变压器用第二章

第二章

变压器

变压器：是一种静止的电机，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。换句话说，变压器就是实现电能在不同等级之间进行转换,能量既不能增加又不能减少。变压器变压器

1.1变压器的基本结构和分类一、变压器的基本结构：

电力变压器的基本构成部分有：铁心、绕组、绝缘套管、油箱及其他附件等，其中铁心和绕组是变压器的主要部件，称为器身。图1-2是油浸式电力变压器的结构图。

1、铁心和绕组：变压器中最主要的部件，他们构成了变压器的器身。1）铁心：构成了变压器的磁路，同时又是套装绕组的骨架。铁心由铁心柱和铁轭两部分构成。铁心柱上套绕组，铁轭将铁心柱连接起来形成闭合磁路。铁心材料：为了提高磁路的导磁性能，减少铁心中的磁滞、涡流损耗，铁心一般用高磁导率的磁性材料——硅钢片叠成。硅钢片有热轧和冷轧两种，其厚度为0.35～0.5mm，两面涂以厚0.02～0.23mm的漆膜，使片与片之间绝缘。

铁心型式：变压器铁心的结构有心式、壳式和渐开线式等形式。壳式结构的特点是铁心包围绕组的顶面、底面和侧面，如图所示。心式结构的特点是铁心柱被绕组包围，如图所示。壳式结构的机械强度较好，但制造复杂，

心式结构比较简单，绕组的装配及绝缘比较容易，电力变压器的铁心主要采用心式结构。铁心叠装：变压器的铁心一般是由剪成一定形状的硅钢片叠装而成。为了减小接缝间隙以减小激磁电流，一般采用交错式叠法，使相邻层的接缝错开。铁心截面:铁心柱的截面一般作成阶梯形，以充分利用绕组内圆空间。容量较大的变压器，铁心中常设有油道，以改善铁心内部的散热条件，如图所示。2）绕组：绕组是变压器的电路部分，它由铜或铝绝缘导线绕制而成。

一次绕组（原绕组）：输入电能二次绕组（副绕组）：输出电能他们通常套装在同一个心柱上，一次和二次绕组具有不同的匝数，通过电磁感应作用，一次绕组的电能就可传递到二次绕组，且使一、二次绕组具有不同的电压和电流。其中，两个绕组中，电压较高的称为高压绕组，相应的电压较低的称为低压绕组。从高、低压绕组的相对位置来看，变压器的绕组又可分为同心式、交迭式。由于同心式绕组结构简单，制造方便，所以，国产的均采用这种结构，交迭式主要用于特种变压器中。

2、其他部件：除器身外，典型的油锓电力变压器中还有油箱、变压器油、绝缘套管及继电保护装置等部件。

二、变压器的分类：

变压器的种类很多，可按其用途、结构、相数、冷却方式等不同来进行分类。1、按用途分类，可分为电力变压器（主要用在输配电系统中，又分为升压变压器、降压变压器、联络变压器和厂用变压器）、仪用互感器（电压互感器和电流互感器）、特种变压器（如调压变压器、试验变压器、电炉变压器、整流变压器、电焊变压器等）。

2、按绕组数目分类:可分为双绕组变压器,三绕组变压器、多绕组变压器和自耦变压器。3、按铁心结构分类，有心式变压器和壳式变压器。4、按相数分类，有单相变压器、三相变压器和多相变压器。5、按冷却介质和冷却方式分类，可分为油浸式变压器（包括油浸自冷式、油浸风冷式、油浸强迫油循环式）、干式变压器、充气式变压器。

6、电力变压器按容量大小通常分为小型变压器（容量为10～630kVA）、中型变压器（容量为800～6300kVA）、大型变压器（容量为8000～63000kVA）和特大型变压器（容量在90000kVA及以上）。三、额定值：额定值是制造厂对变压器在指定工作条件下运行时所规定的一些量值。额定值通常标注在变压器的铭牌上。变压器的额定值主要有：1、额定容量SN额定容量是指额定运行时的视在功率。以VA、kVA或MVA表示。由于变压器的效率很高，通常一、二次侧的额定容量设计成相等。2、额定电压U2N和U2N

正常运行时规定加在一次侧的端电压称为变压器一次侧的额定电压U2N。二次侧的额定电压U2N

是指变压器一次侧加额定电压时二次侧的空载电压。额定电压以V或kV表示。对三相变压器，额定电压是指线电压。3、额定电流I2N和I2N根据额定容量和额定电压计算出的线电流，称为额定电流，以A表示。对单相变压器对三相变压器4、额定频率fN除额定值外，变压器的相数、绕组连接方式及联结组别、短路电压、运行方式和冷却方式等均标注在铭牌上。额定状态是电机的理想工作状态，具有优良的性能，可长期工作。

四、变压器在铁路信号设备供电的应用

铁路信号用变压器，多采用低压小功率的干式自冷变压器。主要由信号、轨道、道岔表示、扼流、防雷等变压器。

BX型信号变压器用于色灯信号机的点灯电路，目前广泛采用的是BXl—34型。其绕组组成如图1所示。

BG型轨道变压器用于轨道电路供电，目前广泛使用的是BfiI一50型。其绕组组成如图2所示，原边接220V电源，副边输出电压为0．45"--10．8V，通过改变副边端子连接可获所需电压。

Bxl一34、BGI一50型变压器四变压器在信号设备应用BZ型中继变压器设于交流连续式轨道电路受电端，用以使钢轨阻抗与轨道继电器阻抗相匹配。其技术特性与BZ4型相似。

BD型道岔表示变压器用于电气集中联锁的道岔表示电路中作为道岔表示电源的隔离变压器，现使用BDI一7型。在电气化区段，为使牵引电流顺利通过绝缘节，而信号电流不流经相邻区段，在轨道电路送、受电端等需连通牵引电流的地方设置扼流变压器。在信号电源设备中，变压器作为主要部件，主要用于以下方面。隔离：双绕组变压器隔离成对地绝缘系统变压：将引入的电压变为所需的电压调压：自耦变压器变成连续可调的电压测量：电流互感器扩大电流表的量程五、变压器的运行特性变压器的运行特性主要有外特性和效率特性。外特性指在电源电压和负载的功率因数为常值时，变压器副边端电压与负载电流的变化关系，即U2=f(I2)。cosφ＝有功功率P／视在功率S=P/[(P2+Q2)^(1/2)]

效率特性是指在电源电压和负载的功率因数为常值时，变压器的效率与负载电流的变化关系。变压器的外特性（1）、电压变化率：原边为额定电压，负载功率因数一定时，空载副边端电压和负载副边端电压之差与额定电压比值在纯电阻和感性负载时，外特性下降；在容性负载时，可能上翘；纯电阻时变化较小。

(纯阻负载)（感性负载)（容性负载)此曲线称之为变压器的外特性电压变化率还与负载的性质，即功率因数φ2的大小和正负有关。（2）、变压器的损耗和效率：1、变压器的功率关系：

变压器在传递能量的过程中将产生损耗，损耗可分为铁耗和铜耗两类。通常变压器的空载损耗指的是铁耗，而短路损耗指的是铜耗。变压器的基本铁耗主要是磁滞和涡流损耗，主要是磁滞损耗。变压器的基本铜耗是指原、副绕组中的电阻损耗。变压器原边从电网吸收电功率P1，其中很小部分功率消耗在原绕组的电阻上(pcu1=mI12R1)和铁心损耗上(pFe=mI02Rm)。其余部分通过电磁感应传给副绕组，称为电磁功率PM。副绕组获得的电磁功率中又有很小部分消耗在副绕组的电阻上(pcu2=mI22R2)，其余的传输给负载，即输出功率:这样，变压器的功率关系可表示如下：所以变压器的效率为：2、效率的求解：1）以按给定负载条件直接给变压器加负载，测出输出和输入有功功率就可以计算出来。这种方法称为直接负载法，P1和P2效率相差不大，难以直接测得，且效率实验耗电多，不经济。因而，采用间接法，测出各种损耗计算效率。2）电力变压器可以应用间接法计算效率，间接法又称损耗分析法。其优点在于无需给变压器直接加负载，也无需运用等效电路计算，只要进行空载试验和短路试验，测出额定电压时的空载损耗p0和额定电流时的短路损耗pkN就可以方便地计算出任意负载下的效率。在应用间接法求变压器的效率时通常作如下假定：

1.忽略变压器空载运行时的铜耗，用额定电压下的空载损耗p0来代替铁耗pFe，即pFe=p0，它不随负载大小而变化，称为不变损耗；2.忽略短路试验时的铁耗，用额定电流时的短路损耗pkN来代替额定电流时的铜耗。但需要注意的是：不同负载时的铜耗与负载系数的平方成正比，当短路损耗pk不是在IK=IN时测的，则pkN=(IN/IK)2PK。3.不考虑变压器副边电压的变化，即认为U2=U2N不变，这样便有P2=mU2I2cosφ2=mU2NI2N(I2/I2N)cosφ2

=β

SNcosφ

2

这样，效率的公式可变为：=*100%以上的假定引起的误差不大（不超过0.5％），却给计算带来很大方便，电力变压器规定都用这种方法来计算效率。3.效率特性：上式说明，当负载的功率因数cosφ

2一定时，效率随负载系数而变化。图为变压器的效率曲线。效率决定于铁耗、铜耗和负载大小。

特性分析：1.空载时输出功率为零，所以η=0。2.负载较小时，损耗相对较大，功率η较低。3.负载增加，效率η亦随之增加。超过某一负载时，因铜耗与成正比增大，效率η反而降低，最大效率η出现在=0的地方。因此，取η对β的导数，并令其等于零，即可求出最高效率ηmax时的负载系数βm

βm==

ηmax=×100％即当不变损耗（铁耗）等于可变损耗（铜耗）时效率最大。

六、三相变压器现代电力系统都采用三相制，故三相变压器使用最广泛。但三相变压器也有其特殊的问题需要研究，例如三相变压器的磁路系统、三相变压器绕组的连接方法和联结组、三相变压器空载电动势的波形和三相变压器的不对称运行等。此外，变压器的并联运行也放在本章讨论。

三相变压器的磁路系统三相变压器的磁路系统可分为各相磁路独立和各相磁路相关两大类。（一）、各相磁路独立:三相变压器组或组式三相变压器,如图所示特点：1.显然各相磁路相互独立彼此无关2.当原方接三相对称电源时，各相主磁通和励磁电源也是对称的。（二）、各相磁路相关：如图所示，可见，此时的各相磁通之间是相互联系的，即：特点：在这种铁心结构的变压器中，任一瞬间某一相的磁通均以其他两相铁心为回路，因此各相磁路彼此相关联。

七

变压器的并联运行（一）、并联运行的定义：是指将两台或多台变压器的原方和副方分别接在公共母线上，同时向负载供电的运行方式，如图所示。（二）、并联运行的优点：1）可以提高供电的可靠性。2）可以根据负荷的大小调整投入并联运行变压器的台数，以提高运行效率；3）可以减少备用容量，并可随着用电量的增加，分期分批地安装新的变压器，以减少初投资。当然，并联变压器的台数也不宜太多，因为在总容量相同的情况下，一台大容量变压器要比几台小容量变压器造价低、基建设投资少、占地面积小。

（三）、变压器的理想并联运行条件：1）空载时并联的各变压器副绕组之间没有环流。

2）带负载后各变压器的负载系数相等。3）负载时各变压器对应相的电流相位相同（四）、并联运行的变压器必须满足以下三个条件：1）各变压器高、低压方的额定电压分别相等，即各变压器的变比相等；2)各变压器的联结组相同；3）短路电抗与短路电阻之比相等。上述三个条件中，条件2﹚必须严格保证。

（五)、条件不满足时的情况：1）如果各变压器的联结组不同：将会在变压器的副绕组所构成的回路上产生一个很大的电压差，这样的电压差作用在变压器必然产生很大的环流（几倍于额定电流）它将烧坏变压器的绕组，因此联结组不同的变压器绝对不能并联运行。2）变比不相等时：在并联运行的变压器之间也会产生环流。

八、变压器的过渡过程在实际运行中，有时会受到外界因素的急剧扰动，如负载突然变化、空载合闸到电源、副方突然短路及过电压冲击等，原来的稳定运行状态必然遭到破坏，各电磁量要经历一个急剧的变化过程才能达到新的稳定运行状态。这种从一种稳定运行状态过渡到另一种稳定运行状态的过程，称为瞬变过程。过电流现象空载合闸：变压器副边开路，将原边接入电源。在稳态运行时，变压器的空载电流很小，仅为额定电流的3~10%。但在空载合闸时却可能出现很大的冲击电流，其值可达稳态空载电流的几十倍甚至上百倍，相当于几倍的额定电流。如不采取适当措施，则可能使开关跳闸，变压器不能顺利投入电网。过电流的影响在整个瞬变过程中，大部分时间内的冲击电流都在额定电流值以下。因此，无论从电磁力或温升来考虑，对变压器本身没有多大危害。但在最初几个周期内，冲击电流可能使过电流保护装置误动作。为了防止这种现象发生，加快合闸电流的衰减，可在变压器原边串入一个合闸电阻，合闸完后再将该电阻切除。过电流：变压器副方突然短路时的瞬变过程副方突然短路时，短路电流很大，形成过电流现象。在分析副方发生短路时的瞬变过程时，思路和前面所分析的空载和闸的瞬变过程时一样的，所以在这里，不在进行详细的阐述，得到结论如下：在突然短路时会产生一个很大的冲击电流，它会在变压器绕组上产生很大的电磁力，严重时可能使变压器绕组变形而损坏。突然短路时的电磁力：在发生突然短路时，变压器的绕组处在漏磁场中，绕组中的电流与漏磁场相互作用，在绕组的导线中产生电磁力，严重时可达到额定运行时的400-900倍！变压器的过电压现象变压器运行时，由于某种原因使得变压器承受的电压超过它的最大允许工作电压时，称为过电压。过电压对变压器的影响却很大，它可能导致绝缘击穿，因此必须采取有效措施，防止过电压的产生或进行有效的保护。

电压超过了最大工作电压都可称为过电压，但通常把过电压理解为周期性或非周期性的短时间冲击电压。过电压产生于以下情况：1、操作过电压：变压器接入或断开2、故障过电压：系统中发生短路或间歇接地而产生

3、大气过电压：雷电过电压防护措施为了进行过压防护，一般采用以下措施：1、避雷器防护；2、加强绝缘；3、静电防护；九变压器的维修变压器的维修包括运行前的检查和运行中的监视和维护，是保证其安全运行的重要工作。运行前对变压器进行检查，检查项目如下：

1、检查变压器的额定电压和容量是否符合要求。

2、检查变压器的内外是否清洁，各部螺丝是否完好，安装是否牢固，硅钢片是否夹紧。

运行前检查3、检查分接头调压板是否安装牢固，分接头的选定是否与所需电压相适应。4、检查高、低压绕组接线是否正确，引线有无破裂或断股情况，绝缘是否包扎完好。5、用1000V兆欧表测量绕组间及对地绝缘电阻。如线圈受潮，应进行干燥处理。

6、检查变压器接地线是否联接完好。

7、检查变压器的熔断器是否符合要求。在运行中进行监视和维护1、变压器有无异常声音。

2、各引线接头有无松动及跳火情况。

3、熔断器是否完好。

4、变压器的温升是否超过规定标准。变压器在运行中的不正常状态及原因

1、变压器的嗡声很大，主要是铁心硅钢片未夹紧所致。

2、在正常的负荷和冷却条件下，变压器过热、冒烟和局部发生弧光。原因有，铁心穿通螺栓绝缘损坏、铁心硅钢片间绝缘损坏、高低压绕组间短路、匝间短路、引出线混线及过负荷等。

3、变压器熔断器熔断，应先检查变压器本身无短路等异常情况，再查找外部故障，待故障排除后，再换上熔芯投入运行。第三节互感器

测量大电流时，因导线周围产生的磁场会对仪表带来附加影响，故不能采用直接式电流表；用分流器来扩大量限时，分流电阻的功耗颇大，故通常用电流互感器来扩大电流表量限。互感器是测量用的变压器，又称仪用变压器，用来扩大仪表的测量范围，有电压互感器和电流互感器两种，信号电源中只使用了后者。电流互感器的结构和工作原理电流互感器是工作于低磁感应