第七章变压器

第七章变压器

变压器是一种常见的电气设备，是一种静止电机，它可以将一种电压形式的电能转换为另一种电压形式的电能。在电力系统和电子线路中应用广泛。变电压：电力系统

变阻抗：电子线路中的阻抗匹配变电流：电流互感器

变压器的主要功能有：变压器概述变压器的分类电压互感器电流互感器按用途分电力变压器(输配电用)仪用变压器整流变压器变压器符号

发电厂1.05万伏输电线22万伏升压变电站1万伏降压

变压器应用举例…降压实验室380/220伏降压仪器36伏降压电力变压器：电力系统中传输和分配电能用的变压器等。7.1.1变压器的基本结构第一节变压器的基本结构和工作原理铁心绕组其他部件变压器的基本结构1.铁心铁心由心柱和铁轭两部分组成。心柱用来套装绕组，铁轭将心柱连接起来，使之形成闭合磁路。为减少铁心损耗，铁心用厚0.27-0.35mm的硅钢片叠成，片上涂以绝缘漆，以避免片间短路。按照铁心的结构，变压器可分为心式和壳式两种。变压器的磁路绕组：一次绕组二次绕组单相变压器+–+–由高导磁硅钢片叠成厚0.35mm或0.5mm铁心变压器的电路一次绕组N1二次绕组N2铁心变压器符号变压器的结构变压器结构三相变压器心式变压器:

结构心柱被绕组所包围。

特点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。壳式变压器:

结构铁心包围绕组的顶面、底面和侧面。

特点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。2.绕组定义变压器的电路部分，用纸包或纱包的绝缘扁线或圆线（铜或铝）绕成。

一次绕组:输入电能的绕组。

二次绕组:输出电能的绕组。高压绕组的匝数多,导线细；低压绕组的匝数少，导线粗。从高,低压绕组的相对位置来看,变压器的绕组可分为同心式和交迭式。同心式结构

同心式绕组的高、低压绕组同心地套装在心柱上。特点

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。交叠式结构

交迭式绕组的高、低压绕组沿心柱高度方向互相交迭地放置。交迭式绕组用于特种变压器中。特点

心式变压器线圈铁心

壳式变压器线圈铁心

壳式变压器

低压绕组

高压绕组同心式绕组

低压绕组

高压绕组交叠式绕组3.其他部件

器身油箱变压器油典型的油浸电力变压器散热器绝缘套管分接开关继电保护装置等部件1）变压器的型号7.1.2变压器的铭牌变压器的铭牌和技术数据SJL1000/10

变压器额定容量(KVA)

铝线圈

冷却方式J:油浸自冷式F:风冷式相数S:三相D:单相

高压绕组的额定电压(KV)

2）额定值额定电压U1N、U2N

变压器二次侧开路（空载）时，一次、二次侧绕组允许的电压值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V或kV。三相变压器指线电压。

额定电流I1N、I2N

变压器满载运行时，一次、二次侧绕组允许的电流值。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A。三相变压器指线电流。

额定容量

SN

传送功率的最大能力。在铭牌规定的额定状态下变压器输出视在功率的保证值，单位为kV或kVA。三相变压器指三相容量之和。额定频率

我国的标准工频规定为50赫(Hz)。变压器的效率()为减少涡流损耗，铁心一般由导磁钢片叠成。变压器的损耗包括两部分：铜损(PCu)：绕组导线电阻的损耗。涡流损耗：交变磁通在铁心中产生的感

应电流(涡流)造成的损耗。磁滞损耗：磁滞现象引起铁心发热，造

成的损耗。

铁损(PFe)：变压器的效率为一般95%,负载为额定负载的(50~75)%时，最大。输出功率输入功率

基本铜耗：是指电流流过绕组时所产生的直流电阻损耗。1.铜耗杂散铜耗：主要指漏磁场引起电流集肤效应，使绕组的有效电阻增大而增加的铜耗，以及漏磁场在结构部件中引起的涡流损耗等。铜耗与负载电流的平方成正比，因而也称为可变损耗。2.铁耗

基本铁耗：是变压器铁心中的磁滞和涡流损耗。杂散铁耗：包括叠片之间的局部涡流损耗和主磁通在结构部件中引起的涡流损耗等。铁耗可近似认为与或成正比，由于变压器的一次电压保持不变,故铁耗可视为不变损耗。

7.1.3变压器的工作原理单相变压器+–+–一次绕组N1二次绕组N2铁心

一次、二次绕组互不相连，能量的传递靠磁耦合。(1)原理图•一个铁心：提供磁通的闭合路径。•两个绕组：一次侧绕组(原边)N1,二次侧绕组(副边)N2。变压器的工作原理变压器---利用电磁感应原理，从一个电路向另一个电路传递电能或传输信号的一种电器.是电力系统中生产，输送，分配和使用电能的中的重要装置也是电力拖动系统和自动控制系统中电能传递或作为信号传输的重要元件。工作原理1.当一次绕组接交流电压后，就有激磁电流i0存在，该电流在铁心中可产生一个交变的主磁通Φ。2.Ф在两个绕组中分别产生感应电势e1和e2e1=－N1dФ/dte2=－N2dФ/dt3.若略去绕组电阻和漏抗压降，则以上两式之比为：U1/U2≈(-e1)/(-e2)=N1/N2

4.U1/U2≈(-e1)/(-e2)=N1/N2=k，k定义为变压器的变比。即：U1/U2=N1/N2从此式可以看出，若固定U1，只要改变匝数比即可达到改变电压的目的了，即:若使N2>N1，则为升压变压器；若使N2<N1，则为降压变压器。1.电压变换（匝比）K为变比结论：改变匝数比，就能改变输出电压。2.电流变换结论：一次、二次侧电流与匝数成反比。3.阻抗变换由图可知：+–+–+–

结论：变压器一次侧的等效阻抗模，为二次侧所带负载的阻抗模的K2倍。第二节变压器的运行特性

什么是空载运行？变压器的一次绕组接交流电源,二次绕组开路负载电流为零(即空载)时的运行情况,称为空载运行。一.空载时的物理情况单相变压器空载运行时的各物理量1.空载磁场空载电流i0

产生一个交变磁通势i0N1，并建立交变磁场主磁通Øm通过铁心闭合的磁通量（占绝大部分）漏磁通Ø1ó通过油和空气闭合的磁通量（占少量）2.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：e1(t)=-N1

dFm/dte2(t)=-N2

dFm/dt7.2.1单相变压器的空载运行1)主磁通若u1

随时间按正弦规律变化，则Øm也按正弦规律变化，设则对e1有：e1(t)=-N1

dFm/dt=-wN1Fm

coswt=wN1Fm

sin(wt-90°)=E1msin(wt-90°)而对e2有：e2(t)=-N2

dFm/dt=-wN2Fm

coswt=wN2Fm

sin(wt-90°)=E2msin(wt-90°)所以e1和e2

也按正弦规律变化上式表明感应电动势e1、e2

在相位上滞后于Øm

的电角度是90°有效值是:因此，可得出：E1/E2=N1/N2≈U1/U2=k

式中k为变压器的电压比，即变比。定义K>1变压器为降压变压器；K<1变压器为升压变压器。空载运行小结（1）感应电动势E的大小与电源频率f、绕组匝数N及铁心中主磁通的最大值φm

成正比，在相位上滞后产生它的主磁通90度。而主磁通的大小由电源电压、电源频率和一次线圈匝数决定，与磁路所用材料的性质及几何尺寸基本无关。（2）空载电流大小与主磁通、线圈匝数及磁路的磁阻有关。铁心的饱和程度越高，则磁导率越低，励磁电抗越小，空载电流越大。因此要合理选择铁心截面，使磁通密度Bm为最大。（3）铁心所用材料的导磁性能越好，则励磁电抗越大，空载电流越小。因此变压器的铁心均用高导磁的材料硅钢片叠成。（4）气隙对空载电流影响很大，气隙越大，空载电流越大。因此要严格控制铁心叠片接缝之间的气隙。7.2.2单相变压器负载运行变压器带有负载时，变压器内的物理情况与空载时有所不同.变压器负载运行时，二次绕组中的电流I2产生磁通势I2N2由于电源电压恒定U1=常数，则E1@

常数，Øm@

常数产生主磁通的磁势也不会改变，因此达到新的平衡的条件是：绕组的电流增量DI1所产生的磁通势与二次绕组电流I2所产生的磁通势相抵消，以维持主磁通基本不变。即这表明，二次绕组的电流增加时，一次绕组的电流就相应地增加，这样，通过电磁感应作用，变压器把电能从一次侧传递到二次侧。DÌ1N1+

Ì2N2=0

一、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、空载电流百分数、铁损和励磁阻抗。（二）接线图：WAVV~**（三）要求及分析：1）为了便于测量和安全，通常在低压侧加电压，高压侧开路；4）求出参数7.2.3变压器参数的测定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、短路实验一、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。二、接线图三、要求及分析1）高压侧加电压，低压侧短路；WAV~**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：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；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。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。7.2.4变压器的运行特性

在原边绕组电压保持额定，负载功率因数为常数时，变压器副边绕组端电压U2随负载电流I2变化的规律U2=f（I2）称为变压器的外特性。

1.001.01.变压器的外特性

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。从图中可以看出：纯电阻和感性负载时，外特性是下降的，容性负载时曲线上翘。纯电阻时，电压变化较小，感性和容性负载时电压变化较大。2.电压变化率：

一般供电系统希望要硬特性（随I2的变化，U2

变化不大），电压变化率约在5%左右。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。3.变压器的效率特性效率是指变压器的输出功率与输入功率的比值。根据上式，可通过空载试验和短路试验，求出变压器的铁心损耗和铜损，然后计算效率。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η=f(β),称为变压器的效率特性。变压器的效率特性曲线第三节

三相变压器一、三相变压器的磁路系统（一）三相组式变压器特点是：三相磁路彼此无关。（二）三相心式变压器特点是：三相磁路彼此有关联。二、三相变压器的电路系统－联结组（一）变压器的端头标号绕组名称单相变压器三相变压器中性点首端末端首端末端高压绕组U1U2U1、V2、W1U2、V2、W2N低压绕组u1u2u1、v1、w1u2、v2、w2n中压绕组U1mU2mU1m、V1m、W1mU2m、V2m、W2mNm（二）单相变压器的极性****一、二次绕组的同极性端同标志时，一、二次绕组的电动势同相位。****一、二次绕组的同极性端异标志时，一、二次绕组的电动势反相位。（三）三相变压器的连接组别1、联结组的定义定义：按一、二次侧线电势的相位关系,把变压器绕组的连接分成各种不同的组合,称为绕组的联结组。2、联结组的表达形式在三相变压器中，对于一次绕组或二次绕组，主要采用星型和三角形两种联结形式。我国生产的三相电力变压器常用Y,yn、Y,d、YN,d等三种联结。3、联结组别号的判定方法（1）时钟表示法123456789101112将一次侧线电势的向量作为时钟的分针，始终指向12（0）点；二次侧线电势的向量作为时钟的时针，它所指的钟点即为变压器的联结组别号。钟表上时间的确定是由分针和时针在顺时针方向的夹角确定的。（2）判定的步骤①绕组的连接形式UVWUVW各相绕组末端连接在一起，首端引出为星型连接。各相绕组首、末端依次连接在一起形成回路，首端引出为星型连接。②相序的判定UVW对于星型连接U、V、W为顺向序，做向量图是按照顺时针方向画图。UVWEU.EV.Ew.UVW对于星型连接，逆相序时，做向量图依然按照顺时针方向画图。VWEU.EV.Ew.U对于三角型连接U、V、W为顺向序，做向量图是按照顺时针方向画图。UVWUVWEU.EV.Ew.对于三角型连接为逆向序时，做向量图是按照逆时针方向画图。WUVWEV.EW.EU.UV③同名端的判断同名端是指一、二次侧绕组相电动势间的极性关系，用“.”标记。极性相同时为同名端，对应相电势同向。EU.Eu.EU.Eu.反之为非同名端，对应相电势反向。Uu④作向量图判定组别号UVWuvwUVWEU.EV.Ew.EUV.uvwEuv.Eu.组别号为：Y,y0UVWUVWEU.EV.Ew.EUV.uvwEuv.Eu.组别号为：Y,y6180°UVWUVWUVWUVWUVWEU.EUV.uEu.vw组别号为：Y,d130°UVWUVWEU.EUV.uEu.vwEuv.330°组别号为：Y,d11

UVWUEU.EV.EW.VWEUV.vEV.uwEuV.180°组别号为：D,d6思考题有一三相变压器，其一、二次绕组的同名端及端点标记如图所示，试把该变压器连成Y,d7。UVWUVWEU.EUV.uEuv.vEu.210°UVWUVWEU.EUV.uEuv.vEv.210°wvuwY,d7有一三相变压器，其一、二次绕组的同名端及端点标记如图所示，试把该变压器连成D,d4。ＵＶＷＵＶＷEU.EUV.ＷEｖ.Ｅｕｖ．１２０°Eｕｖ.ｕｖｖｕＶｗｕ（四）联结组别号的特点及应用1、特点：①当变压器一、二次侧绕组连接形式都为星型时，可得0、2、4、6、8、10、六个偶数组号。②当变压器一次侧绕组连接形式为星型，二次绕组连接形式为三角型时，可得1、3、5、7、9、11六个奇数组号。2、应用：为了制造和并联运行时的方便，我国规定Y,yn0;Y,d11;YN,d11;YN,y0;Y,y0等五种作为三相电力变压器的标准联结组。三、三相变压器的联结法和磁路系统对电动势波形的影响

i0中有无i03,看电路连接中有无i03通路，Y连接中，无i03通路,i0为正弦波;YN或D连接,i03可以在绕组中流过，i0为尖顶波。

单相变压器，当磁路饱和时，u1为正弦波，Φ和e1也是正弦波，而i0为尖顶波——分解为基波i01和三次谐波i03（忽略其它高效次谐波）。

对三相变压器，由于绕组的连接方式不同，i0

中可能i03

，使Φ和e1为非正弦波——同样可分解为基波和三次谐波（忽略其它高效次谐波）。

Φ中有无Φ3

，看磁路结构，三相组式变压器，Φ3可以在铁心中流过，Φ为平顶波；三相心式变压器，Φ3不能在铁心中流过，只能借助油和油箱壁等形成回路，磁路磁阻很大，Φ3很小，Φ基本为正弦波。（一）Y，y联结的三相变压器的电动势波形一次侧Y接线，i03=0，i0为正弦波，磁通Φ应为平顶波。（2）对三相心式变压器，Φ3不能在铁心中流过，只能借助油和油箱壁等形成回路，磁路磁阻很大，Φ3很小，Φ基本为正弦波，感应电动势e也基本为正弦波。但通过油箱壁时将产生涡流损耗，造成局部过热，降低变压器的效率，因此，容量不大于1600kVA的三相心式变压器，才允许采用Y，d联结。1、对三相变压器组，Φ3可以在铁心中存在，所以Φ为平顶波，感应电动势e为尖顶波，其中的三次谐波幅值可达基波幅值的45%~60%，使相电动势的最大值升高很多，可能击穿绕组绝缘，因此，三相组式变压器不采用Y，y连接。一次绕组Y连接，i03=0，i0为正弦波，Φ应为平顶波，其中的Φ3在二次绕组中感应电动势e23，并在D内产生i23。i23建立的磁通Φ23大大削弱Φ3的作用，因此合成磁通和电动势均接近正弦波。（二）D，y连接的三相变压器的电动势波形一次侧D接线，i03可以流过，i0为尖顶波，磁通Φ应为正弦波，感应电动势e也为正弦波。（三）Y，d连接的三相变压器的电动势波形结论：（1）变压器一次侧是YN连接时，电动势波为正弦。（2）变压器有一