絕緣套管1.3.4絕緣套管變壓器的各繞組引出線之間以及引出線與地(油箱)之間都需要絕緣，這種絕緣叫外絕緣。一般變壓器的引出線從油箱內部引到油箱外部時都必須經過絕緣套管，其作用是固定引出線并使引出線間及對地絕緣，如圖1-13所示。1.3.5油箱和保護裝置油箱是變壓器的外殼，內部裝有變壓器油，鐵芯和繞組。油箱的主要作用是保護鐵芯和繞組不受外力作用而損壞，并避免其受潮。變壓器油起絕緣、冷卻和滅弧作用。油箱一般用鋼板沖壓焊接而成，做成矩形或橢圓形。為加強散熱能力，中、小型變壓器在箱體壁上焊有許多空心散熱鋼管，利用變壓器油自身受熱循環(huán)進行冷卻。新型電力變壓器多采用片式散熱器散熱，如圖1-3(b)所示。容量大于10000kV·A的電力變壓器，采用風吹冷卻或強迫油循環(huán)冷卻裝置。為了保證變壓器油箱內經常充滿油，使變壓器油隨溫度變化時有脹縮的空間，防止潮氣侵入油箱，一般在油箱的上部還裝有一儲油柜，又稱為油枕，用連通管與油箱接通。如圖1-14所示，儲油柜上還裝有油標和吸濕器，儲油柜上部的空氣通過吸濕器與外界空氣相通。吸濕器也叫呼吸器，它內部裝有硅膠，用以過濾儲油柜內空氣中的雜質和水分。圖1-14儲油柜和保護裝置新型的全充油密封式電力變壓器不設儲油柜，運行時變壓器油的體積變化完全由設在側壁的膨脹式散熱器(金屬波紋油箱)來補償，變壓器端蓋與油箱焊為一體,設備免維護,運行安全可靠。變壓器的保護裝置主要有氣體繼電器和安全氣道，如圖1-14所示。氣體繼電器也稱瓦斯繼電器，它裝在儲油柜與油箱連接的管道中，當變壓器內部發(fā)生故障時，變壓器油產生氣體使繼電器動作。輕微故障時發(fā)出信號，嚴重故障時發(fā)出跳閘信號使斷路器跳閘，切斷電源。安全氣道也稱防爆管，裝在油箱的頂蓋上。它是一個鋼制圓空心筒，頂端口裝有一特制的玻璃片，下端口與油箱相連。當變壓器箱體內發(fā)生嚴重故障而氣體繼電器又失靈時，箱內壓力超過一定限度時，油和氣體將沖破玻璃片而噴出，防止油箱爆裂。近年來在一些變壓器中用壓力釋放閥代替防爆管，這種閥可以重復使用。此外，變壓器油箱蓋上還裝有測溫及溫度監(jiān)控裝置，以防變壓器油溫過高而受損。1.3.6銘牌每一臺變壓器出廠時都在其醒目位置裝有一塊銘牌，標明它的型號和主要參數，如圖1-15所示。其中主要的是額定值，所謂額定值，就是制造廠家根據國家標準，對變壓器正常運行時的有關參數所做的限額規(guī)定。在額定值范圍內運行時，可以保證變壓器長期可靠地工作。所以銘牌上的主要參數是指導用戶安全、經濟、合理使用變壓器的依據。圖1-15電力變壓器銘牌

1.型號型號用以表明變壓器的類型和所有特征，一般由字母和數字兩部分組成，形式如下：例如，型號SL7-1000/10表示該變壓器是一臺三相油浸自冷式雙繞組鋁線無載調壓式電力變壓器，設計序號為7，額定容量為1000kV·A，高壓繞組額定電壓為10kV。

2.額定容量SN額定容量是指變壓器額定工況運行狀態(tài)下輸出的視在功率，單位為kV·A、MV·A或V·A。由于變壓器的效率很高，原、副邊繞組容量可以認為是相等的，即額定容量。單相變壓器額定容量：三相變壓器額定容量：(1-2)

3.額定電壓U1N、U2N

U1N