变压器的基本结构和额定值

1、2.1 变压器的基本结构和额定值 2.2 单相变压器的空载运行 2.3 单相变压器的负载运行 2.4 变压器基本方程、等效电路和相量图 2.5变压器的参数测定 2.6三相变压器变压器的运行特性 2.7标么值三相变压器 2.8变压器的运行特性 变压器是一种静止电器,它通过线圈间的电磁感应,将一种电压 等级的交流电能转换成同频率的另一种电压等级的交流电能. 2.9变压器的并联运行 第二章第二章 变压器变压器 2.1 变压器的基本工作原理和结构 2.1.1 基本工作原理和分类 一、基本工作原理 变压器的主要部件是铁心和套在铁心上的 两个绕组。两绕组只有磁耦合没电联系。在一 次绕组中加上交变电压，产生

2、交链一、二次绕 组的交变磁通，在两绕组中分别感应电动势。 1 u 1 e 2 e 2 u 1 i 2 i 1U 2U 1u 2u L Z dt d Ne dt d Ne 22 11 只要一、二 次绕组的匝数不 同，就能达到改 变压的目的。 二、分类 按用途分：电力变压器和特种变压器。 按绕组数目分：单绕组（自耦）变压器、双绕组变压器、三 绕组变压器和多绕组变压器。 按相数分：单相变压器、三相变压器和多相变压器。 按铁心结构分：心式变压器和壳式变压器。 按调压方式分：无励磁调压变压器和有载调压变压器。 按冷却介质和冷却方式分：干式变压器、油浸式变压器和 充气式变压器。 2.1.2 基本结构 一、

3、铁心 变压器的主磁路，为了提高导磁性能和减少铁损，用0.35mm 厚、表面涂有绝缘漆的硅钢片叠成。 变压器的电路，一般用绝缘铜线或铝线绕制而成。 油浸式变压器的器身浸在变压器油的油箱中。油是冷却介质， 又是绝缘介质。油箱侧壁有冷却用的管子（散热器或冷却器）。 将线圈的高、低压引线引到箱外，是引线对地的绝缘，担负着 固定的作用。 二、绕组 三、油箱 四、绝缘套管 此外，还有储油柜、吸湿器、安全气道、净油器和气体继电器。 2.1.3 型号与额定值 一、型号 型号表示一台变压器的结构、额定容量、电压等级、冷却方式 等内容，表示方法为 如OSFPSZ-250000/220表明自耦三相强迫油循环风冷三绕

4、组铜线有 载调压，额定容量250000kVA，高压额定电压220kV电力变压器。 二、额定值 三者关系： NNNNN NNNNN IUIUS: IUIUS: 2211 2211 33 三相 单相 此外，额定值还有额定频率、效率、温升等。 )kV(UU NN21 和额定电压 指长期运行时所能承受的工作电压 .,U U,U 1N N1N 电压对三相变压器指的是线二次的开路电压 是指一次侧加电压是指加在一次侧的额定 2 )kVA(SN额定容量 指铭牌规定的额定使用条 件下所能输出的视在功率。 )A(II NN21 和额定电流 指在额定容量下，允许长期通过的额定 电流。在三相变压器中指的是线电流 2.

5、2.1 电磁关系 一、空载运行时的物理情况 1 U 1 E 1 E 20 U 0 I )( 2 I 1 1U 2U 1u 2u 0 2 E 10R I 1 U 0 I 100 NIF 1 E 0 1 1 E 2 E 2.2 单相变压器的空载运行 主磁通与漏磁通的区别 二、各电磁量参考方向的规定 强调强调：磁通与产生它的电流之间符合右手螺旋定则；电动势与感 应它的磁通之间符合右手螺旋定则。 1）性质上： 与 成非线性关系； 与 成线性关系； 2）数量上： 占99%以上， 仅占1%以下； 3）作用上： 起传递能量的作用， 起漏抗压降作用。 0 0 0 I 0 I 1 1 0 1 三、感应电动势分析

6、 1、主磁通感应的电动势主电动势 t m sin 0 设 )90sin()90sin(2 0 1 0 1 0 11 tEtfN dt d Ne mm 则 m fNE 11 44.4有效值 m fNjE 11 44.4 相量 同理，二次主电动势也有同样的结论。 可见，当主磁通按正弦规律变化时，所产生的一次主电动势 也按正弦规律变化，时间相位上滞后主磁通 。主电动势的大小 与电源频率、绕组匝数及主磁通的最大值成正比。 0 90 2、漏磁通感应的电动势漏电动势 漏电动势也可以用漏抗压降来表示，即 根据主电动势的分析方法，同样有 m fNjE 111 44.4 111 44.4fNE 10011 XI

7、 jILjE 由于漏磁通主要经过非铁磁路径,磁路不饱和,故磁阻很大且为常 数,所以漏电抗 很小且为常数,它不随电源电压负载情况而变. 1 X 2.2.2 空载电流和空载损耗 一、空载电流 1、作用与组成 2、性质和大小 性质：由于空载电流的无功分量远大于有功分量，所以空载电流 主要是感性无功性质也称励磁电流； 0 I 空载电流 包含两个分量，一个是励磁分量，作用是建立磁场， 产生主磁通无功分量 ；另一个是铁损耗分量，作用是供变 压器铁心损耗有功分量 。 r I0 a I0 大小：与电源电压和频率、线圈匝数、磁路材质及几何尺寸有关， 用空载电流百分数I0%来表示： %100% 0 0 N I I

8、 I 3、波形 由于磁路饱和，空载电 流 与由它产生的主磁 通 呈非线性关系。 0 i 0 t 0 i 32 1 1 2 3 0 i 当磁通按正弦规律变化时， 空载电流呈尖顶波形。 当空载电流按正弦规律变 化时，主磁通呈平顶波形。 实际空载电流为是正弦波，但为了分析、计算和测量的方便，在 相量图和计算式中常用正弦的电流代替实际的空载电流。 二、空载损耗 对于已制成变压器，铁损与磁通密度幅值的平方成正比，与电 流频率的1.3次方成正比，即 空载损耗约占额定容量的0.2%1%，而且随变压器容量的增大而 下降。为减少空载损耗，改进设计结构的方向是采用优质铁磁材 料：优质硅钢片、激光化硅钢片或应用非晶

9、态合金。 变压器空载时，一次侧从电源吸收少量的有功功率 ，用来供 给铁损 和绕组铜损 。由于 和 均很小，所以 ， 即空载损耗近似等于铁损。 0 P Fe PP 0 0 I 1 R Fe P 1 2 0 RI 3 . 12 fBP mFe 小结 （1）一次侧主电动势与漏阻抗压降总是与外施电压平衡,若忽 略漏阻抗压降，则一次主电势的大小由外施电压决定. （2）主磁通大小由电源电压、电源频率和一次线圈匝数决定， 与磁路所用的材质及几何尺寸基本无关。 （3）空载电流大小与主磁通、线圈匝数及磁路的磁阻有关，铁 心所用材料的导磁性能越好，空载电流越小。 （4）电抗是交变磁通所感应的电动势与产生该磁通的电

10、流的比 值，线性磁路中，电抗为常数，非线性电路中，电抗的大小随 磁路的饱和而减小。 2.3 单相变压器的负载运行 2.3.1 负载运行时的电磁关系 变压器一次侧接在额定频率、额定电压的交流电源上，二次接 上负载的运行状态，称为负载运行。 1 U 1 I 2 I 2 U 111 INF 222 INF 010 INF 0 1 E 1 E 1 1 E 11I R 2 2 E 22I R 2.4 电动势方程、等效电路和相量图 一、电动势平衡方程和变比 1、电动势平衡平衡方程 （1）一次侧电动势平衡方程 0111010110111 IZEXI jRIERIEEU m fNEU 111 44. 4 忽略

11、很小的漏阻抗压降，并写成有效值形式，有 1 1 1 1 444444fN. U fN. E m 则 可见，影响主磁通 大小的因素有电源电压 、电源频率 和 一次侧线圈匝数 。 m 1 U 1 f 1 N （2）二次侧电动势平衡方程 220 EU 2、变比 定义 N N U U U U N N E E k 2 1 20 1 2 1 2 1 对三相变压器，变比为一、二次侧的相电动势之比，近似为额 定相电压之比，具体为 Y，d接线 N N U U k 2 1 3 N N U U k 2 1 3 D，y接线 1、等效电路 mmm ZIjXRIE 001 )( 一次侧的电动势平衡方程为 101 XI j

12、E 基于 表示法， 感应的 也用电抗压降表示，由于 在 铁心中引起 ，所以还要引入一个电阻 ，用 等效 ，即 1 E Fe p m R m RI 2 0Fe p 0110 1011 )()(IjXRIjXR ZIEU mm 空载时等效电路为 m R m X 1 X 1 R mmm ZXR,励磁电阻、励磁电抗、励磁阻抗。由于磁路具有饱 和特性，所以 不是常数，随磁路饱和程度增大而减小。 mmm jXRZ 11, XXRR mm 由于 ，所以有时忽略漏阻抗，空载等效电路 只是一个 元件的电路。在 一定的情况下， 大小取决于 的大 小。从运行角度讲，希望 越小越好，所以变压器常采用高导磁 材料，增大

13、 ，减小 ，提高运行效率和功率因数。 m Z 0 I 0 I m Z 1 U 0 I m Z 2、相量图 根据前面所学的方程，可作 出变压器空载时的相量图： （1）以 为参考相量 m m a I0 r I 0 0 I 1 E 1 E 2 E 1001 ,XI jIR （4） 10X I j 01I R 1 U （2） 与 同相， 超前 m ar III 000 ,90 0 a I0 r I 0 r I0 超前 1 E （3） 滞后 ,90 0 m 21,E E ,90 0 m （5） 1001 11 EU XI jIR 空载时,由一次磁动势 产生主磁通 ,负载时,产生 的磁动势为 一、二次的合

14、成磁动势 。由于 的大小取决于 ，只要 保持不变，由空载到负载， 基本不变，因此有磁动势平衡方程 0 0 21 FF 0 1 U 1 U 0 0 F 021 FFF 或 012211 INININ 用电流形式表示 L II k I II N N II 10 2 02 1 2 01 )()( 表明:变压器的负载电流分成两个分量,一个是励磁电流 ,用来产生 主磁通,另一个是负载分量 ,用来抵消二次磁动势的作用。 电磁关系将一、二次联系起来,二次电流增加或减少必然引起一次电 流的增加或减少. 0 I kII L / 21 负载运行时,忽略空载电流有: 1 2 2 12 1 1 N N kI I k

15、I I或 表明，一、二次电流比近似与匝数成反比。可见，匝数不同，不 仅能变电压，同时也能变电流。 二、电动势平衡方程 根据基尔霍夫电压定律可写出一二次侧电动势平衡方程 111111111 ZIEXI jRIEU 222222222 ZIEXI jRIEU L ZIU 22 三、折算 折算：将变压器的二次（或一次）绕组用另一个绕组来等效，同 时对该绕组的电磁量作相应的变换，以保持两侧的电磁关系不变。 目的：用一个等效的电路代替实际的变压器。 折算原则：1）保持二次侧磁动势不变；2）保持二次侧各功率或 损耗不变。 22 122 kUU EkEE k I I 2 2 2 2 2 2 2 22 2 2

16、 2 ZkZ RkRX RkR 方法：（将二次侧折算到一次侧) 折算后的方程式为 111111111 ZIEXI jRIEU 222222222 ZIEXI jRIEU 021 III 12 EE 01 IZE m L ZIU 22 根据折算后的方程，可以作出变压器的等效电路。 T型等效电路： 近似等效电路 简化等效电路： 其中 sss s s jXRZ XXX RRR 21 21 分别为短路电阻、短路电 抗和短路阻抗。 由简化等效电路可知，短路阻抗起限制短路电流的作用，由 于短路阻抗值很小，所以变压器的短路电流值较大，一般可达额 定电流的1020倍。 三、相量图 作相量图的步骤 对应T型等效

17、电路， 假定变压器带感性负 载。 2 1 U) 2 2 I ) 22 3RI ) 22 4IXj ) 12 )5EE 0 190 )6E m 超前 0 )7 I )()8 201 III 1 )9E 11 )10RI 11 )11IjX 1 )12 U 作相量图的步骤（假定变压器带感性负载）-对应简化等效电路 1121 21 222 IjXRIUU II ZIU SS 由等效电路可知 根据方程可作出简化相量图 2.5 变压器的参数测定 2.5.1 空载实验 一、目的：通过测量空载电流和一、二次电压及空载功率来计算 变比、空载电流百分数、铁损和励磁阻抗。 二、接线图 三、要求及分析 1）低压侧加

18、电压，高压侧开路； Fe pPXR 011 ,)3即和忽略 WA VV * * 曲线和 画出和测出向调节 范围内单方在电压 )()( , 2 . 10)2 1010 0020 1 UfPUfI PIU UU N 三、要求及分析 5）空载电流和空载功率必须是额定电压时的值，并以此求取励 磁参数； 6）若要得到高压侧参数，须折算； 7）对三相变压器，各公式中的电压、电流和功率均为相值； %100% 1 0 0 1 20 N N I I I U U K 22 2 0 0 0 1 mmm m N m RZX I P R I U Z 4）求出参数 2.5.2 短路实验 一、目的：通过测量短路电流、短路电

19、压及短路功率来计算变压 器的短路电压百分数、铜损和短路阻抗。 二、接线图 三、要求及分析 1）高压侧加电压，低压侧 短路； WA V * * ;)()( , 3 . 10,)2 曲线和画出 和测出对应的范围内变化 在让电流通过调节电压 ssss sss NS UfPUfI PIU II 3）同时记录实验室的室温； 4）由于外加电压很小，主磁通很 少，铁损耗很少，忽略铁损，认为 。 Cus PP 5）参数计算 22 2 1 2 1 sss N SN s s S N sN s s s RZX I P I P R I U I U Z 对T型等效电路： s s XXX RRR 2 1 2 1 21 2

20、1 6）温度折算：电阻应换算到基准工作温度 时的数值。 8）对三相变压器，各公式中的电压、电 流和功率均为相值； 7）若要得到低压侧参数，须折算； 四、短路电压： 短路时，当短路电流为额定值时一次所加的 电压，称为短路电压，记作 N CS SN IZU 1 75 0 短路电压也称为阻抗电压。 四、短路电压： 短路电压常用百分值表示。 %100%u : 1 75 1 s 0 N CS N U ZI 短路电压百分值 %100%u :)( 1 75 1 s 0 N CS N U RI 分量百分值有功短路电压电阻 %100%u :)( 1 1 s N SN U XI 分量百分值无功抗短路电压电 短路电

21、压的大小直接反映 短路阻抗的大小，而短路阻抗 又直接影响变压器的运行性能。 从正常运行角度看，希望 它小些，这样可使副边电压随 负载波动小些；从限制短路电 流角度，希望它大些,相应的短 路电流就小些。 2.6 三相变压器 2.6.1 磁路系统 一、组式磁路变压器 二、心式磁路变压器 特点是：三相磁路 彼此无关联。 特点是：三相磁路 彼此有关联。 1W 2W w 1V 2V v 1U 2U u 1U 2U 1u 2u 1V 2V 1v 2v 1W 2W 1w 2w u v w 2.6.2 电路系统 一、变压器的端头标号 绕组绕组 名称名称 单相变压器三相变压器 中性点 首端首端末端末端首端首端末

22、端末端 高压高压 绕组绕组 U1U2U1、V2、W1U2、V2、W2N 低压低压 绕组绕组 u1u2u1、v1、w1u2、v2、w2n 中压中压 绕组绕组 U1mU2mU1m、V1m、W1mU2m、V2m、W2mNm 二、单相变压器的极性 * 1U 2U 1u 2u * 1U 2U 1u 2u 1U 2U 1u 2u )I , I(I/I012连接组别为 )I ,I(I/I66连接组别为 一、二次绕组的同极性端 同标志时，一、二次绕组 的电动势同相位。 * * 1u 2u 1U 2U 1u 2u * * 1U 2U * * 1U 2U 1u 2u 一、二次绕组的同极性端 异标志时，一、二次绕组

23、 的电动势反相位。 三、三相变压器的连接组别 连接组别：反映三相变压器连接方式及一、二次线电动势（或 线电压）的相位关系。 三相变压器的连接组别不仅与绕组的绕向和首末端标志有关，而 且还与三相绕组的连接方式有关。 理论和实践证明，无论采用怎样的连接方式，一、二次侧线电动 势（可电压）的相位差总是300的整数倍。因此可以采用时钟表 示法 作为时钟的分针，指向12点， 作为时钟的时针， 其指向的数字就是三相变压器的组别号。组别号的数字乘以300， 就是二次绕组的线电动势滞后于一次侧电动势的相位角。 UV E uv E 三、三相变压器的连接组别 连接组别可以用相量图来判断： 若高压绕组三相标志不变，

24、低 压绕组三相标志依次后移，可 以得到Y,y4、Y,y8连接组别。 1、Y，y连接 UV E uv E 同名端在对应端，对应的相电 动势同相位，线电动势 和 也同相位，连接组别为Y，y0。 同理，若异名端在对应端，可得 到Y，y6、Y,y10和Y,y2连接组别。 三、三相变压器的连接组别 若高压绕组三相标志不变，低 压绕组三相标志依次后移，可 以得到Y,d3、Y,d7连接组别。 2、Y，d连接1 UV E uv E 同名端在对应端，对应的相电 动势同相位，线电动势 和 相差3300，连接组别为Y，d11。 同理，若异名端在对应端，可得 到Y，d5、Y,d9和Y,d1连接组别。 三、三相变压器的

25、连接组别 若高压绕组三相标志不变，低 压绕组三相标志依次后移，可 以得到Y,d5、Y,d9连接组别。 2、Y，d连接2 UV E uv E 同名端在对应端，对应的相电 动势同相位，线电动势 和 相差300，连接组别为Y，d1。 同理，若异名端在对应端，可得 到Y，d7、Y,d11和Y,d3连接组别。 总之，对于Y，y（或D，d）连接，可以得到0、2、4、6、8、 10等六个偶数组别；而Y，d（或D，y）连接，可以得到1、3、 5、7、9、11等六个奇数组别。 变压器的连接组别很多，为了便于制造和并联运行，国家 标准规定，Y，yn0、Y，d11、YN，d11、YN，y0和Y，y0连接 组为三相双

26、绕组电力变压器的标准连接组别。 其中前三种最为常用：Y,yn0 连接的二次绕组可以引出中线， 成为三相四线制，用作配电变压器时可兼供动力和照明负载。 Y,d11连接用于低压侧电压超过400V的线路中。YN,d11连接主要 用于高压输电线路中，使电力系统的高压侧可以接地。 2.7 标么值 标么值,就是指某一物理量的实际值与选定的同一单位的基准 值的比值,即 基准值 实际值 标么值 一、定义 二、基准值的确定 1、通常以额定值为基准值。 2、各侧的物理量以各自侧的额定值为基准； 线值以额定线值为基准值，相值以额定相值为基准值； 单相值以额定单相值为基准值，三相值以额定三相值为基准值； .,.,.U

27、B BB SSQPZZXREU的基准值为和的基准值为和的基准值为和 3、 三、优点 1、额定值的标么值为1。 2、百分值=标么值100% ； 3、折算前、后的标么值相等。线值的标么值=相值的标么值； 单相值的标么值=三相值的标么值； 4、某些意义不同的物理量标么值相等 * 0 * 1 I Z m 2* 0 * 0 * I P Rm * SNs UZ * SNs PR NN Pcos * NN Qsin * 四、缺点 标么值没有单位，物理意义不明确。 2.8 变压器的运行特性 2.8.1 电压变化率 用相量图可以推导出电压变化率的表达式： 定义：是指一次侧加50Hz额定电压、二次空载电压与带负载

28、后 在某功率因数下的二次电压之差，与二次额定电压的比值，即 电压变化率是表征变压器运行性能的重要指标之一,它大小反 映了供电电压的稳定性。 N N N U UU U UU U 2 22 2 220 )sincos( 2 * 2 * ss XRU 式中 N I I 2 2 称为负载系数 由表达式可知，电压变化率的大小与负载大小、性质及变压 器的本身参数有关。 . ,cossin. ,)0(; ,)0()0( 2 * 2 * 2 22 载时高 说明二次电压比空为负值时当也可能为负值 可能为正时带阻容性负载时低这时二次端电压比空载 为正值时和阻感性负载当变压器带阻性负载 URX U U ss .),

29、( , 22 称为变压器的外特性即 变化的规律二次端电压随负载电流时 因数一定当电源电压和负载功率 IfU * 2 U )( * 2 I 1.0 0 1.0 1cos 2 8 .0cos 2 8 . 0)cos( 2 为了保证二次端电压在允许范围之内,通常在变压器的高压侧 设置抽头,并装设分接开关,调节变压器高压绕组的工作匝数,来调节 变压器的二次电压。 2.8.2 电压调整 分接开关有两种形式：一种只能在断电情况下进行调节，称 为无载分接开关-这种调压方式称为无励磁调压；另一种可以 在带负荷的情况下进行调节，称为有载分接开关-这种调压方 式称为有载调压。 中、小型电力变压器一般有三个分接头，

30、记作UN 5%。大型 电力变压器采用五个或多个分接头,例UN 2x2.5%或UN 8x1.5%。 2.8.3 损耗、效率及效率特性 铁损耗与外加电压大小有关，而与负载大小基本无关，故也 称为不变损耗。 一、变压器的损耗 铜损耗也分基本铜损耗和附加铜损耗。基本铜损耗是在电流 在一、二次绕组直流电阻上的损耗；附加损耗包括因集肤效应引 起的损耗以及漏磁场在结构部件中引起的涡流损耗等。 变压器的损耗主要是铁损耗和铜损耗两种。 铁损耗包括基本铁损耗和附加铁损耗。基本铁损耗为磁滞损 耗和涡流损耗。附加损耗包括由铁心叠片间绝缘损伤引起的局部 涡流损耗、主磁通在结构部件中引起的涡流损耗等。 铜损耗大小与负载电

31、流平方成正比，故也称为可变损耗。 二、效率及效率特性 效率是指变压器的输出功率与输入功率的比值。 %100 1 2 P P 效率大小反映变压器运行的经济性能的好坏，是表征变压器 运行性能的重要指标之一。 CuFe CuFe ppP pp P p 21 11 2 2 2 22 2 2 0 cos )( N SNSN N Cu Fe SP PP I I p Pp 其中 %100) cos 1 ( 2 02 2 0 SNN SN PPS PP 变压器效率的大小与负载的大小、 功率因数及变压器本身参数有关。 效率特性：在功率因数一定时， 变压器的效率与负载电流之间的 关系=f(),称为变压器的效率特 性。 0 max 即当铜损耗等于铁损耗(可变损耗等于不变损耗)时,变压器效 率最大： :, 0率的条件则有变压器产生最大效令 d d 0 2 PP SNm 或 SN m P P 0 %100) 2cos 2 1 ( 02 0 max PS P Nm 为了提高变压器的运行效益，设计时应使变压器的铁损耗小些。 2.9 变压器的并联运行 2.9.1 并联运行的理想条件 并联运行的优点：1、提高供电的可靠性；2、提高供电的经济性。 并联运行是指将几台变压器的一、二次绕组分别接在一、二次侧 的公共母线上，共同向负载供电的运行方式。 并联运行的理想情况是： 1、空载时各变压器绕组