第三章变压器

第三章

变压器的基本作用原理与理论分析5电力变压器的原理、结构和额定值1变压器空载运行2变压器负载运行3标幺值465变压器的运行性能65参数测定方法5第一节

变压器的原理、结构和额定值一、变压器的基本工作原理变压器——

是一种静止的电磁装置，它利用电磁感应原理，把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。

变压器的主要部件是一个铁芯和套在铁芯上的两个绕组。两绕组只有磁耦合没电联系。在一次绕组中加上交变电压，一次侧就有电流存在，该电流在铁芯中可产生一个交变的主磁通Φ，主磁通在两绕组中分别感应电动势e1、e2。根据电磁感应定律可写出电动势的瞬时方程式：

只要：(1)磁通有变化量;(2)一、二次绕组的匝数不同，就能达到改变电压的目的。因e1≈u1，e2≈u2，有：所以：改变变压器的变比k，就能达到改变二次电压u2的作用。若N1>N2，变压器起降压作用；若N1<N2，变压器起升压作用。变压器分类按用途：升压变压器、降压变压器；按相数：单相变压器和三相变压器；按绕组数：双绕组变压器、三绕组变压器和自耦变压器；按铁芯结构：芯式变压器和壳式变压器；按调压方式：无励磁调压变压器、有载调压变压器；按冷却介质和冷却方式：油浸式变压器和干式变压器；按容量大小：小型变压器、中型变压器、大型变压器和特大型变压器。变压器用途电力系统中实现电能的远距离高效输送、合理配电、安全用电。如：电力变压器、配电变压器。供给特殊电源用的专用变压器。如：炼钢炉供电的电炉变压器，大型电解电镀、直流电力机车供电的整流变压器。测量用的仪用变压器。控制系统实现信号的传输——控制变压器，直到仅传输信号的非常小的无线电变压器。连接发电机与电网的升压变压器连接发电机的封闭母线

与电网相连的高压出线端各种变压器电源变压器环形变压器控制变压器各种变压器电力变压器接触调压器三相干式变压器二、电力变压器的基本结构1、铁芯—变压器的磁路

铁芯是变压器的主磁路，又作为绕组的支撑骨架。变压器的一次绕组和二次绕组都绕在铁芯上。它主要由铁芯柱、铁轭和紧固件组成。如图所示:铁芯柱铁轭紧固件作用是:固定绕组。作用是:使磁路闭合。作用是:使铁芯不松动。为了提高导磁性能和减少铁损，铁芯多采用含硅量约为5%，厚度为0.23～0.35mm或0.5mm，两面涂绝缘漆或氧化处理的冷轧硅钢片叠装而成。芯式变压器结构：芯柱被绕组所包围。特点：芯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。单相芯式变压器1--铁芯柱2--铁轭3—高压线圈4—低压线圈壳式变压器结构：铁芯包围绕组。特点：壳式变压器的机械强度较好，常用于低压、大电流的变压器或小容量电讯变压器。单相壳式变压器1--铁芯柱2--铁轭3—绕组三相芯式变压器示意图绕组上铁轭铁芯柱下铁轭铁芯的装配

叠接式是将铁芯柱和铁轭的硅钢片一层一层叠装，各层硅钢片的排列互不相同，叠装之后，各层的接缝不在同一点，如图所示。奇数层偶数层奇数层偶数层单相四片铁芯交叠方法三相六片铁芯交叠方法组成铁芯的钢片应先裁成所需用的形状和尺寸，称为冲片，然后按交叠方式把冲片组合起来。2、绕组--变压器的电路绕组是变压器传递交流电能的电路部分，一般用绝缘扁铜(铝)线或绝缘圆铜(铝)线在绕线模上绕制而成。变压器中，工作电压高的绕组称为高压绕组，工作电压低的绕组称为低压绕组。按照绕组在铁芯中的排列方法可分为铁芯式和铁壳式根据高、低压绕组的相对位置、形状不同，以及在绕组铁芯柱上排列方式不同，可分为同芯式和交叠式两种。同芯式绕组1--铁芯柱2--铁轭3—高压线圈4—低压线圈油浸式电力变压器1—信号式温度计2—吸湿器3—储油柜4—油位计5—安全气道6—气体继电器7—高压套管8—低压套管9—分接开关10—油箱11—铁芯12—线圈13—放油阀门1、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，表示方法为三、变压器的型号与额定值

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。如：如OSFPSZ-250000/220表明自耦三相强迫油循环风冷三绕组铜线有有载调压，额定容量250000kVA，高压额定电压220kV电力变压器。2、额定值指铭牌规定的额定使用条件下所能输出的视在功率。是输出能力保证值。额定容量指长期运行时所能承受的工作电压，单位：V、KV。额定电压指在额定容量下，变压器在连续运行时允许通过的最大电流有效值。在三相变压器中指的是线电流。额定电流单位：V·A、KV·A、MV·A其实际输出功率取决于负载的大小和性质，即P=Scosφ。U1N是指根据绝缘强度和允许发热所规定的应加在一次绕组上的正常电压有效值。U2N是指一次侧加额定电压时二次侧的开路电压。在三相变压器中额定电压为线电压。单位：A此外，额定值还有效率、温升等。除额定值外，铭牌上还标有变压器的相数、联结组和接线图、短路电压（或短路阻抗）的标么值、变压器的运行方式及冷却方式等。三者关系：单相：三相：额定频率fN指电源频率，我国规定标准工频为50Hz。为考虑运输，有时铭牌上还标有变压器的总重、油重、器身重量和外形尺寸等附属数据。练习1.有一台单相变压器，

试求变压器原、副线圈的额定电流？解：一次绕组的额定电流二次绕组的额定电流2.有一台SSP-125000/220三相电力变压器，YN，d接线，求:变压器额定电压和额定电流

解：一、二次侧额定电压

一次侧额定电流（线电流）

二次侧额定电流（线电流）

第二节变压器空载运行变压器的空载运行是指变压器一次绕组接在额定电压的交流电源上，而二次绕组开路时的工作情况。u1i0Φ主磁通当变压器的一次绕组加上交流电压u1时，一次绕组内便有一个交变电流i0（即空载电流）流过,并建立交变磁场。N1N2Φσ1漏磁通根据电磁感应原理，分别在一、二次绕组产生电动势e1、eσ1和e2eσ1e1e2u02i2=0u02一、电磁物理现象二、各电磁量参考方向的规定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。主磁通与漏磁通强调：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。三、感应电动势、电压变比1.主磁通感应的电动势——主电动势设则有效值相量

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。四、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；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：空载电流包含两个分量，一个是励磁分量，作用是建立磁场，另一个是铁损耗分量，主要作用是供铁损耗。3、空载电流波形由于磁路饱和，空载电流与由它产生的主磁通呈非线性关系。

当磁通按正弦规律变化时，空载电流呈尖顶波形。实际空载电流为非正弦波，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。374、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态合金。38五、漏抗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.六、电路方程、等效电路和相量图1、电动势平衡平衡方程（1）一次侧电动势平衡方程忽略很小的漏阻抗压降，并写成有效值形式，有则可见，影响主磁通大小的因素有电源电压和频率，以及一次线圈的匝数。重要公式（2）二次侧电动势平衡方程2、变比定义对三相变压器，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D，y接线3、等效电路一次侧的电动势平衡方程为空载时等效电路为励磁电阻、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。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，减小，提高运行效率和功率因数。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（2）与同相，滞后，（3）滞后，；（4）（5）空载运行小结（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。第三节变压器负载运行一、负载运行时的物理情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。用图示负载运行时的电磁过程二、负载运行时的基本方程式（一）磁动势平衡方程式或用电流形式表示。,I;,I::L作用它起平衡二次磁动势的另一个是负载分量产生主磁通它用来一个是励磁电流两个分量变压器的一次电流包括表明10&&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.负载运行时,忽略空载电流有:表明，一、二次电流比近似与匝数成反比。可见，匝数不同，不仅能改变电压，同时也能改变电流。（二）电动势平衡方程式根据基尔霍夫定律可得:或

综上所述，变压器负载运行方程式总结为:三、归算当k较大时，变压器一、二次侧电压相差很大，为计算和作图带来不便。变压器一次侧和二次侧没有直接电路的联系，只有磁路的联系。二次侧的负载电流通过磁通势影响一次侧。因此只要保持二次侧的磁通势不变，一次侧的物理量没有改变。这为绕组的折算提供了依据。绕组折算：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。折算原则：1）保持二次侧磁通势不变；2）保持二次侧各功率或损耗不变。折算原则：1）保持二次侧磁通势不变；2）保持二次侧各功率或损耗不变。=1.电动势换算关系2.阻抗换算关系根据保持归算前后电阻铜耗及漏感中无功功率不变的原则，可得：3.端电压换算关系折合算法只是一种分析的方法。凡是单位为伏的物理量（电动势、电压）的归算值等于原来数值乘k；单位为欧的物理量（电阻、电抗、阻抗）的归算值等于原来数值乘k2；电流的归算值等于原来的数值乘以1/k。四、归算后的基本方程、等效电路和相量图（已没有变比k）二次绕组经折合后，基本方程式变为：折合后的基本方程式等效电路根据折算后的方程，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：

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10～20倍。相量图相量图的画法，视变压器给定的和求解的具体条件。给定量和求解量不同，画图步骤也不一样。根据变压器的T形等效电路，可画出相应的相量图。变压器接感性负载，负载阻抗由电阻和电感组成，为滞后；接容性负载，负载阻抗由电阻和电容组成，为超前。相量图的画法（1）画出；假定给定U2、I2、cos2及各个参数（2）在相量上加上得到；（3）（6）画出与的相量和；（7）画出，加得到。（4）画出领先的主磁通；（5）根据画出，领先一个铁耗角；第四节标幺值

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,即一、定义二、基值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；3、标么值=实际值基准值三、优点四、缺点标么值没有单位，物理意义不明确。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；

1、额定值的标么值为1。

2、百分值=标么值×100%；4、某些意义不同的物理量标么值相等第五节参数测定方法一、空载实验1、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。2、接线图3、要求及分析WAVV~**1）低压侧加电压，高压侧开路；4）求出参数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；二、短路实验1.目的：通过测量短路电流、短路电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。2.接线图3.要求及分析1）高压侧加电压，低压侧短路；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。5）参数计算对T型等效电路：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，记作短路电压也称为阻抗电压。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；短路电压常用百分值表示

短路电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，希望短路电压小些，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。第六节变压器的运行性能一、变压器的电压变化率和外特性1)电压变化率是指当一次侧接在额定电压的电网上，负载的功率因数为常数时，空载与额定负载时二次侧端电压变化的相对值，用△U%表示。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。

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。用相量图可以推导出电压变化率的表达式（用标幺值表示的简化等效电路的相量图）2)变压器的外特性变压器在负载运行中，随着负载的增加，负载电流随之增加，一、二次绕组上的电阻压降及漏磁电动势都随之增加，二次绕组的端电压U2将会降低。1.001.03)电压调整

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。

中、小型电力变压器一般有三个分接头，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%。

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。二、变压器的损耗与效率1)变压器的损耗变压器的损耗主要是铁损耗和铜