第3章：变压器

1、2022年5月31日1第三章第三章 变压器变压器n3-1 变压器概述n3-2 变压器的空载运行分析n3-3 单相变压器的负载运行分析n3-4 变压器参数的试验测定n3-5 变压器的运行特性n3-6 三相变压器n3-7 自耦变压器及仪用互感器2022年5月31日23.1 变压器概述变压器概述 变压器：一种静止的电机，它利用电磁感应原理将一种电压、电流的交流电能转换成同频率的另一种电压、电流的电能，实现电能在不同等级之间进行转换。一、变压器的用途和分类一、变压器的用途和分类电能电能-磁能磁能-电能电能2022年5月31日3按用途分：电力变压器和特殊变压器。高压电网发电厂用电区变电站变电站l减小损耗

2、l减小投资2022年5月31日4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。2022年5月31日5按相数分：单相变压器、三相变压器和多相变压器。 按铁芯结构分：芯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。芯式变压器壳式变压器2022年5月31日6 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。油浸式变压器充气式变压器2022年5月31日7常见的特殊变压器有：常见的特殊变压器有：(1) 调压器：能均匀调节输出电压的变压器，如自耦调压器、感应调压器等。(2) 特殊电源用变压器：如电炉变压器，电焊变压器和整流变压器等。(

3、3) 仪用互感器：测量和继电保护用的变压器，如电压互感器和电流互感器等。(4) 试验变压器：供电气设备作耐压试验用的高压变压器。(5) 控制用变压器：用于自动控制系统中的小功率变压器。(6) 阻抗变压器：在电子线路中，变压器还用来耦合、传递信号，并进行阻抗匹配，起阻抗转换作用。2022年5月31日8二、变压器的基本工作原理二、变压器的基本工作原理2022年5月31日9 变压器原边加上电源电压u1，在u1作用下，绕组中产生交流电流，这个电流在铁心中建立交变磁通，它穿过变压器的两个绕组，并使两个绕组中产生感应电动势，它们的大小分别为 ：dtdNedtdNe2211 利用一、二次绕组的匝数的不同，实

4、现改变压的目的。212121NNeeUU2022年5月31日10三、电力变压器的基本结构三、电力变压器的基本结构（一）、铁芯 变压器的主磁路，为了提高导磁性能和减少铁损，用0.35mm-0.5mm厚、表面涂有绝缘漆的硅钢片叠成。（二）、绕组 变压器的电路，一般用绝缘铜线或铝线绕制而成。 （三）、其他部件 1、油箱 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）。 2022年5月31日113、气体继电器 气体继电器装在油箱与储油柜的连通导管中，对变压器的短路、过载、漏油等故障起到保护作用。4、安全气道 当变压器内部发生严重故障又恰逢气

5、体继电器失灵时，油箱内的高压气体便会沿着安全气道上冲，冲破玻璃封口，以避免油箱受力变形或爆炸。5、分接开关2、绝缘套管 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。2022年5月31日12四、变压器的铭牌四、变压器的铭牌（一）、变压器型号 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：S L 7-100010铝线第7次统一设计高 压 边 额 定电压为10kV额定容量为1000kVA三相2022年5月31日131、额定容量 ：是指额定工作状态下变压器二次侧的视在功率 。2、额定电压 ： ：变压器原绕组外加电压的最大值。 ：变压器原绕组加额定电压副

6、绕组开路时的端电压。在三相变压器中指的是线电压。3、额定电流 ：指在额定容量下，长期工作允许通过的最大电流。在三相变压器中指的是线电流。)(kVASN（二）、变压器名牌额定值2N1NUU1NU2NU1N2NII2022年5月31日143.2 变压器的空载运行分析变压器的空载运行分析一、变压器的参考方向和极性的约定2022年5月31日15l变压器空载运行时原绕组中流过的电流为 ，叫空载电流，又叫做励磁电流。二、变压器的空载运行状态 0Il变压器空载运行：指原边接上电源电压，副边开路的状态。可以看作有载运行负载阻抗为无穷大的一种特殊情况。l变压器空载运行时， 产生的磁势 称为空载磁动势，又叫做励磁

7、磁动势。0I01I N2022年5月31日16l在空载磁动势 的作用下，磁路中产生交变磁通，磁通分为两部分：铁心磁路中的主磁通和主要经过空气磁路闭合的漏磁通。01I Nl主磁通的数值大大超过原绕组漏磁通， 漏磁通只占总磁通量的极小部分。l主磁通与原副绕组同时交链，原绕组漏磁通仅仅与原绕组自身交链。2022年5月31日17三、空载载运行时的电磁关系 1、主磁通在原副绕组中产生的感应电动势tmsin0设0001111sin(90 )sin(90 )mmdeNNtEtdt 则其中：0002222sin(90 )sin(90 )mmdeNNtEtdt 同理1m1mEN2m2mEN因为dtdNe2022

8、年5月31日18224.44mEjfN 所以当主磁通按正弦规律变化时，所产生的感应电动势也按正弦规律变化，时间相位上滞后主磁通90。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。 所以主磁通在原副绕组中产生的感应电动势的有效值为：m1m1m1144.4222fNfNNEm2m2m2244.4222fNfNNEmfNjE1144.4相量2022年5月31日192、漏磁通产生的感应电动势根据主电动势的分析方法，同样有mfNjE11144.41114.44mEfN用漏抗压降来表示漏电动势：11001Ej L IjI x 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

9、电抗 很小且为常数，它不随电源电压负载情况而变。1x2022年5月31日20四、空载运行时的电压平衡方程式（1）一次侧电动势平衡方程10 101EI rjI x mfNEU11144. 41110 1UEEI r 由于漏阻抗很小，可忽略，写成有效值形式，有：110EZ I 111jxrz其中2022年5月31日211111444444fN.UfN.Em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 。m1U1f1N（2）二次侧电动势平衡方程220EU定义变压器变比：111222UENkUEN2022年5月31日22 根据电压平衡方程式可画出变压器空载运行时的向量图：2

10、022年5月31日23五、空载变压器的等效电路)(11011jxrIEU根据电压平衡方程式m01zIEmmmjxr z空载变压器的等效电路空载变压器可看成是一个铁芯电感绕组与一个空心电感绕组的串联。即其中为铁芯绕组的励磁阻抗。mxmr：对应主磁通的电抗 ：反应铁心损耗的等效电阻 2022年5月31日24n例例3-1某三相变压器的额定容量为160KVA, f=50Hz，额定电压为35000400V，原边星形连接，副边三角形连接，问高压侧和低压侧的额定电流是多少? 11160KVA2.6433 35KVNNNSIAU22160KVA231330.4KVNNNSIAU解：n例例3-2某单相变压器的额

11、定电压为6000400V， =50Hz，测知磁通最大值为=0.02Wb，问高压侧和低压侧的匝数各是多少? fm11144. 4fNEU135002. 05044. 4600044. 4m11fUN906000135040011202UNUN求得因为：匝匝2022年5月31日253.3 ：单相变压器的负载运行分析：单相变压器的负载运行分析一、负载载运行的物理状况 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。2022年5月31日26二二 ：负载运行时的基本方程式：负载运行时的基本方程式（一）、磁势和电流平衡方程021FFF或012211INININ用电流形

12、式表示221020021()()NIIIIIIINk 变压器负载运行时电流由两部分组成： 励磁电流 ，用来产生主磁通。 负载分量 。0I22/IIk 由于 保持不变，所以由空载到带负载 基本不变，因此有磁动势平衡方程01U2022年5月31日27负载运行时,忽略空载电流有:1221211NNkIIkII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）、电压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111 111111UEI rjI xEI Z 222 222222UEI rjI xEI ZLZIU22Z2为2次漏阻抗2022年5月31

13、日281、副边电流的折算 保证折算后副边磁势不变三三 ：绕组参数的折算：绕组参数的折算 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。1222NINI221221IkINNI2022年5月31日292、副边电动势和电压的折算值 由于折算后的二次绕组和一次绕组有相同的匝数，即电动势与匝数成正比，则kNNNNEE21222222kEE 22kUU 3、二次侧阻抗的折算值 根据折算前后二次绕组铜损不变及漏抗中无功功率不变的原

14、则，有 222222I rI r222222xIxI，2222222()Irrk rI222xkx L22222L1ZkIkkUIUZ2022年5月31日30四四 ：等效电路：等效电路根据折算后的方程，可以作出变压器的等效电路。021III1111zIEU2222zIEUm01zIEL22ZIU根据以上方程式，作出如上图所示的“T”型等效电路图。2022年5月31日31a）型等效电路kkk21k21kjxrzxxxrrr短路阻抗b）简化等效电路2022年5月31日32五五 ：向量图：向量图假定变压器带感性负载。0190mE超前21EE 22jI x2 2I r 1I0I2I22U2I11j I

15、 x1 1I r1E1U变压器负载运行时的向量图2022年5月31日333.4 ：变压器参数的实验测定：变压器参数的实验测定3.4.1 ：空载试验：空载试验一、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、铁损和励磁阻抗。二、接线图三、要求及分析1）低压侧加额定电压，高压侧开路。1102,FerxPp）忽略 和即2022年5月31日343）求参数102NUKU0220mPrI4）空载电流和空载功率必须是额定电压时的值，并以此求励磁参数；5）若要得到高压侧参数，须折算；6）对三相变压器，各公式中的电压、电流和功率均为相值；220NmUZI22mmmxZr2mmrkr 2mmxkx2m

16、mzkz， 2022年5月31日353.4.2 ：短路试验：短路试验一、目的：通过测量短路电流、短路电压及短路损耗来计算变压器的铜损和短路阻抗。二、接线图三、要求及分析1）高压侧加逐渐增大的交流电压，低压侧短路；2）由于外加电压很小，主磁通很少，铁损耗很少，可以忽略，认为 。kCuPP2022年5月31日364）利用简化等效电路N1kkIUz 2N1kIPrK2k2kkrzx5）短路试验时测出的短路电阻与短路损耗要换算成国家标准规定的温度下的值。 3）当短路电流增大到额定电流时停止增加电压。5 .234755 .234k75krr2022年5月31日373.4.3 ：标幺值：标幺值一、定义 标

17、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 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；2022年5月31日38三、优点2、折算前、后的标么值相等，起到了归算的作用。1、额定值的标么值为1，更加直观。 3、某些意义不同的物理量标么值相等，例如：四、缺点标么值没有单位，物理意义不明确。N1kkIUz 短路电压和短路阻抗具有相同的标么值： *kkUz2N1kIPrK短路损耗与短路电阻具有相同的标么值： *k*krp 例如：*22UU*22222112NNNUkUUUUUUU2022年5月31日393.5 ：变压器的运

18、行特性：变压器的运行特性22()Uf I一、外特性变压器的外特性 外特性直观反映了变压器输出电压随负载电流变化的趋势。用电压调整率或电压变化率来表示：2N22N%100%UUUU2022年5月31日40二、效率特性1、变压器的损耗 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主磁通在结构部件中引起的涡流损耗等。 铜损耗分基本铜损耗和附加铜损耗。基本铜损耗是指电流在一、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。 铁损耗与外加电压大小有关，而与负载大小基本无关，也称不变损耗。2022年5月31日41 效率是指变压器的

19、输出功率与输入功率的比值。2、效率及效率特性%10012PP 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。CuFeCuFeppPppPp211102222222()cosFeCukkNNpPIpPPIPS其中负载系数 2022年5月31日4220220(1)100%coskNkPPSPP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。0max2022年5月31日433.6 三相变压器三相变压器一、三相变压器的磁路系统1、三相变压器组的磁路1W2Ww1V2Vv1

20、U2Uu 特点是：三相磁路彼此无关联。2、三相芯式变压器的磁路1U2U1u2u1V2V1v2v1W2W1w2w 特点：三相磁路彼此有关联。2022年5月31日44二、变压器的连接方式和连接组别1、变压器绕组的标记和极性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端末端高压高压绕组绕组U1U2U1、V1、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同名端：某一瞬间，对应于同极性的端点称为同名端。2022年5月31日452、单相变压器的连接组别*1U2U1u2u*

21、1U2U1u2u1U2U1u2u*1u2u1U2U1u2u*1U2U*1U2U1u2u)I , I(I/I012连接组别为一、二次绕组的同名端同标志时，一、二次绕组的电动势同相位。)I ,I(I/I66连接组别为一、二次绕组的同名端异标志时，一、二次绕组的电动势反相位。2022年5月31日464、三相变压器的连接组别 时钟表示法时钟表示法n一次侧线电压的相量为钟表的长针，始终指着“12”。二次侧线电压的相量为钟表的短针，所指的数字即表示变压器的连接组别。3、三相绕组的连接方式星型接法逆序三角形接法顺序三角形接法2022年5月31日471、Y，y连接若高压绕组三相标志不变，低压绕组三相标志依次后

22、移，可以得到Y,y4、Y,y8连接组别。UVEuvE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。2022年5月31日48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1UVEuvE 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。2022年5月31日49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

23、连接组别。 Y，d连接2UVEuvE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。2022年5月31日50l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；lY，d（或D，y）连接，可以得到1、3、5、7、9、11等六个奇数组别。l国家标准规定，Y,yn0、Y,d11、YN,d11、YN,y0和Y,y0连接组为三相双绕组电力变压器的标准连接组别。l前三种最为常用：uY,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。u

24、Y,d11连接用于低压侧电压超过400V的线路中。uYN,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。2022年5月31日51三、变压器的并联运行 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。l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。l并联运行的理想情况是： 1、空载时各变压器绕组之间无环流； 2、负载后，各变压器的负载系数相等； 3、负载后，各变压器的负载电流与总的负载电流同相位。2022年5月31日52l为了达到上述理想运行情况，并联运行的变压器需满足以下条件： 1、各变压器一、二次侧的额定电压分

25、别相等，即变比相同； 2、各变压器的连接组别相同； 3、各变压器的短路阻抗（短路电压）的标么值相等，且短路阻抗角也相等。2022年5月31日533.7 自耦变压器及仪用互感器自耦变压器及仪用互感器 原、副边共用一部分绕组的变压器叫自耦变压器。 1、电压、电流关系电压 ：A21212NINkNNEEUU电流 ：A21kII自耦变压器的变压器容量与绕组容量不相等。 2、容量 一、自耦变压器自耦变压器的变比越接近于1性能越好。 2022年5月31日54二、仪用互感器1、电压互感器l副边禁止短路。否则电流很大将烧毁电压互感器。l副边绕组及铁心必须牢固接地，保证安全。l副边负载的阻抗值不能太小。 注意事

26、项 ：ukNNEEUU2121212022年5月31日552、电流互感器l副边禁止开路。l副边须接地。l副边回路串入的阻抗值不能太大。 注意事项 ：2i1IkI2022年5月31日56 =4+3j，当外加电压为额定值时，试利用等效电路计算： 1）变压器原、副边电流；2）副边电压；3）输出功率解解 1）变比 ： 原边电流 NSN2N1UU1r2r1x2xLz30. 3115380N2N1UUk例例3-3一台单相电力变压器的额定容量=4.6kVA，额定电压=380115V，=0.15，=0.024， =0.27， =0.053，其负载阻抗为) () (L21L21N121xxxjrrrUII) 330. 3053. 030. 327. 0()430. 3024. 030. 315. 003802222j（=6