工厂供电第三章变压器

变压器：变换电压、交换电能，实现电能传输和电信号处理，一次侧二次侧，高压输电、配电，10kV、35kV、110kV、220kV、500kV→380/220V、3kV、6kV。第三章变压器2/5/20231电机及拖动基础2/5/20232电机及拖动基础第一节变压器的工作原理及结构变压器的主要部件——铁心和套在铁心上的两个绕组。两绕组只有磁路耦合没电气联系。在一次绕组一、变压器的工作原理中加上交变电压，产生交链一、二次绕组的交变磁通，在两绕组中分别感生电动势。1·U·+--+-+-+2/5/20233电机及拖动基础——匝比，变比，相电压之比。所以，改变N1、N2之比，就可以达到改变电压的目的。N1>N2为降压变压器，N1<N2为升压变压器。二、变压器的分类

按用途分：电力变压器和特种变压器。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。按相数分：单相变压器、三相变压器和多相变压器。

按铁心结构分：心式变压器和壳式变压器。2/5/20234电机及拖动基础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。电力变压器的外形与器身2/5/20235电机及拖动基础油浸变压器-12/5/20236电机及拖动基础油浸电力变压器-22/5/20237电机及拖动基础油浸电力变压器-32/5/20238电机及拖动基础油浸电力变压器-42/5/20239电机及拖动基础油浸电力变压器-52/5/202310电机及拖动基础油浸电力变压器-62/5/202311电机及拖动基础油浸式电力变压器-72/5/202312电机及拖动基础整流变压器2/5/202313电机及拖动基础整流变压器2/5/202314电机及拖动基础31500-220单相牵引变压器2/5/202315电机及拖动基础40000-1050武高所单相有载调压试验变压器2/5/202316电机及拖动基础240000-400香港中华电力项目三相自耦有载调压变压器2/5/202317电机及拖动基础360000-500托克托电厂三相自耦有载调压联络变压器2/5/202318电机及拖动基础750000-500福州三相自耦有载调压壳式变压器2/5/202319电机及拖动基础25000-20伊朗厂用变压器2/5/202320电机及拖动基础40000-20厂用分裂式变压器2/5/202321电机及拖动基础68000-500山西武乡电厂备用变压器2/5/202322电机及拖动基础25000-110铁道平衡牵引变压器2/5/202323电机及拖动基础三峡水电站SSP-840000-550三相水冷主变压器2/5/202324电机及拖动基础电力变压器2/5/202325电机及拖动基础磁心变压器（开关电源用）2/5/202326电机及拖动基础各种小型变压器2/5/202327电机及拖动基础三、变压器的基本结构铁心——变压器中主要的磁路部分，分为铁心柱与铁轭两部分。磁路，交变磁通；0.35mm或0.5mm硅钢片涂绝缘漆后叠制而成，提高导磁性能和减小涡流及磁滞损耗；磁回路不能有间隙。绕组——变压器的电路部分。同心式（低压在内，高压在外）、交链式（原、副绕组交替放置）。（一）铁心和绕组2/5/202328电机及拖动基础单相心式变压器三相心式变压器1—铁心柱2—铁轭3—高压线圈4—低压线圈2/5/202329电机及拖动基础油浸式电力变压器1—讯号式温度计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—铁心12—线圈13—放油阀门2/5/202330电机及拖动基础变压器的瓦斯保护c)重瓦斯动作d)严重漏油时

a)正常状态b)轻瓦斯动作2/5/202331电机及拖动基础四、变压器的额定值额定容量：为变压器的视在功率（用SN表示，单位kV·A，V·A，MV·A）；额定电压（一次和二次绕组上分别为U1N和U2N，单位V，kV，三相变压器指线电压）；额定电流（一次和二次绕组上分别为I1N和I2N，单位A，kA，三相变压器指线电流）；单相变压器三相变压器额定频率fN

——我国的规定为50Hz。2/5/202332电机及拖动基础【例】有一台三相油浸自冷式铝线电力变压器，试求一次、二次绕组的额定电流。解：联结，2/5/202333电机及拖动基础第二节

单相变压器的空载运行一、空载运行时的物理情况原绕组匝数为N1，加上交流电压，副绕组匝数为N2，二次绕组开路，即为变压器的空载运行。一次绕组和二次绕组的电压平衡方程式：N1N22/5/202334电机及拖动基础其中，i0—空载电流；u20—二次绕组的空载电压；R1—一次绕组的电阻，φ—

主磁通；φs1

—

一次绕组漏磁通。二、电压、电动势和磁通的关系空载运行时，忽略i0R1和es1

，设2/5/202335电机及拖动基础感应电动势e1和e2

均滞后于φ

电角度90°，其有效值为：2/5/202336电机及拖动基础

E1和E2的相量表达式：漏磁通和漏电抗：漏电动势Es1，，。

漏电抗X1

是一次绕组的一个参数。2/5/202337电机及拖动基础性质：由于空载电流的无功分量>>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。三、空载电流和空载损耗空载电流包含两个分量，一个是励磁分量，作用是建立磁场，产生主磁通，无功分量，；另一个是铁损耗分量，对应变压器铁心损耗，有功分量。2/5/202338电机及拖动基础大小：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：变压器空载运行时的励磁电流、主磁通、感应电动势2/5/202339电机及拖动基础其中，Z1—一次绕组漏阻抗

Zm—变压器的励磁阻抗

Xm—变压器的励磁电抗

Rm—变压器的励磁电阻四、空载运行时的相量图及等效电路2/5/202340电机及拖动基础并且有：2/5/202341电机及拖动基础第三节单相变压器的负载运行变压器一次侧接在额定频率、额定电压的交流电源上，二次侧接上负载的运行状态，称为负载运行。一、负载运行时的物理情况由于电源电压恒定，即U1=常数，则E1≈常数，Фm≈常数。因此，达到新的电动势平衡的条件是使一次绕组的电流增量所产生的磁动势与二次绕组电流所产生的磁动势相抵消，以维持主磁通基本不变，以及由主磁通所感应产生的电动势基本不变。2/5/202342电机及拖动基础二、负载运行时的基本方程式

1.磁动势平衡方程式2/5/202343电机及拖动基础

2.电动势平衡方程式组的漏阻抗、电阻和漏电抗。分别为一次和二次绕2/5/202344电机及拖动基础

3.基本电磁关系2/5/202345电机及拖动基础三、变压器的绕组折算把副边折算到原边，把副绕组匝数N2设想成原边匝数N1

。折算原则：1）保持副绕组磁动势不变；

2）保持各功率传递关系不变。

1.

电流的折算：磁动势不变表示折算值。电流2/5/202346电机及拖动基础

2.

电压、电动势的折算：功率不变同理，

3.阻抗的折算：功率不变阻抗电压2/5/202347电机及拖动基础

同理，2/5/202348电机及拖动基础折算后变压器负载运行时的基本方程式：2/5/202349电机及拖动基础四、变压器的等效电路和相量图

(一)等效电路由折算后的方程图中a、b和c、d分别是等电位点，可连接起来而不改变运行情况。于是作出变压器的T形等效电路。（由前述的基本方程式也可得出该等效电路）2/5/202350电机及拖动基础Τ形等效电路适用于变压器稳态运行的任何工况2/5/202351电机及拖动基础Γ形等效电路若负载运行时，I0<<I1而被忽略，可将励磁支路移去，得到简化等效电路，也称一字形等效电路：2/5/202352电机及拖动基础

Rk、Xk和Zk分别称为短路电阻、短路电抗和短路阻抗。简化等效电路只适用于稳态负载运行（特别是负载较大）和短路工况2/5/202353电机及拖动基础(二)相量图1.感性负载ZL滞后，为负载功率因数。为一次侧功率因数。2/5/202354电机及拖动基础2.容性负载ZC超前，为负载功率因数。为一次侧功率因数。2/5/202355电机及拖动基础五、等效电路参数测定测

1.空载实验（以降压变压器为例）低压边加正弦工频额定电压，高压边开路。测低压边电压U2、空载电流I0、空载损耗p0、高压侧开路电压U10。I0R2jX2RmjXmU2AXxa.p0.U2I0U10内表法2/5/202356电机及拖动基础励磁阻抗：励磁电阻：励磁电抗：说明：①Rm及Xm不是常数，它随电压变化而变化。2/5/202357电机及拖动基础②由于空载实验是在低压侧进行的，如需要获得高压侧的数据，还必须在计算所得数据上乘以k20，，，若U2不变，则近似认为Zm不变。

2.短路实验如果二次侧U2N、一次侧短路，Ik（I2、I1）非常大（9.5~20）IN，烧坏绕组，故障状态，不允许。若是在高压侧进行的，则不用折算2/5/202358电机及拖动基础所以，U1<U1N。低压边先短路，高压边用调压器加电压。Uk很小，测Uk、Ik

、pk

。Uk.外表法XxAa.简化等效电路Rk2/5/202359电机及拖动基础无法具体得到估计：2/5/202360电机及拖动基础测出的电阻值折算到标准温度75℃时值：

θ为实验时室温；α温度折算系数，铜绕组α=234.5，铝绕组α=228。短路实验时，当使变压器电流等于额定值时的外加电压称为短路电压，Uk。短路电压百分值：

反映了在额定运行时变压器的电压损耗，重要参数。2/5/202361电机及拖动基础练习：三相铜绕组变压器，SN=1000kV·A，U1N/U2N=35/0.4kV，原副边星接，在室温25℃时做空载实验和短路实验，实验数据如下：空载实验（低压边接电压）:

U2=400V，I0=72.2A，p0=8300W。短路实验（高压边接电源）：

Uk=2270V，Ik=16.5A，pk=24000W。试求折算到高压边的T形等效电路参数。2/5/202362电机及拖动基础解：

2/5/202363电机及拖动基础折算到标准温度75℃时值：

T形等效电路。2/5/202364电机及拖动基础第四节变压器的运行特性一、电压调整率与外特性一次侧接U1N，负载功率因数不变时，二次侧输出电压随负载电流变化而变化的曲线，即U2=f（I2）。

I2=0，U2=U20=U2N

。

I2↑，

U2=f（I2）。电阻性负载，I2↑→U2略有下降；电感性负载，I2↑→U2降低较多；电容性负载，I2↑→U2有可能增大。2/5/202365电机及拖动基础U2随负载变化的程度用电压调整率（或电压变化率）ΔU来表示。由简化等效电路：简化等效电路Rk电压变化率是表征变压器运行性能的重要指标之一,它的大小反映了供电电压的稳定性。2/5/202366电机及拖动基础为负载系数cbde75℃相值2/5/202367电机及拖动基础一定，，，为额定负载，则△u额定负载时电压调整率。

电阻性负载，，。

k

k

，△U为正，但很小，端电压U2比空载时低。

电感性负载，，（阻感）。，，△U为正，U2下降较多。

电容性负载，，（阻容）。△U可能为负、零、正，U2可能升高。可见，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。2/5/202368电机及拖动基础外特性曲线2/5/202369电机及拖动基础二、变压器的损耗、效率和效率特性变压器的损耗主要是铁耗和铜耗两种。铁耗包括基本铁耗和附加铁耗。基本铁耗为磁滞损耗和涡流损耗。附加损耗包括由铁心叠片间绝缘损伤引起的局部涡流损耗、主磁通在结构部件中引起的涡流损耗等。铁耗与外加电压大小有关，而与负载大小基本无关，故也称为不变损耗。

铜耗也分基本铜耗和附加铜耗。基本铜耗是电流在一、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。铜耗大小与负载电流平方成正比，故也2/5/202370电机及拖动基础称为可变损耗。I1=I1N时的短路损耗75℃随负载变化而变化，→可变损耗

1.损耗

2.变压器效率及效率特性

变压器的效率也是指其输出的有功功率与输入的有功功率之比，用百分值表示。2/5/202371电机及拖动基础输入功率：输出功率：三相?2/5/202372电机及拖动基础即铜损耗等于铁损耗时变压器效率最高。可由求得：，即不变损耗可变损耗效率既与T自身参数（p0、pkN）内因有关，又与（负载大小、、性质）外因有关。2/5/202373电机及拖动基础

练习：接上题。原边加额定电压，求：（1）额定负载且（滞后）的电压调整率、副边电压和效率。（2）额定负载且的电压调整率、副边电压和效率。（3）额定负载且（超前）的电压调整率、副边电压和效率。（4）额定负载且（滞后）的最高效率。2/5/202374电机及拖动基础

解：（1）2/5/202375电机及拖动基础（2）（3）2/5/202376电机及拖动基础（4）作业P122/130：8、9、10、11。2/5/202377电机及拖动基础第五节三相变压器一、三相变压器的磁路系统1.组式变压器XYZ2/5/202378电机及拖动基础2.芯式变压器铁轭连接，应用广泛，（a）中心柱省去→（b）→平面（c）2/5/202379电机及拖动基础二、三相变压器的电路系统（联结组）指一二次侧绕组的联结方式及联结组别（一）绕组的连接（联结）方式高压绕组：首端A、B、C（U1、V1、W1），末端X、Y、Z（U2、V2、W2）。低压绕组：首端a、b、c（u1、v1、w1），末端x、y、z（u2、v2、w2）。

星形联结：首端引出，末端连在一起，Y或y。

角形联结：首末端闭合，首端引出，D或△或d。所以，联结方式有：Y，y；Y，d；D，y；D，d；有中线时N或n，三相四线制Y，yn；YN，y等。2/5/202380电机及拖动基础a)星形联结b)三角形联结（或向左联结）高压绕组的联结方式（另低压绕组）2/5/202381电机及拖动基础（一）变压器的联结组别不仅对二次侧电压等级有要求，还对二次侧与一次侧电压相位关系有要求，如《电力电子技术》中将讲的相控整流、有源逆变等。变压器一、二次侧相位关系是通过其连接组别来表示的。1.变压器一、二次侧绕组电动势的相位关系及表示法（同名端）

同名端：同一铁心柱上的一、二次侧两个绕组感应电动势（磁通势）极性相同的端叫同名端，或同极性端。同+（或同-），NI方向→Φ方向一致，用“.”表示。..2/5/202382电机及拖动基础a)I/I-0联结组b)I/I-6联结组-++--+-+联结组别与联结方式、绕阻绕向、铁心所处位置有关。感应电动势（E）的参考正方向：首端指向末端。如减小Φ.2/5/202383电机及拖动基础

时针表示法（原、副边相位差总是30°的整数倍，与小时差一致，“指针表示法”）：判断变压器的联结组别。以高压电动势向量（原边）为分针，指向12点（指向哪，那就是12点），低压电动势向量为时针，指向就是变压器联结组别。单相变压器，如前页图，只有I，i0或I，i6这两种联结组别。三相T规定：原、副边线电势之间的相位关系。如Y，yn0；Y，d11；YN，d11；YN，y0；Y，y0；等。字母表示联结方式，数字0~11表示组别号。2.变压器连接组别2/5/202384电机及拖动基础A、B、C正相序：按顺时针方向旋转。1）与水平面成30°，A、B、C相序画出高压绕组相电动势相量图；2）按线电动势与相电动势关系画出线电动势

3）将a与A重合，分别画出，相序为a-b-c（根据同名端）。4）指向12点，即为该联结组的标号（就是几点钟）。2/5/202385电机及拖动基础ABCXYZEabEABaxyzbcY，y0xyzABCXYZabcEAXEaxY，y接法的联结组号根据联结组的标号以及一个钟点数对应30°角，即可确定高、低压侧对应线电动势（或线电压）之间的相位移。2/5/202386电机及拖动基础Y，y2EaxABCXYZabcxyzEAXaxyzbcABCXYZEABEab2/5/202387电机及拖动基础Y，y42/5/202388电机及拖动基础Y，y82/5/202389电机及拖动基础Y，y102/5/202390电机及拖动基础ABCXYZabcxyzEAXEaxa（y）xcbzEabY，d11ABCXYZEABY，d接法的联结组号2/5/202391电机及拖动基础Y，d32/5/202392电机及拖动基础Y，d52/5/202393电机及拖动基础Y，d92/5/202394电机及拖动基础D，d接法的联结组号EABaybzxcEabD，d8ABCXYZcabzxyEAXEaxYCAZXB2/5/202395电机及拖动基础几种规律：①副绕组同名端反过来，增加6点（或减少6点）；②副边标号依次右移一个铁心柱，相位比原来滞后120°，比原来增加4