第一章 变压器基本原理

1、4.1 变压器的基本工作原理变压器的基本工作原理4.1.1 变压器的用途变压器的用途变压器是电力系统中使用最为广泛的电气设备之一，它变压器是电力系统中使用最为广泛的电气设备之一，它的主要用途是用来升高或降低电压。发电厂中发电机发出的的主要用途是用来升高或降低电压。发电厂中发电机发出的电压相对较低，要将这些电能输送到较远的用电地区，必须电压相对较低，要将这些电能输送到较远的用电地区，必须升高电压，采用高压输电。当输送的电功率一定时，电压愈升高电压，采用高压输电。当输送的电功率一定时，电压愈高，输电电流愈小，线路上的电压降和功率损耗也愈小，输高，输电电流愈小，线路上的电压降和功率损耗也愈小，输电线

2、的有色金属耗量也少。当电能输送到用电中心后，需要电线的有色金属耗量也少。当电能输送到用电中心后，需要用降压变压器将电压降低，再输送到配电系统供各种负载使用降压变压器将电压降低，再输送到配电系统供各种负载使用。可见，电力输送过程中升压和降压都需要用变压器来完用。可见，电力输送过程中升压和降压都需要用变压器来完成。据统计，电力系统中变压器的安装总容量约为发电机总成。据统计，电力系统中变压器的安装总容量约为发电机总容量的容量的68倍。倍。第四章第四章 变压器变压器根据发、配电及用电要求的不同，电力系统中的电根据发、配电及用电要求的不同，电力系统中的电压分为许多等级，压分为许多等级，500 V及以下的

3、电压称为低压系统，及以下的电压称为低压系统，3 kV、6 kV、35 kV、110 kV、220 kV、330 kV、500 kV、750 kV及以上称为高压系统。在电力系统中用作电能输及以上称为高压系统。在电力系统中用作电能输送与分配的变压器称为送与分配的变压器称为“电力变压器电力变压器”，如图，如图4-1所示，所示，其次，变压器在其他方面应用也十分广泛，如电解、化其次，变压器在其他方面应用也十分广泛，如电解、化工用的整流变压器；工用的整流变压器； 冶炼用的电炉变压器；冶炼用的电炉变压器； 焊接用的焊焊接用的焊接变压器；接变压器； 测量用的仪用变压器等。测量用的仪用变压器等。变压器除变换电压

4、外，还可变换电流和阻抗等。变压器除变换电压外，还可变换电流和阻抗等。4-1电力系统示意图4.1.2 变压器的基本工作原理变压器的基本工作原理变压器是一种静止的电气设备，它是利用电磁变压器是一种静止的电气设备，它是利用电磁感应原理工作的。它把输入的电压升高或降低为同感应原理工作的。它把输入的电压升高或降低为同频率的交流电压输出，以满足输电、配电的需要。频率的交流电压输出，以满足输电、配电的需要。图图4-2所示是单相变压器的工作原理示意图。变所示是单相变压器的工作原理示意图。变压器的主要部件是一个铁芯和套在铁芯上的两个绕压器的主要部件是一个铁芯和套在铁芯上的两个绕组组N1和和N2，其中绕组，其中绕

5、组N1接交流电源，称为原边绕组接交流电源，称为原边绕组或一次绕组，有些也称为原边；或一次绕组，有些也称为原边； 绕组绕组N2接负载，称接负载，称为副边绕组或二次绕组，有些也称为副边。原、副为副边绕组或二次绕组，有些也称为副边。原、副边绕组具有不同的匝数且互相绝缘，它们之间只有边绕组具有不同的匝数且互相绝缘，它们之间只有磁的耦合而没有电的联系。磁的耦合而没有电的联系。图4-2 单相变压器工作原理示意图U1E1E2U2I1I2ZL变压器的基本结构AXe1U1高高U1+ e1=0一次侧等效电路(假定一次侧线圈电阻值为零)e2高ZLU2高U2e2=0二次侧等效电路变压器中各电磁量正方向的规定变压器中各

6、电磁量正方向的规定vU1的正方向：通常将的正方向：通常将U1的正方向规定为由绕组的始的正方向规定为由绕组的始端端A指向绕组末端指向绕组末端X，当，当A点电位高于点电位高于X点时，瞬时点时，瞬时值值u为正，否则为负。为正，否则为负。vI1的正方向：把变压器的原绕组看成电源的负载，的正方向：把变压器的原绕组看成电源的负载，I1的正方向应当与的正方向应当与U1的正方向一致，即的正方向一致，即“正电压产生正电压产生正电流正电流”。v磁通的正方向：与电流磁通的正方向：与电流I1的正方向符合右手螺旋定的正方向符合右手螺旋定则。则。vE1的正方向：的正方向：E1的正方向与的正方向与I1的正方向相同。的正方向

7、相同。vE2的正方向：由于变压器原副边的电势是由的正方向：由于变压器原副边的电势是由同一个磁通产生的，所以根据右手螺旋定则同一个磁通产生的，所以根据右手螺旋定则可以确定可以确定E2的方向。的方向。vI2的正方向：把变压器的副边看作负载的电源，的正方向：把变压器的副边看作负载的电源，按照按照“正电势产生正电流正电势产生正电流”的原则，的原则，I2的正方的正方向与向与E2的应该保持一致。的应该保持一致。vU2的正方向：的正方向：U2是电流是电流I2流过负载所产生的，流过负载所产生的，所以所以U2的正方向与的正方向与I2的正方向相同。的正方向相同。v总之：在电压产生电流和电流产生电压降的总之：在电压

8、产生电流和电流产生电压降的关系上，电流与电压的正方向一致，电压降关系上，电流与电压的正方向一致，电压降与电流的正方向相同；在电流产生磁通的关与电流的正方向相同；在电流产生磁通的关系上，遵循右手螺旋定则，在交变磁通产生系上，遵循右手螺旋定则，在交变磁通产生感应电动势的关系上，电势的正方向与产生感应电动势的关系上，电势的正方向与产生它的电流保持一致。它的电流保持一致。当原边绕组N1接到交流电压u1时，便有交流电流i1流入，因而在铁芯中产生与u1同频率的交变磁通 。磁通同时与绕组N1和N2交链。根据电磁感应定律，交变磁通 分别在绕组N1和N2中感应出同频率的电动势e1和e2，并且， (4-1)式中：

9、 N1、N2为原、副边绕组匝数。副边绕组有了电动势e2，便可向负载输出电能。由于感应电动势的大小与绕组的匝数成正比，因此，改变原边绕组和副边绕组的匝数即可改变副边电压的大小，这就是变压器的基本工作原理。tNetNedd dd2211变压器的应用十分广泛，种类很多，其分类方法也很变压器的应用十分广泛，种类很多，其分类方法也很多，常用的有以下几种：多，常用的有以下几种：按用途分类，可分为电力变压器和特种变压器。按用途分类，可分为电力变压器和特种变压器。电力变压器主要用于输、配电系统中，按功能又可分电力变压器主要用于输、配电系统中，按功能又可分为升压变压器、降压变压器、配电变压器、联络变压为升压变压

10、器、降压变压器、配电变压器、联络变压器。特种变压器可分为整流变压器、电炉变压器、试器。特种变压器可分为整流变压器、电炉变压器、试验变压器、调压变压器和焊接变压器等。验变压器、调压变压器和焊接变压器等。按结构形式分类，可分为单相变压器和三相变压按结构形式分类，可分为单相变压器和三相变压器及多相变压器。器及多相变压器。按绝缘介质分类，可分为油浸式和干式变压器。按绝缘介质分类，可分为油浸式和干式变压器。按铁芯形式分类，可分为心式和壳式变压器。按铁芯形式分类，可分为心式和壳式变压器。4.1.3 变压器的分类变压器的分类按冷却介质和冷却方式分类，可分为油浸自冷式、油按冷却介质和冷却方式分类，可分为油浸自

11、冷式、油浸风冷式、强迫油循环风冷式、强迫油循环水冷式和气冷浸风冷式、强迫油循环风冷式、强迫油循环水冷式和气冷式等。式等。变压器按其容量大小可分为五类，第变压器按其容量大小可分为五类，第类容量为类容量为100 kVA,电压为电压为10 kV及以下；及以下； 第第类容量为类容量为125630 kVA，电压为电压为10 kV及以下。第及以下。第、类为小型变压器。第类为小型变压器。第类类容量为容量为8006300 kVA，电压为，电压为35 kV及以下，为中型变及以下，为中型变压器。第压器。第类容量为类容量为800063 000 kVA，电压为，电压为35 kV及及以下，为大型变压器。以下，为大型变压

12、器。90000 kVA及以上为第及以上为第类类(特大特大型变压器型变压器)。我国目前可以设计、制造容量为。我国目前可以设计、制造容量为5105 kVA、电压为电压为500 kV的特大型变压器。的特大型变压器。变压器的基本结构主要有：变压器的基本结构主要有： 铁芯、绕组、铁芯、绕组、绝缘套管、箱绝缘套管、箱体、分接开关及其附件。体、分接开关及其附件。铁芯和绕组是变压器的主要部分，由它们组成变压铁芯和绕组是变压器的主要部分，由它们组成变压器的器身。油浸式变压器的器身浸放在盛满变压器油的器的器身。油浸式变压器的器身浸放在盛满变压器油的封闭油箱中，各绕组的出线端经绝缘套管引出。为了变封闭油箱中，各绕组

13、的出线端经绝缘套管引出。为了变压器能够安全、可靠地运行，通常还设有储油柜、安全压器能够安全、可靠地运行，通常还设有储油柜、安全气道和气体继电器等附件。图气道和气体继电器等附件。图4-3所示是三相油浸式电所示是三相油浸式电力变压器的基本结构示意图。力变压器的基本结构示意图。4.1.4变压器的基本结构变压器的基本结构图4-3 三相油浸式变压器基本结构示意图(a) SJ1系列变压器； (b) S系列变压器一、一、 铁芯铁芯铁芯是变压器的磁路部分，也是绕组的支撑骨架，原铁芯是变压器的磁路部分，也是绕组的支撑骨架，原边绕组和副边绕组都绕在铁芯上。铁芯分为铁芯柱和铁轭边绕组和副边绕组都绕在铁芯上。铁芯分为

14、铁芯柱和铁轭两部分。装配好的铁芯形似窗户框，套入绕组的垂直部分两部分。装配好的铁芯形似窗户框，套入绕组的垂直部分叫铁芯柱，水平部分叫铁轭，铁轭将铁芯柱连接起来形成叫铁芯柱，水平部分叫铁轭，铁轭将铁芯柱连接起来形成闭合磁路闭合磁路, 如图如图4-4(a)所示。所示。1. 铁芯材料铁芯材料为了提高磁路的导磁性能，减少铁芯损耗为了提高磁路的导磁性能，减少铁芯损耗(铁损、涡铁损、涡流及磁滞损耗流及磁滞损耗)，铁芯一般采用高磁导率的硅钢片叠成。，铁芯一般采用高磁导率的硅钢片叠成。硅钢片厚度为硅钢片厚度为0.35 mm或或0.5 mm，表面涂有绝缘漆膜，叠，表面涂有绝缘漆膜，叠成铁芯后片与片间是绝缘的。硅

15、钢片有热轧和冷轧两种，成铁芯后片与片间是绝缘的。硅钢片有热轧和冷轧两种，冷轧硅钢片比热轧硅钢片磁导率高，损耗小。冷轧硅钢片比热轧硅钢片磁导率高，损耗小。2. 铁芯形式铁芯形式图图4-4(a)为变压器的铁芯结构，按绕组套入铁芯柱的为变压器的铁芯结构，按绕组套入铁芯柱的形式，铁芯分为心式和壳式两种，如图形式，铁芯分为心式和壳式两种，如图4-4(b)、(c)所示。所示。心式变压器的原边绕组和副边绕组套在铁芯柱上，心式变压器的原边绕组和副边绕组套在铁芯柱上，铁芯被绕组包围，如图铁芯被绕组包围，如图4-4(b) 所示。所示。 这种结构比较简单，这种结构比较简单，绕组的装配及绝缘比较容易，适用于大容量，高

16、电压的绕组的装配及绝缘比较容易，适用于大容量，高电压的变压器。电力变压器大多采用心式结构。壳式变压器的变压器。电力变压器大多采用心式结构。壳式变压器的铁芯包围绕组的上、下面和侧面，如图铁芯包围绕组的上、下面和侧面，如图4-4 (c) 所示。所示。这种结构机械强度好，铁芯容易散热，但耗用铁芯这种结构机械强度好，铁芯容易散热，但耗用铁芯材料较多，制造工艺较复杂。只有一些特殊变压器材料较多，制造工艺较复杂。只有一些特殊变压器(如电如电炉变压器炉变压器)和小型干式变压器采用壳式结构。和小型干式变压器采用壳式结构。图4-4 变压器铁芯和形式(a) 变压器铁芯； (b) 心式变压器； (c) 壳式变压器3

17、. 铁芯叠装铁芯叠装铁芯一般由剪成一定形状的硅钢片叠装而成。为了铁芯一般由剪成一定形状的硅钢片叠装而成。为了减小接缝间隙，提高导磁性能，减小励磁电流，常采用减小接缝间隙，提高导磁性能，减小励磁电流，常采用交错式叠装，使相邻层叠缝错开。由于冷轧硅钢片和热交错式叠装，使相邻层叠缝错开。由于冷轧硅钢片和热轧硅钢片导磁性能的不同，因此它们叠装的方法也不同。轧硅钢片导磁性能的不同，因此它们叠装的方法也不同。热轧硅钢片叠装的次序如图热轧硅钢片叠装的次序如图4-5所示，冷轧硅钢片叠装所示，冷轧硅钢片叠装的次序如图的次序如图4-6所示。叠装之后，用特殊的紧固件夹紧，所示。叠装之后，用特殊的紧固件夹紧，即组成了

18、变压器的铁芯。由于各层硅钢片的排列互不相即组成了变压器的铁芯。由于各层硅钢片的排列互不相同，因此在叠装后各层的接缝不在同一点，这可以有效同，因此在叠装后各层的接缝不在同一点，这可以有效地提高导磁性能。目前，大、中型变压器的铁芯均采用地提高导磁性能。目前，大、中型变压器的铁芯均采用图图4-6所示的叠装方法。所示的叠装方法。图4-5 热轧硅钢片叠法 图4-6 冷轧硅钢片叠法二、二、 绕组绕组绕组是变压器的电路部分，一般用绝缘铜线或绝缘铝绕组是变压器的电路部分，一般用绝缘铜线或绝缘铝线绕制而成。变压器中，工作电压高的绕组称为高压绕组，线绕制而成。变压器中，工作电压高的绕组称为高压绕组，工作电压低的绕

19、组称为低压绕组。根据高、低压绕组在铁工作电压低的绕组称为低压绕组。根据高、低压绕组在铁芯上套装的位置及形状，绕组可分为同心式和交叠式两种芯上套装的位置及形状，绕组可分为同心式和交叠式两种类型。类型。1. 同心式绕组同心式绕组同心式绕组是将高、低压绕组同心地套装在同一铁芯同心式绕组是将高、低压绕组同心地套装在同一铁芯柱上，如图柱上，如图4-10(a)所示，为便于绝缘，低压绕组套在靠近所示，为便于绝缘，低压绕组套在靠近铁芯柱处，高压绕组套在低压绕组外面。高、低压绕组之铁芯柱处，高压绕组套在低压绕组外面。高、低压绕组之间留有通道，有利于绕组散热、绝缘。这种绕组结构简单、间留有通道，有利于绕组散热、绝

20、缘。这种绕组结构简单、制造方便，电力变压器常采用这种形式。它又分为圆筒式、制造方便，电力变压器常采用这种形式。它又分为圆筒式、螺旋式和连续式等几种基本形式，如图螺旋式和连续式等几种基本形式，如图4-11所示。所示。图图4-10 同心式绕组与交叠式绕组同心式绕组与交叠式绕组(a) 同心式绕组；同心式绕组；(b) 交叠式绕组交叠式绕组图图4-11 同心式绕组基本形式同心式绕组基本形式(a) 圆筒式圆筒式(双层双层)；(b) 螺旋式螺旋式(多层多层)；(c) 连续式连续式(盘状盘状)2. 交叠式绕组交叠式绕组交叠式绕组是把高、低压绕组分成若干个线饼沿铁交叠式绕组是把高、低压绕组分成若干个线饼沿铁芯柱

21、交替排列，所以也称为饼式绕组。为了便于绝缘，芯柱交替排列，所以也称为饼式绕组。为了便于绝缘，通常在最上层和最下层放置低压绕组，如图通常在最上层和最下层放置低压绕组，如图4-10(b)所示。所示。这种绕组漏抗小、机械强度高，易构成多条并列支路，这种绕组漏抗小、机械强度高，易构成多条并列支路，引出线方便，主要用于低电压大电流的电焊、电炉变压引出线方便，主要用于低电压大电流的电焊、电炉变压器及壳式变压器中。器及壳式变压器中。三、分接开关三、分接开关变压器常用改变绕组匝数的方法来调整电压比。通变压器常用改变绕组匝数的方法来调整电压比。通常从高压绕组引出若干抽头，即分接头，然后与切换装常从高压绕组引出若

22、干抽头，即分接头，然后与切换装置连接在一起，即分接开关。分接开关分为有载调压分置连接在一起，即分接开关。分接开关分为有载调压分接开关和无载调压分接开关，前者必须在变压器停电情接开关和无载调压分接开关，前者必须在变压器停电情况下切换，后者可以在不停电情况下切换。调节电压的况下切换，后者可以在不停电情况下切换。调节电压的范围是额定输出电压的范围是额定输出电压的5%，原理如图，原理如图4-12所示。所示。图图4-12 电力变压器的分接开关电力变压器的分接开关四、四、 绝缘套管绝缘套管将油箱中的变压器绕将油箱中的变压器绕组的输入，输出线从箱内组的输入，输出线从箱内与电网相接，对它的要求与电网相接，对它

23、的要求是绝缘性能和密封性能要是绝缘性能和密封性能要好。如图好。如图4-13所示。所示。图图4-13 绝缘套管绝缘套管五、五、 油箱和保护装置油箱和保护装置油箱是变压器的外壳，内部装有变压器油，铁芯和绕组。油箱是变压器的外壳，内部装有变压器油，铁芯和绕组。油箱的主要作用是保护铁芯和绕组不受外力作用而损坏，并避油箱的主要作用是保护铁芯和绕组不受外力作用而损坏，并避免其受潮。变压器油起绝缘、冷却和灭弧作用。油箱一般用钢免其受潮。变压器油起绝缘、冷却和灭弧作用。油箱一般用钢板冲压焊接而成，做成矩形或椭圆形。为加强散热能力，中、板冲压焊接而成，做成矩形或椭圆形。为加强散热能力，中、小型变压器在箱体壁上焊

24、有许多空心散热钢管，利用变压器油小型变压器在箱体壁上焊有许多空心散热钢管，利用变压器油自身受热循环进行冷却。新型电力变压器多采用片式散热器散自身受热循环进行冷却。新型电力变压器多采用片式散热器散热，容量大于热，容量大于10 000 kVA的电力变压器，采用风吹冷却或强迫的电力变压器，采用风吹冷却或强迫油循环冷却装置。油循环冷却装置。为了保证变压器油箱内经常充满油，使变压器油随温度变为了保证变压器油箱内经常充满油，使变压器油随温度变化时有胀缩的空间，防止潮气侵入油箱，一般在油箱的上部还化时有胀缩的空间，防止潮气侵入油箱，一般在油箱的上部还装有一储油柜，又称为油枕，用连通管与油箱接通。通过吸湿装有

25、一储油柜，又称为油枕，用连通管与油箱接通。通过吸湿器与外界空气相通。吸湿器也叫呼吸器，它内部装有硅胶，用器与外界空气相通。吸湿器也叫呼吸器，它内部装有硅胶，用以过滤储油柜内空气中的杂质和水分。以过滤储油柜内空气中的杂质和水分。图4-14 储油柜和保护装置新型的全充油密封式电力变压器不设储油柜，运行时变压器油新型的全充油密封式电力变压器不设储油柜，运行时变压器油的体积变化完全由设在侧壁的膨胀式散热器的体积变化完全由设在侧壁的膨胀式散热器(金属波纹油箱金属波纹油箱)来补偿，来补偿，变压器端盖与油箱焊为一体变压器端盖与油箱焊为一体, 设备免维护设备免维护, 运行安全可靠。运行安全可靠。变压器的保护装

26、置主要有气体继电器和安全气道，如图变压器的保护装置主要有气体继电器和安全气道，如图4-14所所示。气体继电器也称瓦斯继电器，它装在储油柜与油箱连接的管道示。气体继电器也称瓦斯继电器，它装在储油柜与油箱连接的管道中，当变压器内部发生故障时，变压器油产生气体使继电器动作。中，当变压器内部发生故障时，变压器油产生气体使继电器动作。轻微故障时发出信号，严重故障时发出跳闸信号使断路器跳闸，切轻微故障时发出信号，严重故障时发出跳闸信号使断路器跳闸，切断电源。安全气道也称防爆管，装在油箱的顶盖上。它是一个钢制断电源。安全气道也称防爆管，装在油箱的顶盖上。它是一个钢制圆空心筒，顶端口装有一特制的玻璃片，下端口

27、与油箱相连。当变圆空心筒，顶端口装有一特制的玻璃片，下端口与油箱相连。当变压器箱体内发生严重故障而气体继电器又失灵时，箱内压力超过一压器箱体内发生严重故障而气体继电器又失灵时，箱内压力超过一定限度时，油和气体将冲破玻璃片而喷出，防止油箱爆裂。近年来定限度时，油和气体将冲破玻璃片而喷出，防止油箱爆裂。近年来在一些变压器中用压力释放阀代替防爆管，这种阀可以重复使用。在一些变压器中用压力释放阀代替防爆管，这种阀可以重复使用。此外，变压器油箱盖上还装有测温及温度监控装置，以防变压此外，变压器油箱盖上还装有测温及温度监控装置，以防变压器油温过高而受损。器油温过高而受损。3.4.5 铭牌铭牌每一台变压器出

28、厂时都在其醒目位置装有一块每一台变压器出厂时都在其醒目位置装有一块铭牌，标明它的型号和主要参数，如图铭牌，标明它的型号和主要参数，如图4-15所示。其所示。其中主要的是额定值，所谓额定值，就是制造厂家根中主要的是额定值，所谓额定值，就是制造厂家根据国家标准，对变压器正常运行时的有关参数所做据国家标准，对变压器正常运行时的有关参数所做的限额规定。在额定值范围内运行时，可以保证变的限额规定。在额定值范围内运行时，可以保证变压器长期可靠地工作。所以铭牌上的主要参数是指压器长期可靠地工作。所以铭牌上的主要参数是指导用户安全、经济、合理使用变压器的依据。导用户安全、经济、合理使用变压器的依据。图4-15

29、 电力变压器铭牌1. 型号型号型号用以表明变压器的类型和所有特征，一般由字母和数字两部分组成，形式如下：例如，型号例如，型号SL7-1000/10表示该变压器是一台三相油浸自冷式表示该变压器是一台三相油浸自冷式双绕组铝线无载调压式电力变压器，设计序号为双绕组铝线无载调压式电力变压器，设计序号为7，额定容量为，额定容量为1000 kVA，高压绕组额定电压为，高压绕组额定电压为10 kV。2. 额定容量额定容量SN额定容量是指变压器额定运行状态下输出的视在功率，单位为kVA、MVA或VA。由于变压器的效率很高，原、副边绕组容量可以认为是相等的，即额定容量。单相变压器额定容量： 三相变压器额定容量：

30、NNNNNNNNNNIUIUSIUIUS22112211333. 额定电压额定电压U1N、U2NU1N是指变压器额定工况运行时，根据其绝缘强度和散热条件、规定加于原边绕组的电压；U2N指原边绕组加额定电压时，副边绕组侧空载(开路)时的电压U20，U2N=U20，单位为kV或V。三相变压器额定电压均指线电压。4. 额定电流额定电流I1N，I2N额定电流是根据绝缘和允许发热条件能长期通过绕组的电流。 此电流可通过额定容量、额定电压计算出来。单相变压器： 三相变压器： 三相变压器的额定电流均指线电流。(1-3)NNNNNNNNNNNNUSIUSIUSIUSI221122113,3,5. 额定频率额定

31、频率fN我国规定电力系统的额定频率(工频)为50 Hz。4.2 4.2 变压器的空载运行变压器的空载运行一、电压与电动势的关系一、电压与电动势的关系二、励磁电流二、励磁电流三、原绕组的电阻和漏磁通的影响三、原绕组的电阻和漏磁通的影响四、空载运行时的相量图及等效电路四、空载运行时的相量图及等效电路一、忽略绕组电阻及漏磁通时的电压与一、忽略绕组电阻及漏磁通时的电压与电动势的关系电动势的关系什么是空载运行？什么是空载运行？变压器一次绕组加上交流电压，二次绕组开路的运行情况。变压器一次绕组加上交流电压，二次绕组开路的运行情况。空载运行时的主磁通和漏磁通空载运行时的主磁通和漏磁通1.1.空载磁场空载磁场

32、空载电流空载电流 i0 产生一个交变磁通势产生一个交变磁通势 i0N1 ，为空载磁，为空载磁通势，在空载磁通势的作用下产生磁通。（通势，在空载磁通势的作用下产生磁通。（1）交变磁场主磁通交变磁场主磁通 m通过铁心闭合的磁通量（占通过铁心闭合的磁通量（占绝大部分）绝大部分）漏磁通漏磁通1o通过油和空气闭合的磁通量（占少通过油和空气闭合的磁通量（占少量）量）.2.2.主磁通感应电动势主磁通感应电动势主磁通在一次绕组和二次绕组产生感应电动势主磁通在一次绕组和二次绕组产生感应电动势：dtdNtem11)(dtdNtem22)(dtdNteoo111)(3. 3. 感应漏电动势感应漏电动势交链一次绕组的

33、漏磁通在交链一次绕组的漏磁通在一次绕组中感生漏电动势一次绕组中感生漏电动势)90sin()90sin(cos)(11111tEtNtNdtdNtemmmmtmsin设：设：则有而对而对 e2 e2 有：有：)90sin()90sin(cos)(22222tEtNtNdtdNtemmmm所以所以 e1 e1 和和 e2 e2 也按正弦规律变化也按正弦规律变化感应电动势感应电动势 e e1 1、e e2 2 在相位上滞后于在相位上滞后于 m m 的电角度是的电角度是 9090 有效值是有效值是: :mmmfNfNNE111144. 4222mmmfNfNNE222244. 4222当一次绕组上加上

34、额定电压当一次绕组上加上额定电压 U U1N 1N 时，时，一般规定此时二次绕组开路电压将是额定电压一般规定此时二次绕组开路电压将是额定电压 U U2N 2N ，2121N21NNEEUUN因此可以认为，变压器的电压比就是匝数比，在三因此可以认为，变压器的电压比就是匝数比，在三相变压器中，电压比规定为高压绕组的线电压与低相变压器中，电压比规定为高压绕组的线电压与低压绕组的压绕组的线电压之比线电压之比忽略绕组电阻和漏磁通时的电压与电动势忽略绕组电阻和漏磁通时的电压与电动势2211EUEU,v二、二、 励磁电流励磁电流我们知道，建立磁场时只需要从电源送入无功功我们知道，建立磁场时只需要从电源送入无

35、功功率，因此用来产生主磁通率，因此用来产生主磁通 的电流与主磁通的电流与主磁通 同同相位，而落后于电源电压相位，而落后于电源电压 的相位为的相位为90，称之为磁化电流，用称之为磁化电流，用 表示，在变压表示，在变压器中，也称之为励磁电流的无功分量。器中，也称之为励磁电流的无功分量。 磁滞和涡流损耗的结果都消耗了有功功率而在铁磁滞和涡流损耗的结果都消耗了有功功率而在铁心中转化为热，对变压器是不利的，所以变压器铁心心中转化为热，对变压器是不利的，所以变压器铁心材料应该选取磁滞回线瘦窄的软磁材料材料应该选取磁滞回线瘦窄的软磁材料(回线胖宽的回线胖宽的铁磁材料称为硬磁材料铁磁材料称为硬磁材料)，并且要

36、用片间彼此绝缘的，并且要用片间彼此绝缘的硅钢片叠成，这样可以尽量减少硅钢片叠成，这样可以尽量减少 的数值。的数值。 m.m.1.1.EUrI0.aI0.励磁电流励磁电流I I0 0I0与（与（-E1）之间夹角之间夹角0 0称为铁耗称为铁耗角的余角，一般的变压器都采取角的余角，一般的变压器都采取措施减少铁心损耗，故铁损耗角措施减少铁心损耗，故铁损耗角不大。铁损耗余角约为不大。铁损耗余角约为9090度。度。I I0 0比比m m在相位上超前了一个小在相位上超前了一个小角称为角称为铁耗角铁耗角00msinII00cosIIFe实际的原绕组具有电阻实际的原绕组具有电阻r1，励磁电流通过时，在原，励磁电

37、流通过时，在原绕组上产生电压降绕组上产生电压降 。 10.rI1.110.EjxrI）（1.1.10.1.EErIUs1.10.EzI上式称为变压器原边电压方程式。上式称为变压器原边电压方程式。 三、原绕组的电阻和漏磁通的影响三、原绕组的电阻和漏磁通的影响111jxrZ其中其中：其中：Z Z1 1原绕组漏阻抗原绕组漏阻抗 ； x x1 1漏电抗漏电抗 ； r r1 1原绕组电阻原绕组电阻四四. .空载运行时的相量图及等效电路空载运行时的相量图及等效电路1.1.空载运行时电势平衡方程空载运行时电势平衡方程变压器空载运行时，电动势平衡方程式如下：变压器空载运行时，电动势平衡方程式如下：由主磁通产生

38、的电势由主磁通产生的电势 E1 与产生主磁通的励磁电流与产生主磁通的励磁电流 I0 之间存在关系，可以直接用参数形式来表示，之间存在关系，可以直接用参数形式来表示，由于由于 I0 中有有功分量与无功分量，中有有功分量与无功分量，故故 -E1 可表示为可表示为 I0 流过一个阻抗时所引起的阻抗压流过一个阻抗时所引起的阻抗压降，即降，即)(101mmmjxrIZIE其中：其中：Z Zm m励磁阻抗励磁阻抗 ； x xm m励磁电抗励磁电抗 ； r rm m励磁电阻励磁电阻 变压器空载运行时原边电动势平衡方程式变压器空载运行时原边电动势平衡方程式mZIZIU01012.2.空载运行时等值电路空载运行

39、时等值电路3.3.空载运行时相量图空载运行时相量图)()(01100101101mmmjxrIjxrIzIzIEzIU【例例4-1】 一台三相变压器, SN=31 500 kVA，U1N=110 kV, U2N=10.5 kV，Y、d接法，原边绕组每相的电阻r1=1.21，x1=14.45，rm=1439.3 ，xm=14 161.3 ，试求： (1) 原、副边绕组额定电流I1N、I2N。(2) 变比k。(3) 空载电流I0及占原边绕组额定电流I1N的百分数。(4) 原边绕组相电压、相电势及空载时的漏抗压降。解解 (1) (2) A3 .1651011031031500333N1N1NUSIA

40、1 .1732105 .1031031500333N2N2NUSI05. 6105 .10310110333N21NUUk(3)A46. 4 )3 .1416145.14()3 .143921. 1 (310110 )()(32232m12m11N0 xxrrUI(4) 从例4-1题可以看出如下关系：%7 . 2%1003 .16546. 4%100N10IIV4 .63510310110331N1UU.78V634843 .141613 .143946. 422m01ZIEV83.4545.1421. 146. 42210ZI1110UEZI4.3 变压器的负载运行变压器的负载运行负载运行是

41、指变压器原边绕组接在额定频负载运行是指变压器原边绕组接在额定频率、额定电压的交流电源上，副边绕组接入率、额定电压的交流电源上，副边绕组接入负载时的运行状态，如图所示。负载时的运行状态，如图所示。变压器负载运行示意图4.3.1 负载运行时的物理状况负载运行时的物理状况空载运行时，副边绕组电流为零，在原边绕组电压的作空载运行时，副边绕组电流为零，在原边绕组电压的作用下，原边绕组只有较小的空载电流流过，它建立空载磁动用下，原边绕组只有较小的空载电流流过，它建立空载磁动势，从而产生交链于原、副边绕组的主磁通势，从而产生交链于原、副边绕组的主磁通 和只和只交链于原边绕组的漏磁通，它们在原、副边绕组中感应

42、出电交链于原边绕组的漏磁通，它们在原、副边绕组中感应出电动势、动势、 、，使得、，使得 相平衡，此时相平衡，此时变压器处在空载运行时的电磁平衡状态。变压器处在空载运行时的电磁平衡状态。1U0I100NIFm1s1E2E1sE1011ZIEU负载运行时，副边绕组在作用下便产生副边绕组电流负载运行时，副边绕组在作用下便产生副边绕组电流， 建立副边绕组磁动势建立副边绕组磁动势 ，F2产生的磁通也作产生的磁通也作用于主磁路中，从而企图改变铁芯中的主磁通用于主磁路中，从而企图改变铁芯中的主磁通 以及由此产生以及由此产生的感应电势、的感应电势、 ，以使空载时的电磁平衡关系遭到破坏。但，以使空载时的电磁平衡

43、关系遭到破坏。但是，由于电源电压为常值，相应的主磁通是，由于电源电压为常值，相应的主磁通 也应基本保持也应基本保持不变，为了维持基本不变，此时，只有原边绕组电流不变，为了维持基本不变，此时，只有原边绕组电流 增增加到加到 ，原边绕组磁动势由，原边绕组磁动势由F0变为变为 (其中增加的那其中增加的那部分磁动势用来平衡部分磁动势用来平衡F2)，以维持主磁通，以维持主磁通 基本不变，使变压基本不变，使变压器处在负载运行时的新的电磁平衡状态。变压器负载运行时的物器处在负载运行时的新的电磁平衡状态。变压器负载运行时的物理状况如下：理状况如下： 2E2I2I222NIFm2E1E1Umm0I1Im111N

44、IF4.3.2 负载运行时的磁通关系及原、副边电流的关系负载运行时的磁通关系及原、副边电流的关系1. 磁动势平衡方程式磁动势平衡方程式从以上分析得知，负载运行时作用在铁芯磁路上的合成磁动势为F1+F2，这两个磁动势共同建立了铁芯中的主磁通 ，从空载到负载，铁芯中的主磁通 基本不变，而空载时产生这个主磁通 所需的磁动势为F0，这就是说F1+F2的效果与F0是等同的，即得磁动势平衡方程为F1+F2=F0 (4-23)或mmm102211NININI将式(4-23)可以改写成以下形式： F1=F0+(-F2)或两边同除N1得： (4-24)式(4-24)说明，变压器负载运行时，原边绕组电流 由两个分

45、量组成。一个分量为，用来建立主磁通 ，它基本上不变； 另一个分量为 ，称为负载分量，用来平衡对主磁通的影响并随变化。 )(221011NININI20212011IkIINNII1I0Im2I2I21Ik由于 很小，分析时可忽略不计，则式(2-24)可改写为 (4-25) 式(4-25)说明，变压器中原、副边绕组电流与其相应的匝数成反比，当副边绕组负载电流I2增大时，原边绕组电流I1随之增大，它在变压的同时也在改变电流大小。0IkIINNIkININI12212122111v4.3.3 负载时副边电压、电流的关系负载时副边电压、电流的关系副绕组磁通副绕组磁通 磁势还产生只环链副绕磁势还产生只环

46、链副绕组本身而不环链原绕组的副边漏磁通组本身而不环链原绕组的副边漏磁通 .根据电路的基尔霍夫电压定律，参见图中副边各根据电路的基尔霍夫电压定律，参见图中副边各电量的规定正方向，写出副边回路电压方程式为电量的规定正方向，写出副边回路电压方程式为 22.2.WIF2.s2.22.2.2.sErIEU22.2.22.22.2.zIExIjrIE 222jxrz称作副边漏阻抗。称作副边漏阻抗。 2220202xI jILjElZIU224.3.44.3.4变压器的基本方程（变压器的基本方程（6 6个）个）LmZIUzEINININIkNNEEzIEUzIEU2210102211212122221111

47、/图4-6 变压器负载时原、副边绕组的电路图4.3.5 负载运行时的等值电路和相量图负载运行时的等值电路和相量图1. 等值电路等值电路由图由图4-6可以看出，变压器负载时原、副边绕组的电路是可以看出，变压器负载时原、副边绕组的电路是两个独立的电路，它们之间只有磁的耦合，而没有电的直接两个独立的电路，它们之间只有磁的耦合，而没有电的直接联系。而对于电源来说，变压器本身以及所接负载是一个统联系。而对于电源来说，变压器本身以及所接负载是一个统一的元件，若能用一个既能正确反映变压器内部电磁关系，一的元件，若能用一个既能正确反映变压器内部电磁关系，又便于工程计算的电路来等效代替它们，将使变压器的分析又便

48、于工程计算的电路来等效代替它们，将使变压器的分析和计算大为简化。这种电路称为等值电路。和计算大为简化。这种电路称为等值电路。1) 绕组的折算绕组的折算要把变压器原、副边绕组的独立电路用一个等效的电路要把变压器原、副边绕组的独立电路用一个等效的电路来代替，其主要矛盾是由于原、副边绕组匝数不同，而导致来代替，其主要矛盾是由于原、副边绕组匝数不同，而导致了电动势、电流和阻抗不相等，这就需要引入绕组折算法。了电动势、电流和阻抗不相等，这就需要引入绕组折算法。所谓绕组折算，就是把原、副边绕组的匝数变换成同一匝数所谓绕组折算，就是把原、副边绕组的匝数变换成同一匝数(k=1)的方法。折算可以由副边绕组向原边

49、绕组折算，即把副的方法。折算可以由副边绕组向原边绕组折算，即把副边绕组匝数变换成原边绕组匝数；边绕组匝数变换成原边绕组匝数； 也可以由原边绕组向副边也可以由原边绕组向副边绕组折算。绕组折算。折算的原则是折算前后变压器内部的电磁效应不变，即折算的原则是折算前后变压器内部的电磁效应不变，即折算前后磁动势、功率以及损耗等均不变化。折算前后磁动势、功率以及损耗等均不变化。如由副边绕组如由副边绕组向原边绕组折算时，只要保持副边绕组的磁动势向原边绕组折算时，只要保持副边绕组的磁动势F2不变，则不变，则变压器内部的电磁效应也就不变。为了区别，折算后的值常变压器内部的电磁效应也就不变。为了区别，折算后的值常在

50、原符号的右上角加注在原符号的右上角加注“”表示。表示。2) 折算的方法(1) 副边绕组电流的折算值 。设折算后副边绕组的匝数为 ，折算前后副边绕组磁动势不变，即 ， 则(4-29) 2I12NN2222NINIkIINNINNI22122222 (2) 副边绕组电动势、电压的折算。折算前后磁通不变， 根据电动势与匝数成正比关系，则 故 (4-30a) (4-30b) kNNNNEE21222222kEE 22kUU(3) 副边绕组阻抗的折算。折算前后功率以及功率损耗不变， 则故(4-31a)同理(4-31b)(4-31c)(4-31d)222222rIrIrkrIIrIIr2221222222

51、2222xkx 222ZkZ L2LZkZ从以上各折算公式可以看出，变比从以上各折算公式可以看出，变比k是折算过程的桥梁，将是折算过程的桥梁，将副边绕组各量折算到原边绕组时，凡是电流量都除以副边绕组各量折算到原边绕组时，凡是电流量都除以k，电压和，电压和电动势各量乘以电动势各量乘以k，阻抗、电阻和电抗各量乘以，阻抗、电阻和电抗各量乘以k2。副边绕组折。副边绕组折算到原边绕组后变压器的基本方程式归纳为算到原边绕组后变压器的基本方程式归纳为 (4-32)()j()j()j(20112L222222222m0mm0111111111IIIEEZIZIExrIEUZIxrIEZIExrIEU3) 等值

52、电路等值电路(1) “T”形等值电路。根据式形等值电路。根据式(4-32)可以分别绘制出如图可以分别绘制出如图4-7 (a)、(b) 、(c)所示的等值电路，变压器原、副边绕组磁的耦合所示的等值电路，变压器原、副边绕组磁的耦合作用，以主磁通作用，以主磁通 产生的感应电动势产生的感应电动势 、 形式反映了形式反映了出来。出来。2E1Em图4-7 变压器部分等值电路由于由于 以及以及 的关系，可将图的关系，可将图4-7(a)、(b)、(c)三部分组合在一起，就得到三部分组合在一起，就得到“T”形等值电路，形等值电路，如图如图4-8所示。所示。m021ZIEE021III图4-8 变压器“T”形等值

53、电路(2) 简化等值电路。简化等值电路。“T”形等值电路是一混联电路，进行分形等值电路是一混联电路，进行分析计算时，要用复数运算比较麻烦。而在电力变压器中，析计算时，要用复数运算比较麻烦。而在电力变压器中，I0IN，I0(2%10%)IN，因此，在工程计算中，分析负载运行以及短，因此，在工程计算中，分析负载运行以及短路运行时往往可以把忽略不计，即去掉励磁支路，从而得到路运行时往往可以把忽略不计，即去掉励磁支路，从而得到一个简单的串联电路，称为简化等值电路，如图一个简单的串联电路，称为简化等值电路，如图4-9所示。图中，所示。图中， 称为短路电阻；称为短路电阻； 称为短路电抗，称为短路电抗，Zk

54、=rk+jxk称称为短路阻抗。可见为短路阻抗。可见, 变压器相当于一个短路阻抗变压器相当于一个短路阻抗Zk，它串接于电，它串接于电源与负载之间，源与负载之间，Zk是原、副边绕组漏阻抗之和，数值较小，且为是原、副边绕组漏阻抗之和，数值较小，且为常数。常数。0I21krrr21kxxx图4-9 变压器的简化等值电路(a) 原、副边绕组参数分别表示图；(b) 短路参数集中表示图对应于简化等值电路的电压平衡方程式为(4-33)212k12kk11)j(IIUZIUxrIU2 2、相量图、相量图根据方程式根据方程式或者等效电路，或者等效电路，可以画出相量可以画出相量图，从而了解图，从而了解变压器中电压变

55、压器中电压/ /电流电流/ /磁通等磁通等量之间的相位量之间的相位关系。关系。mE1=E2-E1I0感性负载时I22U2I2R2I2jX2U1I2-I1jI1X1I1R11221221121)2(1,)34(,053.0,024.0,27.0,15.0,115380,6 .4UIIjZxrxrVUUAKVSlNNN，）（，求当外加电压为额定值时器，例：一台单相电力变压45. 035.113)34(32.3767.22)2(32.3767.2232.3787. 63 . 332.3787. 6)()(3 . 311538012222212112121jZIUAIkIAxxxjrrrUIIUUkl

56、llNNN）（4.4 标标 么么 值值在电力工程计算中，各物理量往往不用实际值而采用在电力工程计算中，各物理量往往不用实际值而采用标么值进行运算。所谓标么值，标么值进行运算。所谓标么值， 就是某一个物理量就是某一个物理量(如电如电压、电流、阻抗、功率等压、电流、阻抗、功率等)的实际值与选定的同单位的基的实际值与选定的同单位的基值之比，即值之比，即 可见，标么值实质上就是一个相对值，其中的基值可可见，标么值实质上就是一个相对值，其中的基值可以任意选定。通常取各物理量的额定值作基值，为区别实以任意选定。通常取各物理量的额定值作基值，为区别实际值和标么值，通常在各物理量符号的右上角加注际值和标么值，

57、通常在各物理量符号的右上角加注“*”来来表示该物理量的标么值。表示该物理量的标么值。基值实际值标么值对于变压器，当选定各自的额定值为基值时，则原、副边对于变压器，当选定各自的额定值为基值时，则原、副边绕组电压和电流的标么值为绕组电压和电流的标么值为 原、副边绕组阻抗的基值分别取原、副边绕组阻抗的基值分别取, 则原、副边绕组阻抗的标么值为则原、副边绕组阻抗的标么值为N22*2N11*1N22*2N11*1,IIIIIIUUUUUUN2N2N2N1N1N1,IUZIUZN22N2N22*2N11N1N11*1,UZIZZZUZIZZZ采用标么值具有以下优点：采用标么值具有以下优点： (1) 便于对

58、不同容量变压器进行分析和比较。因为采用标么便于对不同容量变压器进行分析和比较。因为采用标么值后，所有电力变压器的性能数据变化范围很小，例如短路阻抗值后，所有电力变压器的性能数据变化范围很小，例如短路阻抗，空载电流。，空载电流。(2) 原、副边绕组各对应物理量标么值相等，无需折算，运原、副边绕组各对应物理量标么值相等，无需折算，运算十分方便，例如：算十分方便，例如： 175. 004. 0*kZ10. 002. 0*0I*2N22N2N2222NN11N1*1*2N22N11*11ZUZIUkZkIkUZIZUkUkUUUU(3) 可简化物理量的数值，并能直观地看出变压器运行情况。可简化物理量的

59、数值，并能直观地看出变压器运行情况。例如某物理量等于其额定值时，标么值为例如某物理量等于其额定值时，标么值为1。 ，表明，表明该变压器带该变压器带90%额定负载。额定负载。(4) 使某些不同性质的物理量具有相同数值。例如：使某些不同性质的物理量具有相同数值。例如： 标么值也有缺点，如没有单位，导致物理概念不够明确。标么值也有缺点，如没有单位，导致物理概念不够明确。 (5) 负载时，原边电流与副边电流大小相差负载时，原边电流与副边电流大小相差1/k倍，而原边和倍，而原边和副边的电流基值也相差副边的电流基值也相差1/k倍，因此倍，因此 ，其大小反映了，其大小反映了负载的大小。我们称负载的大小。我们

60、称 为负载系数。为负载系数。 9 . 0*2Ik*kNN1kNN11NkN1k*kuUUUUIZZZZ21II(6)三相变压器的电压和电流，在或三相变压器的电压和电流，在或联接时，其线值联接时，其线值与相值不相等，相差与相值不相等，相差 倍，如果用标么值表示时，线值倍，如果用标么值表示时，线值与相值的基值同样也差与相值的基值同样也差 倍，这样线值的标么值与相值倍，这样线值的标么值与相值的标么值二者相等。也就是说，只要给出电压和电流的标的标么值二者相等。也就是说，只要给出电压和电流的标么值而不必指出是线值还是相值。么值而不必指出是线值还是相值。 334.5 变压器参数的测定变压器参数的测定 要用