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文档简介

第三章变压器

变压器是一种静止的交流电气设备,它利用电磁感应原理,将一种等级的交流电压和电流转变成同频率的另一种等级的交流电压和电流。它对电能的经济传输、灵活分配和安全使用具有重要的意义;同时,它在电气的测试、控制和特殊用电设备上也有广泛的应用。第三章变压器

本章主要叙述一般用途的电力变压器有工作原理、分类、结构和运行特性。电源变压器电力变压器控制变压器调压器三相干式变压器第一节变压器的基本工作原理和结构

一次绕组N1二次绕组N2互相绝缘且匝数不同只有磁的耦合而没有电的联系

e2u1i0F0Φe1可向负载供电u2根据电磁感应原理改变N1、N2,就可达到改变电压的目的。

一、变压器的基本工作原理电力系统中应用的变压器称作电力变压器,它是电力系统中的重要设备。如果输电线路输送的电功率P及功率因数cosφ一定,U越高时,则线路电流I越小,输电线的截面积,节省材料,减小投资和降低运行费用。由于发电厂的交流发电机受绝缘和工艺技术的限制,通常输出电压为10.5、16kV或更高的20、27kV,而一般高压输电线路的电压为110、220、330、500、800、1000kV,因此需用升压变压器将电压升高后送入输电线路。当电能输送到用电区后,为了用电安全,又必须用降压变压器将输电线路上的高电压降低为配电系统的配电电压,然后再经过降压变压器降压后供电给用户。电力系统的多次升压和降压,使得变压器的应用相当广泛。1、变压器的应用二、变压器的应用和分类三相电力系统的变压器应用电厂、电站电能升压高压输电降压用户2、变压器的分类(1)按用途分类(2)按绕组构成分类(3)按相数分类前面所述的应用就是按用途分类,如电力变压器

有单相变压器、三相变压器、多相变压器。双绕组、三绕组、多绕组、自耦变压器。

另外,变压器的应用还有,测量系统中使用的仪用互感器(可将高电压变换成低电压,或将大电流变换成小电流,以隔离高压和便于测量);自耦调压器(可任意调节输出电压的大小,以适应负载对电压的要求);在电子线路中用的电源变压器;变压器还用来耦合电路、传递信号、实现阻抗匹配。作为焊接电源的电焊变压器;专供大功率电炉使用的电炉变压器;将交流电整流成直流电时使用的整流变压器等。1、变压器的应用

干式变压器、油浸自冷变压器、油浸风冷变压器、强迫油循环变压器、充气式变压器等。(4)按冷却方式分类

尽管变压器种类繁多,但它们皆是利用电磁感应的原理制成的。三、变压器的基本结构储油柜安全气道线圈铁心油箱放油阀门储油柜式油浸电力变压器分接开关信号式温度计吸湿器油表高压套管低压套管变压器的主要组成是铁心和绕组(俗称为器身)。为了改善散热条件,大、中容量的电力变压器的铁心和绕组浸入盛满变压器油的封闭油箱中,各绕组对外线路的联接由绝缘套管引出。为了使变压器安全、可靠地运行,还设有储油柜、安全气道和气体继电器等附件。

三、变压器的基本结构波纹片式油浸电力变压器6-气体继电器7-高压套管8-低压套管10-油箱(铁心和绕组在油箱内)14-吊攀15-盘形分接开关16-温度计座17-油位计18-波纹片

三、变压器的基本结构立体卷铁心油浸式电力变压器前面所示的是:铁心采用硅钢片叠装的传统油浸式电力变压器。随着设计、材料和工艺水平的提高,当今有大量立体卷铁心的变压器生产和使用,其节能效果显著。三、变压器的基本结构1.铁心构成变压器磁路系统,并作为变压器的支撑骨架

铁心柱

磁轭0.3mm或0.27mm或更薄的硅钢片,减小铁耗。目前主要采用晶粒有取向冷轧硅钢片,其导磁性好,铁耗小.热轧硅钢片已基本淘汰.

大、中型变压器的铁心,一般先将硅钢片裁成条形,然后采用交错叠片的方式叠装而成。交错叠片的目的是使各层磁路的接缝互相错开,以减小接缝处的气隙和磁路的磁阻,从而减小励磁电流。增大运行时的功率因素。1.铁心叠装铁心

立体卷铁心三维立体卷铁心层间没有接缝,磁通方向与硅钢片晶体取向完全一致,没有接缝处磁通密度的畸变现象。具有空载电流低,空载损耗小,噪声低、结构紧凑与占地面积小等优点。1.铁心立体卷铁心2.绕组变压器中的电路部分,小型变压器一般用具有绝缘的漆包圆铜线绕制而成,对容量稍大的变压器则用扁铜线绕制。同心式绕组高、低压绕组同心地套装在铁心柱上。为了便于与铁心绝缘,把低压绕组套装在里面,高压绕组套装在外面。(1)油箱

油浸式变压器的外壳就是油箱,它起机械支撑、冷却散热作用。变压器的器身放在装有变压器油的油箱内。变压器油既是绝缘介质,又是冷却介质,通过变压器油的对流,将铁心和绕组所产生的热量传递给油箱和散热管或波纹片,再往空气中散发热量。3.其他结构附件(2)储油柜亦称油枕,保证器身始终浸在变压器油中。

(4)分接开关变压器运行时,输出电压可控制在允许的变化范围内,通过分接开关改变一次绕组匝数,使输出电压的调节为额定电压的±2*2.5%,±5%

(3)波纹片图3-2b中的波纹片是特殊的一种碳钢材料,它即是连接油箱的散热管片(道)又可起到热胀冷缩作用,其热胀冷缩作用可取代图3-2a中的储油柜作用。所以目前2000KV.A及下,10/0.4kV的油浸式电力变压器均采用波纹片式的,储油柜(油枕)式已很少生产。四、变压器的铭牌和额定值

为了使变压器安全、经济、合理地运行,每一台变压器都安装了一块铭牌,上面标明了变压器型号及各种额定数据,只有理解铭牌上的各种数据的含义,才能正确、安全地使用变压器。铭牌1油浸式电力变压器1、变压器的型号与冷却方式型号:冷却方式:S

13-MRL-200/10高压侧额电电压等级(kV)额定容量(kV·A)密封、卷铁心、立体性能水平代号(11,13…)三相电力变压器(S后面J字省略,代表油浸式)铭牌2干式电力变压器干式电力变压器SGB是干式电力变压器(简称干变)中的一类。其中S-三相;G-NOMEX绝缘纸作匝绝缘;B-低压绕组用铜箔绕制;高低绕组都用真空压力漆作绝缘处理。SCB是另一类干变,C-环氧树脂浇注,高压线圈用环氧树脂浇注密封;低压铜箔线圈的端部用环氧树脂密封当今2000KV·A及以下,10/0.4kV的干式电力变压器广泛应用于工厂、学校的变电场所。这是由于如今的冷轧硅钢片质量好,损耗小,绕组的绝缘等级不断提高,允许的温升提高等因素。(1)额定电压U1N和U2N

U1N:加在一次绕组上的正常工作电压值(kV)。根据变压器的绝缘强度和允许发热等条件规定U2N:一次绕组加上额定电压后,额定分接,二次绕组的空载电压值(kV)。注意:U2N不等于额定负载时的负载电压额定电压在三相变压器中是指线电压。2.变压器的额定值(2)额定电流I1N和I2N

根据变压器允许发热的条件而规定的满载电流值(A)。在三相变压器中额定电流是指线电流。(3)额定容量SN变压器在额定工作条件下变压器输出能力即视在功率(kV·A)。单相变压器的额定容量三相变压器的额定容量例3-1:一台三相油浸自冷式变压器,已知SN=560kV·A,U1N/U2N=10000V/400V,试求一次、二次绕组的额定电流I1N

、I2N各是多大?解:第二节单相变压器的空载运行变压器的一次绕组接在额定电压的交流电源上,而二次绕组开路,这种运行方式称为变压器的空载运行。一般电工惯例来规定图中各物理量的正方向1)同一条支路中,电压u的正方向与电流i的正方向一致;2)由电流i产生的磁通势所建立的磁通φ其二者的正方向符合右手螺旋法则;3)由磁通φ产生的感应电动势e,其正方向与产生该磁通的电流i的正方向一致。一、空载运行时的物理状况一、空载运行时的物理状况

空载时,当一次绕组加上交流电源电压U1时,一次绕组中就有空载电流I0流过,产生空载磁通势F0=I0N1,并建立空载磁场。主磁通Φ通过铁心闭合,同时交链一次、二次绕组,并产生感应电动势E1和E2,如果二次绕组与负载接通,则在电动势作用下向负载输出电功率,所以主磁通Φ起着传递能量的媒介作用;另有一小部分磁通主要由非磁性材料(空气或变压器油等)形成闭路,只与一次绕组交链,不参与能量传递,称之为一次绕组的漏磁通Φ1σ

,它在一次绕组中产生漏磁电动势E1σ

。以上过程可表示为:二、感应电动势和漏磁电动势在变压器一次绕组加上正弦交流电压u1时,设Ф=Φmsinωt1、感应电动势可见;由Ф产生的感应电动势e1也按正弦规律变化,频率为电源频率,有效值;时间相位上滞后于主磁通90°。(三要素)用相量形式表示:同理:二、感应电动势和漏磁电动势2、漏磁电动势变压器一次绕组的漏磁通Φ1σ也将在一次绕组中感应产生一个漏磁电动势E1σ。根据前面的分析,同样可得出:由电工基础知识,引入参数L1,X1(一次绕组的漏电感或漏电抗),可推得电路形式的漏磁电动势表达式:从物理意义上讲,漏电抗反映了漏磁通对电路的电磁效应。对已制成的变压器,漏电感L1为一常数,频率一定,漏电抗也是常数。三、空载运行时的等效电路和电动势平衡方程式

除了前面引入的漏电抗参数X1,这里再引入参数Zm,把前面的单相变压器空载运行的电磁关系用电路形式“等效”表示:空载变压器看成两个电抗线圈串联,一个有铁心其阻抗为Zm,一个没有铁心其阻抗为Z1(一次侧漏阻抗)图中:励磁参数励磁电阻励磁电抗由图可得一次侧电动势平衡方程式:

空载等效电路三、空载运行时的等效电路和电动势平衡方程式

电力变压器的I0主要是用于建立空载磁场的感性无功电流,其值很小,一般<2%IN,而电力变压器的漏阻抗Z1也很小,漏阻抗压降I0Z1很小略去,电动势平衡方程式可近似为:有效值表示空载运行二次侧电动势平衡方程式为:因而有变比k:K>1,降压变压器K<1,升压变压器U1≈E1=4.44fN1Фm

U1恒定时,变压器铁心中的磁通Фm

基本上保持不变

另因:四、空载运行时的相量图根据:作相量图。相量图可以定性地分析问题,由图可知,U1与I0之间的相位角φ0接近90°,因此变压器空载时的功率因数很低,一般cosφ0=0.1~0.2。12345678

为了直观地表示变压器中各物理量之间的大小和相位关系,在同一张图上将各物理量用相量形式表示,称为变压器的相量图。低压绕组匝数例3-2一台单相变压器,已知SN=5000kV·A,U1N/U2N=35kV/6.6kV,铁心的有效截面为SFe=1120Cm2,若取铁心中最大磁通密度Bm=1.5T,试求高、低压绕组的匝数和电压比(不计漏磁)。解:变压器的电压比为铁心中的磁通高压绕组匝数第三节单相变压器的负载运行一、变压器负载运行时的物理状况变压器的一次绕组加上电源电压,二次绕组接上负载阻抗ZL,称变压器的负载运行。其物理状况与空载运行有显著的变化。二次绕组中有电流

一次绕组中电流变为其与的增量用来抵消二次绕组对空载主磁通的去磁作用,使负载时的主磁通与空载时的基本不变,使电磁关系达到新的平衡。因此负载时的主磁通由一、二次绕组的磁通势共同建立。二、负载运行时的基本方程式1、磁通势平衡方程式从前面已知变压器负载运行时,一次侧电流由空载时的I0变为负载时的I1,产生E1的主磁通Φ与空载时基本不变。由于负载运行时,一次、二次绕组的磁通势共同建立主磁通Φ

,则与空载时所需的空载磁通势也应基本不变,即有磁通势平衡方程式:等同整理后:励磁分量,产生主磁通Φ负载分量,保持Φ基本不变通过磁通势平衡关系,把一、二次电流联系起来,以传递能量。二、负载运行时的基本方程式1、磁通势平衡方程式由于电力变压器空载电流I0很小,为了分析方便常略去,则变压器的高压绕组匝数多,而通过的电流小,因此绕组所用的导线细;反之低压绕组匝数少,通过的电流大,所用的导线较粗。在数值上:电流和对应的匝数成反比二、负载运行时的基本方程式2、电动势平衡方程式

负载电流通过二次绕组时,也会产生漏磁通,并感应漏磁电动势,即:根据基尔霍夫电压定律,负载时一、二次绕组电动势平衡方程式为:

二次绕组漏阻抗:r2+jX2负载阻抗二、负载运行时的基本方程式按上面的分析,可得到变压器负载时的基本方程式三、变压器负载时的等效电路

变压器的一次、二次绕组之间是通过电磁耦合而联系的,它们之间并无直接的电路联系,因此利用基本方程式计算负载时变压器的运行性能,就显得十分繁琐,尤其在电压比k较大时更为突出。为了便于分析和简化计算,因此引入与变压器负载运行时等效的电路模型,即等效电路。采用折算法就能解决上述问题。

1.绕组折算

绕组折算就是将变压器的一次、二次绕组折算成同样匝数,使E’2=E1,但不改变折算前后的电磁关系,即折算前后的磁通势平衡关系、功率传递、损耗等均应保持不变。通常是将二次绕组折算到一次绕组,即取N’2=N1折算后的二次绕组的各物理量数值与折算前的不同。为了区别折算量,常在原来符号的右上角加“‘”表示。三、变压器负载时的等效电路1.绕组折算将变压器二次绕组折算到一次绕组时的规律:电动势和电压的折算值等于实际值乘以k,电流的折算值等于实际值除以k,电阻、漏电抗及阻抗的折算值等于实际值乘以k2

即:三、变压器负载时的等效电路2、“T”形等效电路经绕组折算,变压器的基本方程式变为:具此可推得变压器的等效电路三、变压器负载时的等效电路3、等效电路的简化

“T”型等效电路准确反映了变压器内部的电磁关系,但它属于混联电路,进行复数运算比较麻烦。因一般电力变压器运行时,I0只占<2%I1N,从工程计算的观点看,可把I0略去不计,即去掉励磁支路,得到一个简单的阻抗串联的电路—简化等效电路。此时接在电源与负载之间的变压器相当于一个串联阻抗ZK—变压器的短路阻抗。短路电抗短路电阻例3-3

一台单相变压器,一次侧加额定频率的额定电压并保持不变,二次侧接负载阻抗1)一次、二次电流及二次电压。

2)一次、二次侧的功率因数。。试用简化等效电路进行计算:解先求参数1)一次、二次电流及二次电压。2)一次、二次侧的功率因数。第四节变压器参数的测定

通过前面分析可知,我们可用基本方程式、等效电路等方法分析和计算变压器的运行性能,但这需要知道变压器的绕组电阻、漏电抗及励磁阻抗等参数。

对于一台已制成的变压器,可以通过实验的方法来求取各个参数,即可以通过空载实验和短路实验测量并计算变压器的参数(一)空载试验

求变比k、空载电流I0、空载损耗P0以及等效电路中的励磁阻抗参数Zm。目的:

变压器的空载试验是在变压器空载运行的情况下进行测量的,试验时,一般在变压器低压侧加电压,测量高压侧对应的电压、电流和功率。(一)空载试验

空载试验时,调压器加上工频的正弦交流电源,调节调压器的输出电压,使其等于低压侧的额定电压U2N,然后测量U1、I0及空载损耗(即空载输入功率)p0。因空载时功率因数很低,一般采用低功率因数表。

变压器空载试验电路图高压侧空载低压侧加压计算:

总阻抗Z0=Z1+Zm≈Zm注意:若空载试验在低压侧进行,要获得高压侧参数时,必须进行折算,即乘以k2

。(一)空载试验

空载时,空载损耗p0是铁耗和空载铜耗之和。不过因I0、r1很小,因此空载铜耗Pcu0可忽略不计,因此空载损耗p0近似为铁耗pFe

。高压侧加电压(二)短路试验短路试验线路图

变压器的短路试验是在二次绕组短路的条件下进行的,其目的是测定变压器短路损耗、短路电压Uk和短路阻抗rk、Xk、

Zk低压侧短路

试验电压从零开始升高,当高压侧短路电流Ik达到额定电流I1N时,测量对应的短路电压Uk

、短路损耗pk

。(二)短路试验因为短路电压很低,磁通小,铁耗很小,故短路损耗pk近似为铜耗pCu。计算:

注意:对三相变压器而言:变压器的参数,采用相电压、相电流、一相的功率(损耗),即每相的数值进行计算例3-4

有一台三相电力变压器,空载及短路试验的

联结,试计算:折算到高压侧的励磁参数和短路参数(不计温度影响)。试验名称电压/V电流/A功率/W电源所加位置空载4002.17400低压侧短路2409.631480高压铡试验数据如下表所例:解

由于为三相变压器,因此应采用相值进行计算。由空载试验数据,先求低压侧的励磁参数折算到高压侧的励磁参数,因由短路试验数据,计算高压侧室温下的短路参数由短路试验数据,计算高压侧室温下的短路参数请同学们:根据上面的参数,画出变压器的T型等效电路,并标出各参数第五节变压器的运行特性对于负载来讲,变压器的二次侧相当于一个电源。对于电源,我们所关心的运行性能是它的输出电压与负载电流之间的关系,即一般所说的外特性;以及变压器运行时的效率特性

一、变压器的外特性和电压变化率

由于变压器内部存在电阻和漏电抗,因此负载运行时,当负载电流流过二次侧时,变压器内部将产生阻抗压降,使二次侧端电压随负载电流的变化而变化,这种变化关系是用变压器的外特性来描述的。

变压器的外特性是指一次侧的电源电压和二次侧负载的功率因数均为常数时,二次侧端电压随负载电流变化的规律,即U2=f(I2)。电压变化率:变压器负载运行时,二次侧端电压的变化程度通常用电压变化率ΔU%来表示:

ΔU%反映供电电压的稳定性。ΔU%越小,说明变压器二次绕组输出的电压越稳定。常用变压器在cosФ2=0.8(感性),额定负载时的ΔU%一般为3%~5%

电压变化率实用计算式一、变压器的外特性及电压变化率外特性:一次绕组电压U1和负载的功率因数cosφ2一定时,二次绕组电压U2与负载电流I2的关系.使电压下降

用负载系数β=I2/I2N表示,便于不同变压器之间比较二、变压器的效率特性1、变压器的损耗

变压器在能量传递的过程中会产生损耗,由于变压器是静止的电器,因此变压器的损耗仅有铜损耗pCU(可变损耗)和铁心损耗pFe(不变损耗)两类。它们分别可通过短路试验和空载试实验测得。与U1有关,与负载电流无关,当U1不变时,铁耗基本不变。中小型电力变压器效率在95%以上,大型电力变压器效率可达99%以上。2、变压器的效率直接用效率公式求取,要测取P1、P2,浪费电能又不够准确,因此工程上通过只需知道损耗的常用实用计算公式计算效率。对于给定的变压器,p0和pFe是一定的,不难看出,当负载的功率因数cosφ2也一定时,效率只与负载系数β有关。3.效率特性效率η随负载I2的变化而变化的关系即:不变损耗等于可变损耗时,变压器的效率最高。

由于电力变压器常年接在电网上运行,铁耗总是存在,而铜耗随负载的变化而变化,同时变压器不可能一直在满载下运行,因此,为了使总的经济效果良好,铁耗应相对小些,所以一般电力变压器取p0/pkN=1/4~1/2,故ηmax发生在βm=0.5~0.7范围内。

代入前面的效率实用计算公式得:令dη/dβ=01)额定负载及(感性),时,产生最大效率时的负载系数及最大效率例3-5

用例3-4中的数据。试求:2)1)额定负载及(感性),、二次电压及效率。解时的电压变化率根据式(3-26),计算满载时的电压变化率时的电压变化率、二次电压及效率二次电压根据式(3-27)计算满载时的效率临界负载系数最大效率2)时,产生最大效率时的负载系数及最大效率第六节三相变压器现代电力系统均采用三相制供电,因而广泛使用三相变压器三相变压器组三相心式变压器由三个独立的单相变压器在电路上联接组成,三相磁路彼此独立由三相变压器组的铁心合在一起演变而来,三相磁路彼此相关一、三相变压器的磁路系统

第六节三相变压器

比较上面两种类型的三相变压器的磁路系统可以看出,三相心式变压器具有节省材料、效率高、维护方便、占地面积小等优点,但三相变压器组中的每个单相变压器具有制造及运输方便、备用的变压器容量较小等优点,所以现在广泛应用的是三相心式变压器,只在特大容量、超高压及制造和运输有困难时,才采用三相变压器组。一、三相变压器的磁路系统二、三相变压器的电路系统——联结组

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

AXA、B、CX、Y、ZN

低压绕组

axa、b、cx、y、zn

中压绕组

Am

Xm

Am、Bm、Cm

Xm、Ym、Zm

Nm

为了方便变压器绕组的联结及标记,对绕组的首端、末端的标志规定如下:变压器首末端标志1、三相变压器绕组的联结法和联结组(1)联结法星形联结Y、YN一次侧为例三角形联结D特征A—Y特征A—Z1、三相变压器绕组的联结法和联结组(2)联结组钟时序数表示法一、二次绕组不同的联结法对应的电动势间有不同的相位移,用联结组表示。典型的:Dy11、Yy0、Yd11,后面数字是联结组标号,是用钟时序数表示的落在钟面的“12“处落在钟面的“某“处,就是联结组标号,此例“12”,也是钟序的“0”A点对称轴位置指向外的相量作为时钟的长针(分针),永远指向“12”a点对称轴位置指向外的相量作为时钟的短针(时针),指向“几”,钟时序号就是“几”。判断的作用:在变压器并联运行、电力电子技术中都要应用。2.高低压绕组相电动势的相位关系(1)同名端(2)高低压相电动势相位关系从各自绕组的端子流入电流,产生的磁通方向一致,为同名端。A、a同名端,也称A、a同极性A、a异名端,也称A、a反极性相电动势相量正方向:从首端指向末端同极性,相位移“0”,钟时序数”0“反极性相位移“180°”(反相),钟时序数”6“判断联结组的基础知识3.三相变压器的联结组标号的确定(1)Dy11联结组高、低压侧绕组联结为D(A-Z)、y画高压侧相量图,的A点位于“12”处,其余相量互差点120ْ,且三相是一个A联Z的等边三角形。同极性,与平行方向一致,低压绕组其余相量类似,则a点处在钟面的“11”处,联结组标号为“11”。3.三相变压器的联结组标号的确定

高、低压侧绕组均为星形联结,Yy,(2)Yy0联结组画高压绕组相量图,其的A点处于“12”处,其余相量互差点120ْ同极性,与同相位,平行且方向一致,a点处在钟面的“12”(即“0”)联结组标号为“0”所以为Yy03.三相变压器的联结组标号的确定(3)Yd11联结组

高、低压侧绕组联结为Yd(逆联a-y),画高压绕组相量图同前。同极性,与平行方向一致,低压绕组其余相量类似,且a联y,则a点处在钟面的“11”处,联结组标号为“11”。所以为Yd11同极性,与平行方向一致,低压绕组其余相量类似,且a联y,则a点处在钟面的“11”处,联结组标号为“11”。同极性,与平行方向一致,低压绕组其余相量类似,且a联y,则a点处在钟面的“11”处,联结组标号为“11”。同极性,与平行方向一致,低压绕组其余相量类似,且a联y,则a点处在钟面的“11”处,联结组标号为“11”。3.三相变压器的联结组标号的确定判断规律:以前面的Dy11,Yy0,Yd11为基准1)对调低压侧绕组首末端的标记,异名端,反极性+“6”2)低压侧绕组首末端标记顺移一相:从a、b、c→c、a、b+4,移二次:a、b、c→b

、c、a+8。3)低压侧绕组的三角形联结从逆联(a-y)→顺联(a-z)+2点。

变压器联结组的数目很多,为了方便制造和并联运行,对于三相双绕组电力变压器,一般采用Dyn11、Yyn0、Yd11、YNd11、YNy0、Yy0等标准联结组,

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