电机学_变压器部分1

1、电电 机机 学学许许 加加 柱柱湖湖 南南 大大 学学第三章第三章 变压器变压器变压器的分类、基本结构、额定值变压器的分类、基本结构、额定值1变压器的空载运行变压器的空载运行2变压器的负载运行变压器的负载运行3变压器的等效电路变压器的等效电路4变压器的参数测定变压器的参数测定5变压器的标幺值变压器的标幺值6第三章第三章 变压器变压器变压器的运行特性变压器的运行特性7变压器的并联运行变压器的并联运行8三绕组变压器三绕组变压器9自耦变压器自耦变压器10电压互感器、电流互感器电压互感器、电流互感器113.1 变压器的分类、基本结构、额定值变压器的分类、基本结构、额定值发电 输电 配电 用电3.1 变

2、压器的分类、基本结构、额定值变压器的分类、基本结构、额定值发电 输电 配电 用电3.1 变压器的分类、基本结构、额定值变压器的分类、基本结构、额定值发电 输电 配电 用电特高压换流特高压换流变压器变压器3.1 变压器的分类、基本结构、额定值变压器的分类、基本结构、额定值3.1 变压器的分类、基本结构、额定值变压器的分类、基本结构、额定值发电 输电 配电 用电1000kV1000kV、750kV750kV交流变压器交流变压器3.1 变压器的分类、基本结构、额定值变压器的分类、基本结构、额定值3.1.1 3.1.1 变压器的分类变压器的分类1 1）按用途分类：电力变压器、互感器、特殊用途变压器）按

3、用途分类：电力变压器、互感器、特殊用途变压器2 2）按绕组数目分类：双绕组变压器、三绕组变压器、）按绕组数目分类：双绕组变压器、三绕组变压器、 自耦变压器、自耦变压器、多绕组变压器多绕组变压器3 3）按相数分类：单相变压器、三相变压器、多相变压器）按相数分类：单相变压器、三相变压器、多相变压器4 4）按冷却方式分类：空冷干式变压器、油浸变压器、）按冷却方式分类：空冷干式变压器、油浸变压器、 蒸发冷却变压器蒸发冷却变压器5) 5) 按铁心结构分类：按铁心结构分类：心式变压器和壳式变压器心式变压器和壳式变压器3.1.2 变压器的基本结构变压器的基本结构铁心铁心( (变压器的磁路部分变压器的磁路部分

4、) )绕组绕组( (变压器的电路部分变压器的电路部分) )其他部件其他部件( (油箱、冷却装油箱、冷却装置、保护装置、套管置、保护装置、套管) )变压器的基本结构变压器的基本结构3.1.2 变压器的基本结构变压器的基本结构1. 变压器铁心变压器铁心铁心是变压器的磁路，分为心柱和铁轭两部分3.1.2 变压器的基本结构变压器的基本结构3.1.2 变压器的基本结构变压器的基本结构心式变压器心式变压器: : 结构：结构：心柱被绕组所包围。心柱被绕组所包围。 特点特点: : 心式结构的绕组和绝缘装配比较容易，心式结构的绕组和绝缘装配比较容易，所以电力变压器常常采用这种结构。所以电力变压器常常采用这种结构

5、。壳式变压器壳式变压器: : 结构：结构：铁心包围绕组的顶面、底面和侧面。铁心包围绕组的顶面、底面和侧面。 特点：特点：壳式变压器的机械强度较好，常用于低壳式变压器的机械强度较好，常用于低 电压、大电流的变压器或小容量电讯变压器。电压、大电流的变压器或小容量电讯变压器。3.1.2 变压器的基本结构变压器的基本结构一次绕组：一次绕组： 输入电能的绕组。输入电能的绕组。 二次绕组：二次绕组： 输出电能的绕组。输出电能的绕组。高压绕组的匝数多高压绕组的匝数多, ,导线细；低压绕组的匝数少，导线细；低压绕组的匝数少，导线粗。导线粗。从高从高, ,低压绕组的相对位置来看低压绕组的相对位置来看, ,变压器

6、的绕组可分变压器的绕组可分为同心式和交错式。为同心式和交错式。2.2.绕组绕组3.1.2 变压器的基本结构变压器的基本结构2.2.绕组绕组同心式同心式结构：结构： 同心式绕组的高、低压绕组同心地套装同心式绕组的高、低压绕组同心地套装在心柱上。在心柱上。特点：特点： 同心式绕组结构简单、制造方便，国产同心式绕组结构简单、制造方便，国产电力变压器均采用这种结构。电力变压器均采用这种结构。 交错式交错式结构：结构： 交迭式绕组的高、低压绕组沿心柱高度交迭式绕组的高、低压绕组沿心柱高度方向互相交错地放置。方向互相交错地放置。交错式绕组用于特种变压器中。交错式绕组用于特种变压器中。特点：特点：3.1.2

7、 变压器的基本结构变压器的基本结构绕组是变压器的电路部分，由包有绝缘材料的铜（铝）绕组是变压器的电路部分，由包有绝缘材料的铜（铝）导线绕制而成，装配时低压绕组靠近铁心，高压绕组套导线绕制而成，装配时低压绕组靠近铁心，高压绕组套在低压绕组外面。在低压绕组外面。3.1.2 变压器的基本结构变压器的基本结构油箱油箱变压器油变压器油典型的油浸典型的油浸电力变压器电力变压器散热器散热器绝缘套管绝缘套管分接开关分接开关继电保护装置等部件继电保护装置等部件除干式变压器外，电力变压器的器身都放在油箱中。除干式变压器外，电力变压器的器身都放在油箱中。3.3.其他部件其他部件 3.1.2 变压器的基本结构变压器的

8、基本结构除干式变压器外，电力变压器的器身都放在油箱中。除干式变压器外，电力变压器的器身都放在油箱中。3.1.2 变压器的基本结构变压器的基本结构变压器的引线从油箱内穿过油箱盖时，必须经过绝缘变压器的引线从油箱内穿过油箱盖时，必须经过绝缘的套管，使高压引线和接地的油箱绝缘的套管，使高压引线和接地的油箱绝缘3.1.3 变压器的额定值变压器的额定值变压器的额定值变压器的额定值额定容量额定容量 在铭牌规定的额定状态下变压器输出在铭牌规定的额定状态下变压器输出视在功率的保证值视在功率的保证值 ，单位为，单位为VAVA或或kVAkVA或或MVAMVA。三相变压器指三相容量之和。三相变压器指三相容量之和。额

9、定电压额定电压 铭牌规定的各个绕组在空载、指定分铭牌规定的各个绕组在空载、指定分接开关位置下的端电压，单位为接开关位置下的端电压，单位为V V或或kVkV。三相变压器指线电压。三相变压器指线电压。额定电流额定电流 根据额定容量和额定电压算出的电流根据额定容量和额定电压算出的电流称为额定电流，单位为称为额定电流，单位为A A或或kAkA。三相变压器指线电流。三相变压器指线电流。 NUNINS3.1.3 变压器的额定值变压器的额定值三相变压器：三相变压器：额定频率额定频率 我国的标准工频规定为我国的标准工频规定为5050赫赫(Hz)(Hz)。NfNNNNNNUSIUSI22113,3单相变压器：单

10、相变压器：NNNNNNUSIUSI2211,u设计时规定变压器一次侧和二次侧的额定容量相等。3.1.3 变压器的额定值变压器的额定值一台一台Yd11连接（一次侧是连接（一次侧是星形连接，二次侧是三角形星形连接，二次侧是三角形连接）的三相变压器，额定连接）的三相变压器，额定容量容量Sn=3150kVA,U1N/U2N=35/6.3kV。确定其一、二次侧额。确定其一、二次侧额定电流以及一次侧相电压和定电流以及一次侧相电压和二次侧相电流。二次侧相电流。其它额定值：其它额定值：额定频率额定频率(f)额定运行时绕组温升额定运行时绕组温升(K)连接组号连接组号短路阻抗短路阻抗空载损耗空载损耗短路损耗短路损

11、耗空载电流空载电流3.2 变压器的空载运行变压器的空载运行规定正方向：一次电流规定正方向：一次电流i i1 1的正方向与电源电的正方向与电源电压压U U1 1的正方向一致；主磁通的正方向一致；主磁通与一次电流与一次电流i i1 1满足右手螺旋关系；一次和二次绕组感应电满足右手螺旋关系；一次和二次绕组感应电动势动势e1/e2e1/e2与与电流电流i i同向同向；二次电压；二次电压U U2 2的正方的正方向与流入负载阻抗向与流入负载阻抗Z ZL L的电流的正方向一致。的电流的正方向一致。3.2 变压器的空载运行变压器的空载运行什么叫变压器的什么叫变压器的空载运行？空载运行？变压器的一次绕组接交流电

12、源变压器的一次绕组接交流电源, ,二次绕组开路二次绕组开路, ,负载负载电流为零电流为零( (即空载即空载) )时的运行时的运行, ,称为空载运行。称为空载运行。3.2 变压器的空载运行变压器的空载运行一、空载运行时的物理情况1u1e2e20u02i变压器的空载运行变压器的空载运行1N2N10i 3.2.1 空载运行时的磁通、感应电动势空载运行时的磁通、感应电动势空载磁动势：空载磁动势：0 01 10 0i iN NF F主磁通主磁通 ：磁力线与一次侧：磁力线与一次侧和二次侧绕组交链的磁通。和二次侧绕组交链的磁通。漏磁通漏磁通 :磁力线仅与一次侧磁力线仅与一次侧绕组相交链的磁通。绕组相交链的磁

13、通。1 1二、磁通和感应电动势3.2.1 空载运行时的磁通、感应电动势空载运行时的磁通、感应电动势感应电动势：感应电动势：dtdtd dN Ne e1 11 1dtdtd dN Ne e2 22 2在正弦稳态情况下：在正弦稳态情况下：t tsinsinm mm m1 1m m1 11 144fN44fNj4j4fNfN2 2j jE E.m m2 22 244fN44fNj4j4E E.3.2.1 空载运行时的磁通、感应电动势空载运行时的磁通、感应电动势dtdtdidiL Ldtdtd dN Ne e0 01 11 11 11 11 10 01 10 01 1X XI I j jL LI I

14、j jE E上式说明：在电路中，漏电动势上式说明：在电路中，漏电动势 可以用漏电抗可以用漏电抗的压降的压降 来代替。来代替。1 1E E1 10 0X XI I j j1 12 21 11 10 01 10 01 10 01 11 11 1N Ni iN Ni iN Ni iN NL L漏磁通漏磁通 所经过路径的磁导率是常数，所经过路径的磁导率是常数， 和漏电抗和漏电抗 亦是常数。亦是常数。1 11 11 1L L,1 1X X3.2.2 电压平衡方程式、变比电压平衡方程式、变比1 10 01 11 11 1R Ri ie ee eu u1 10 01 11 11 1R RI IE EE EU

15、 U1 10 01 1j X j XI IE E1 10 01 11 10 01 10 01 11 1Z ZI IE ER RI Ij X j XI IE EU U3.2.3 电压平衡方程式、变比电压平衡方程式、变比变压器中，一次侧绕组的电动势与二次侧绕组的电动势之比变压器中，一次侧绕组的电动势与二次侧绕组的电动势之比成为变比。成为变比。2 21 12 21 1N NN NE EE Ek k20201 12 21 1U UU UE EE Ek k对三相变压器，变比指一、二次侧相电动势之比对三相变压器，变比指一、二次侧相电动势之比3.2.3 空载电流空载电流1、空载电流的波形、空载电流的波形dt

16、dtd dN Ne eu u1 11 11 1电网电压为正弦波，电网电压为正弦波，故主磁通也为正弦波故主磁通也为正弦波若铁心不饱和，空载电流也若铁心不饱和，空载电流也为正弦波；为正弦波；但铁心饱和时，空载电流为但铁心饱和时，空载电流为尖顶波尖顶波。3.2.3 空载电流空载电流2、空载电流与主磁通的关系、空载电流与主磁通的关系若铁心中没有损耗，则空载电流与主磁通同相位若铁心中没有损耗，则空载电流与主磁通同相位但主磁通在铁心中交变，但主磁通在铁心中交变，在其中产生涡流在其中产生涡流损耗和磁滞损耗（合称为损耗和磁滞损耗（合称为铁耗）。空载电铁耗）。空载电流将领先主磁通一个角度。流将领先主磁通一个角度

17、。m mFeFe0 0I II II ImI0I2E1E011UE变压器的空载相量图变压器的空载相量图FeI 3.2.3 空载电流空载电流2、空载电流与主磁通的关系、空载电流与主磁通的关系变压器空载时，主磁场由空载电流建立，故空载电流也称之为激磁电流。iiiFemmii 0Fei激磁电流有两个分量：(1)磁化分量：(2)铁耗分量：i3.2.3 空载电流空载电流2、空载电流与主磁通的关系、空载电流与主磁通的关系磁化电抗与铁耗电阻jXEIXI jILjELNNeiNdtdidtdimdtdm111121111或3.2.3 空载电流空载电流磁化电抗与铁耗电阻)11(1jXREIIIFeFem磁化电抗

18、：式中 称为变压器的磁化电抗，是表征铁心磁化性能的一个参数。另外： 铁耗电阻：称为铁耗电阻，是表征铁心损耗的一个参数。12 fLX FeFeFeFeREIRIE11或2FeFeFeIpR（可得铁心线圈的并联等效电路)3.2.3 空载电流空载电流FeRE铁心线圈的并联等效电路FeI0IUIX 1R1X 3.2.3 空载电流空载电流由上式可得： 激磁电抗：是表征铁心的磁化性能的一个等效参数;激磁电阻：是表征铁心损耗的一个等效参数。激磁阻抗：222XRRXXFeFem222XRXRRFeFemmmmjXRZ)(mmmmmjXRIZIE13.2 变压器的空载运行变压器的空载运行 3、空载时的等效电路、

19、空载时的等效电路m m0 01 1Z ZI IE Em mm mm mjXjXR RZ Z1 10 0m m0 01 1Z ZI IZ ZI IU U3.2 变压器的空载运行变压器的空载运行 3、空载时的等效电路、空载时的等效电路E1与Im是非线性关系，即激磁阻抗Zm不是常数，随着饱合度的增加而减小。但考虑到实际运行中，系统电压近似为某一常值，可近似将Zm视为某一常值。3. 3 变压器的负载运行变压器的负载运行1u1e2e20u1N2NLZ122i 1i3. 3.1 磁动势平衡方程磁动势平衡方程0 02 21 1F FF FF F0 01 12 22 21 11 1I IN NI IN NI

20、IN N0 02 21 12 21 1I II IN NN NI I1L1L0 01 12 20 02 21 12 20 01 1I II I) )N NI II II I) )N NN NI II I(k kI II I2 21L1L0 0I IN NI IN N2 22 21L1L1 11I忽略了漏阻抗压降，忽略了漏阻抗压降， 主主磁通磁通 不变。不变。从空载到负载，一次绕组电从空载到负载，一次绕组电流流 增加一个分量增加一个分量 以平衡以平衡次级绕组的作用。次级绕组的作用。11EU m LI13. 3 变压器的负载运行变压器的负载运行1 1）变压器负载运行时，主磁通由一次侧和二次侧）变压

21、器负载运行时，主磁通由一次侧和二次侧的磁动势共同建立；的磁动势共同建立；2 2）主磁通的大小与空载运行时近似相等，磁动势）主磁通的大小与空载运行时近似相等，磁动势也近似相等；也近似相等；3 3）一次侧电流中增加了一个负载分量，以平衡二）一次侧电流中增加了一个负载分量，以平衡二次侧电流的作用次侧电流的作用 ，0 02 21 1F FF FF F1L1L0 01 1I II II I0 0I IN NI IN N2 22 21L1L1 1负载运行时磁动势平衡的几点结论负载运行时磁动势平衡的几点结论3. 3 变压器的负载运行变压器的负载运行1U1I11NI2U2I22NI1NI0 0m 2 1 1E

22、2E 111xI jE 222xI jE 11rI22rI负载运行时的电磁过程负载运行时的电磁过程3. 3.2 电压平衡方程电压平衡方程二次侧绕组漏电动势：二次侧绕组漏电动势：2 22 22 2X XI I j jE E2 22 22 2fLfL2 2L LX X二次侧电压平衡方程：二次侧电压平衡方程：2 22 22 22 2Z ZI IE EU U2 22 22 2jXjXR RZ Z3. 3.3 绕组折算绕组折算负载时一、二次侧电压平衡方程：负载时一、二次侧电压平衡方程：2 22 22 22 2Z ZI IE EU U1 11 11 11 1Z ZI IE EU U2 21 1E EE E

23、k k0 02 21 1I Ik kI II Im m0 01 1Z ZI IE E- -L L2 22 2Z ZI IU U由于变压器的变由于变压器的变比比k k较大，使得较大，使得一次侧、二次侧一次侧、二次侧的电压和电流的的电压和电流的数量级相差很大，数量级相差很大，不方便计算，画不方便计算，画相量图更是困难，相量图更是困难，为了方便计算和为了方便计算和得到变压器的等得到变压器的等效电路，而引入效电路，而引入绕组折算绕组折算3. 3.3 绕组折算绕组折算绕组折算的含义：通常是把二次侧的绕组折算绕组折算的含义：通常是把二次侧的绕组折算到一次侧，即用一个匝数为到一次侧，即用一个匝数为N1N1的

24、绕组去代替原的绕组去代替原变压器匝数为变压器匝数为N2N2的二次侧绕组。的二次侧绕组。要求折算前后，变压器的电磁本质不变，即要求要求折算前后，变压器的电磁本质不变，即要求折算后的二次侧绕组产生的磁动势的大小和分布折算后的二次侧绕组产生的磁动势的大小和分布和折算前相同。和折算前相同。2 22 21 12 2N NI IN NI I3. 3.2 电压平衡方程电压平衡方程二次侧电流的折算二次侧电流的折算2 22 21 12 22 2I Ik k1 1I IN NN NI I二次侧电动势的折算二次侧电动势的折算2 22 22 21 12 2E Ek kE EN NN NE E2 22 2E Ek kE

25、 E二次侧阻抗的折算二次侧阻抗的折算)(L L2 22 22 22 22 22 22 22 22 2L L2 2Z ZZ Zk kI IE Ek kI Ik k1 1E Ek kI IE EZ ZZ Z3. 3.2 电压平衡方程电压平衡方程折算规律：当把二次侧各物理量折算到一次侧时，凡是单位为折算规律：当把二次侧各物理量折算到一次侧时，凡是单位为V V的的乘以乘以k k，凡是单位为，凡是单位为的乘以的乘以 ，电流的折算乘以，电流的折算乘以2 2k kk k1 12222222222Xk XXtantanRk RR 2 22 22 22 22 22 22 22 22 22 2R RI IR Rk

26、 kI Ik k1 1R RI I)()(2 22 22 22 22 22 22 22 22 2coscosI IU UcoscosI Ik k1 1kUkUcoscosI IU U)(3. 3.2 电压平衡方程电压平衡方程折算后电压平衡方程：折算后电压平衡方程： 2 2 2 2 2 2 2 2Z ZI IE EU U1 11 11 11 1Z ZI IE EU U2 21 1E EE E0 02 21 1I II II Im m0 01 1Z ZI IE E- - L L 2 2 2 2Z ZI IU U2 22 22 22 2Z ZI IE EU U1 11 11 11 1Z ZI IE

27、EU U2 21 1E EE Ek k0 02 21 1I Ik kI II Im m0 01 1Z ZI IE E- -L L2 22 2Z ZI IU U3. 3.4 相量图相量图2U2I22rI22 xjI12EE m 0 0I2I 1I1E 11rI 11xI j1U2 2coscos1 1coscos已知已知U2/I2/cos2和变压器的参数和变压器的参数k/R1/x1 /R2/X2/Rm/Xm，可按以下步骤绘出向量图。，可按以下步骤绘出向量图。3. 4 变压器的等效电路变压器的等效电路单相变压器负载运行时的电磁关系用等值电路的形式单相变压器负载运行时的电磁关系用等值电路的形式表示，

28、作为变压器模拟仿真的电路模型。表示，作为变压器模拟仿真的电路模型。1)T1)T型等效电路型等效电路2 2 型等效电路型等效电路3 3）简化等效电路）简化等效电路3. 4 变压器的等效电路变压器的等效电路等效电路的形成(1) T型等效电路型等效电路一次侧：一次侧：1 11 11 11 1Z ZI IE EU U1R1X1E1ImImRmX1U 3. 4 变压器的等效电路变压器的等效电路等效电路的形成(1) T型等效电路型等效电路二次侧：二次侧： 2 2 2 2 2 2 2 2Z ZI IE EU ULZ2I2U2E2R2X3. 4 变压器的等效电路变压器的等效电路等效电路的形成(1) T型等效电

29、路型等效电路2 21 1E EE E0 02 21 1I II II Im m0 01 1Z ZI IE E- -1R1X2R2XLZ1E1ImImRmX2I2U2E1U 3. 4 变压器的等效电路变压器的等效电路等效电路的形成(2) 型等效电路型等效电路1 11 11 1U UZ ZI I1 10 0I II I12XXXKmRmX1UmI12RRRK1I2I2U 3. 4 变压器的等效电路变压器的等效电路3、 简化等效电路简化等效电路k kk kk k2 21 1k k2 21 1k kjXjXR RZ ZX XX XX XR RR RR R)(2 2k kk k1 11 1U Uj X

30、j XR RI IU U3. 4 变压器的等效电路变压器的等效电路计算变压器负载运行方法有基本公式、等值电路和相量图。计算变压器负载运行方法有基本公式、等值电路和相量图。 基本方程式：是变压器的电磁关系的数学表达式；基本方程式：是变压器的电磁关系的数学表达式；等值电路：等值电路： 是基本方程式的模拟电路；是基本方程式的模拟电路；相量图：相量图： 是基本方程的图示表示；是基本方程的图示表示；三者是统一的，三者是统一的， 一般定量计算用等效电路，讨一般定量计算用等效电路，讨论各物理量之间的相位关系用相量图。论各物理量之间的相位关系用相量图。 3. 4 变压器的等效电路变压器的等效电路例：一台三相变

31、压器：例：一台三相变压器：SN=315000kVASN=315000kVA，U1n/U2n=220/11kVU1n/U2n=220/11kV，YnD11YnD11连接，连接，F=50HzF=50Hz， = =0.038= =0.038， = = =， =17711=17711， =138451=138451，负载三角形接，负载三角形接， =11.52=11.52j8.64j8.64。当高。当高压侧接额定电压时，求：压侧接额定电压时，求：1 1）高压方电流，从高压方看进去的功率因数）高压方电流，从高压方看进去的功率因数2 2）低压侧电动势）低压侧电动势3 3）低压侧电压、电流、负载功率因数、输出

32、功率）低压侧电压、电流、负载功率因数、输出功率1 1R R 2 2R R 2 2X X1 1X Xm mX Xm mR RZ Z3. 5 变压器的参数测定变压器的参数测定1、空载试验、空载试验3. 5 变压器的参数测定变压器的参数测定空载试验直接测量的试验数据空载试验直接测量的试验数据试验侧电压试验侧电压1 1U U另一侧空载电压另一侧空载电压2020U U试验侧电流试验侧电流0 0I I试验侧功率试验侧功率0 0P P为了方便和安全，空载试验一般在低压方进行。为了方便和安全，空载试验一般在低压方进行。3. 5 变压器的参数测定变压器的参数测定空载试验可计算的参数空载试验可计算的参数变压器变比：变压器变比：20201 1U UU Uk k励磁阻抗：励磁阻抗：0 01 1m mI IU UZ Z励磁电阻：励磁电阻：0 00 0m mI IP PR R励磁电抗：励磁电抗：2 2m m2 2m mm mR RZ ZX X3. 5 变压器的参数测定变压器的参数测定空载试验中注