第三章变压器

第三章变压器3.1变压器中主磁通和漏磁通的性质和作用有什么不同？在分析变压器时怎样反映其作用？它们各由什么磁动势产生？3.2变压器的Rm、Xm各代表什么物理意义？磁路饱和与否对Rm、Xm有什么影响？为什么要求Xm大、Rm小？3.3变压器额定电压为220/110V，如不慎将低压侧误接到220V电源后，将会发生什么现象？3.4变压器二次侧接电阻、电感和电容性负载时，从一次侧输入的无功功率有何不同？为什么？3.5变压器的其它条件不变，在下列情况下,X1σ,Xm各有什么变化？(1)一次、二次绕组匝数变化±10%；(2)外施电压变化±10%；(3)频率变化±10%。3.6变压器的短路阻抗Zk、Rk、Xk的数值，在短路试验和负载运行两种情况下是否相等？励磁阻抗Zm、Rm、Xm的数值在空载试验和负载运行两种情况下是否相等？3.7为什么变压器的空载损耗可以近似地看成铁损耗?为什么短路损耗可以近似地看成铜损耗？负载时，变压器真正的铁损耗和铜损耗分别与空载损耗、短路损耗有无差别？为什么？3.8当负载电流保持不变，变压器的电压变化率将如何随着负载的功率因数而变化？3.9两台完全相同的单相变压器，一次侧额定电压为220/110V，已知折合到一次侧的参数为：一、二次侧漏抗的标么值Z1*=Z2*=0.025，励磁电抗的标么值Zm*=20，如图所示把两台变压器一次侧串联起来，接到440V的电源上，求下述三种情况一次侧电流的大小(用标么值表示)。题3.9图（1）端点1和3相连，2和4相连；（2）端点1和4相连，2和3相连；（3）第Ⅰ台变压器二次侧开路，第Ⅱ台变压器二次侧短路。3.10三相变压器变比和线电压比有什么区别？折算时用前者还是后者？3.11Yd接法的三相变压器，一次侧加额定电压空载运行，此时将二次侧的三角打开一角，测量开口处的电压，再将三角闭合测量电流，试问当此三相变压器是三相变压器或三相心式变压器时，所测得的数值有无不同？为什么？3.12变压器并联运行的最理想情况有哪些？如何达到最理想的情况？3.13在三相变压器中，零序电流和零序磁通与三次谐波电流和3次谐波磁通有什么相同点和不同点？3.14为什么三相变压器组不宜采用Yyn联结，而三相心式变压器又可采用Yyn联结？3.15Yy连接的变压器，一次侧接对称三相电压，二次侧二线对接短路，如图所示。试用对称分量法分析出一、二次侧电流的对称分量，这种情况是否有中点位移？为什么？题3.15图3.16一台三相电力变压器:SN=31500kVA，U1N/U2N=220/11kV,YNd11联接，f=50Hz,R1=R2´=0.038Ω,X1=X´2=8Ω,Rm=17711Ω,Xm=138451Ω，负载三角接，每相阻抗Z=11.52+j8.64Ω。当高压方接额定电压时，试求：(1)高压方电流，从高压方看进去cosφ1;(2)低压方电动势E2；(3)低压方电压、电流、负载功率因数、输出功率。3.17一台S9系列的三相电力变压器，高低压方均为Y接，SN=200kVA，U1N/U2N=10/0.4kV。在低压方施加额定电压做空载试验，测得P0=470W，I0=0.018×I2N=5.2A，求励磁参数。3.18对习题3-20的变压器在高压方做短路试验：Uk=400V、Ik=11.55A、Pk=3500W，求短路参数。3.19一台三相电力变压器铬牌数据为：SN=20000kVA，U1N/U2N=110/10.5kV，高压方Y接、低压方Δ接,f=50Hz,Zk*=0.105,P0=23.7kW,I0*=0.65%,PkN=104kW。若将此变压器高压方接入110kV电网、低压方接一对称三角形联接的负载，每相阻抗为16.37+j7.93Ω，试求低压方电流、电压、高压方电流及从高压方看进去的功率因数。3.20仍采用习题3.19变压器的数据，当高压方施加额定电压，低压方负载电流为953.5A，负载功率因数(滞后),求电压变化率，低压方电压，效率。3.21试画出图所示各变压器的高、低压方电动势相量图，并判断其联接组。题3.21图3.22一台三相变压器，高低压绕组同名端和高压绕组的首末端标记如图所示。试将该变压器联接成Yd7、Yy4和Dy5。并画出它们的电动势相量图。题3.22图参考答案3.1答主磁通：沿铁心闭合，同时与一次绕组和二次绕组相交链，并在所交链的绕组中感应电动势，它是实现能量转换的媒介，是变压器的工作磁通，占总磁通的绝大部分。漏磁通：主要沿非铁磁材料闭合，仅与一次绕组或二次绕组交链，在所交链绕组中感应电动势，起漏抗压降作用，在数量上远小于主磁通。分析变压器时常以励磁电抗Xm反映主磁通的作用。由于主磁通的磁路是非线性的，故Xm不是常数，随铁心饱和程度的提高而减小。另外以漏电抗Xσ反应漏磁通的作用。由于漏磁通基本上是线性的，故Xσ基本上为常数。主磁通由一次绕组和二次绕组磁动势共同产生，漏磁通仅由一次绕组或二次绕组磁动势单独产生。3.2答Rm代表变压器的励磁电阻，它是反映变压器铁耗大小的等效电阻，不能用伏安法测量。Xm代表变压器的励磁电抗，反映了主磁通对电路的电磁效应。Rm、Xm都随磁路饱和程度增加而下降。Xm越大、Rm越小时，当主磁通一定时，铁耗越小，所以希望Xm大、Rm小。为此变压器铁心材料都用导磁性能好（磁导率高）、铁损小、0.27mm、0.3mm、0.35mm厚冷轧硅钢片叠成。3.3答此时主磁通增加接近2倍，磁路饱和程度大增，励磁电流大大增加，铜耗增大，铁耗可能增加3～4倍，而Rm、Xm减小。此时将出现下列现象：电流过大，噪声过大，振动过大，变压器过热。3.4答因为变压器等效电路是感性的，因此当二次侧接电感性负载时，从一次侧输入的无功功率最大，电阻性负载次之，电容性负载时最小，若负载电容足够大时甚至可能向电网发送感性无功功率。3.5答漏电抗，励磁电抗，在忽略漏阻抗压降的情况下，U1≈E1=4.44fN1Фm。（1）当N1增加时，由于N1Φm＝常数，因此主磁通减小，磁路饱和程度下降，m上升，1σ而与磁路饱和程度无关，1σ不变。因此，当N11=1.1N1时，X1σ1＝1.21X1σ，Xm1>1.21Xm；当N11＝0.9N1时，X1σ1＝0.81X1σ，Xm1<0.81Xm。N2变化，X1σ、Xm不变。（2）当外施电压增加时，由于Φm增加，磁路饱和程度上升，m下降，1σ而与磁路饱和程度无关，1σ不变。因此，当U11＝1.1U1时，X1σ不变，Xm下降；当U11＝0.9U1时，X1σ不变，Xm上升。（3）当频率增加时，由于fΦm＝常数，因此主磁通Φm下降，磁路饱和程度下降，m上升，而1σ与磁路饱和程度无关，1σ不变。因此，当f11=1.1f1时，X1σ1＝1.1X1σ，Xm1>1.1Xm；当f11=0.9f1时，X1σ1＝0.9X1σ，Xm1<0.9X3.6答:变压器的短路阻抗和运行状态无关。无论是短路试验状态还是负载运行状态，也无论两种状态下的电流是否相等，变压器的短路阻抗的数值相等。因为短路电阻实质上是绕组的导线电阻，其数值仅与导线的长度、截面及材料的电导率有关，与各运行状态下的电流大小无关。短路阻抗，实质上是由漏磁通决定的漏电抗，漏磁通的路径主要经过空气、油等介质，其磁导率是常数，与外施电压的大小或电流的大小无关。所以，短路阻抗、短路电阻、短路电抗在短路试验及负载运行时的数值是相等的。变压器的励磁电阻是由铁心损耗决定的等值电阻，当铁心中磁通量变化（即铁心磁密变化）时，其等效电阻值也跟着变化。变压器的励磁电抗是与铁心中主磁通对应的电抗，其数值大小决定于铁心磁路的特性，当铁心中磁通量变化时，饱和程度变化，磁导率变化，励磁电抗值跟着变化。可见，变压器在空载试验和负载运行两种情况下，若一次侧外施电压相同，忽略漏阻抗压降时，E1近似认为不变，主磁通Фm也没有变化，则励磁阻抗基本相等。3.7答:变压器空载运行时，其损耗，即包括铁损耗、铜损耗两部分，但由于空载电流很小，，所以可以忽略铜损耗。一般把空载损耗近似地看成铁损耗。变压器短路试验时，其短路损耗中本来也有铁损耗、铜损耗两部分，但由于试验电压很低，铁心中磁通很小，短路时的励磁电流比额定电压时的空载电流更小，而短路电流很大，铜耗很大，所以相比较而言，铁损耗很小，可忽略。一般把短路损耗近似看成铜损耗。负载时和空载试验时外施电压都是额定值，两者的铁耗差不多。严格分析起来，负载铁损耗略小于空载时的铁损耗，这是由于负载时，负载电流在一次漏阻抗上的压降比空载试验时大，这表明铁心内的磁通密度比空载时的稍低，因此铁损耗也就少些。另外，所谓空载时的损耗，是包含少量铜损耗在内的，因此负载下的真正铁损耗比空载试验时测得的铁损耗略小。负载和短路两种情况下的铜损耗比较，应该在同一电流（比如额定电流）下进行。铜损耗就是电流在短路电阻上的功率损耗，因两种情况下的电流近似相等，所以两者的铜损耗也相差不大。如果考虑到短路损耗包含少量铁损耗在内这一情况，那么负载时真正的铜损耗也比短路试验时测得的铜损耗略小。3.8答:当负载的功率因数等于1时，即纯电阻负载时，变压器的电压变化率很小。当负载呈电阻电感性时，即功率因数滞后，一般随着负载阻抗角ψ2落后的越多，电压变化率越大，当时达到最大，ψ2再增大，电压变化率又趋于减小。当负载呈电阻电容性时，即功率因数超前，随着负载阻抗角超前得越多，电压变化率越小，当时，电压变化率将变为负值，这时负载电压将大于空载电压。3.9解:（1）当端点1和3相连，2和4相连时，相当于两台变压器都工作在空载状态，取U1N=220V作为电压基值，外加电压标么值为,取外加电压作参考相量，即,则（2）当1和4相连，2和3相连时，相当于两台变压器都工作在短路状态（3）在该种情况下有而，所以改写为标么值的形式，即（设Zm不变）3.10答三相变压器变比同单相变压器变比一样，表示一、二次侧相电动势之比，它等于一、二次侧绕组匝数之比。而线电压比是指一、二次侧线电压之比，显然它可能等于变比，或等于变比的倍（或倍），它的大小既与一、二次绕组联接法（星形联接或三角联接）有关。折算时要用变比。3.11答二次侧三角形开口所测得的电压为二次侧三相3次谐波电动势之和，组式变压器大，心式变压器小。因为组式变压器三相磁路彼此无关，3次谐波磁通能沿铁心闭合，因此数值较大，从而感应的3次谐波电动势也较大。而心式变压器三相磁路彼此相关，3次谐波磁通不能沿铁心闭合，只能借助油、油箱壁等漏磁路闭合，因此数值较小，从而感应的3次谐波磁动势也较小。二次侧三角闭合所测得电流为3次谐波电流，无论是心式变压器还是组式变压器，所测得数值都很小。因为二次侧的3次谐波电流起励磁作用，使得主磁通接近正弦形，3次谐波磁通很小，感应的3次谐波电动势很小，其数值要远小于二次侧三角形开口时的3次谐波电动势。3.12答变压器并联运行最理想的情况有（1）空载时，并联的各变压器一次侧之间没有环流。（2）负载时，并联的各变压器所承担的负载电流按它们的额定容量成正比地分配。为了达到上述并联运行的理想情况，各台变压器必须具备下列三个条件：（1）各台变压器一次侧与二次侧额定电压对应相等；（2）各台变压器的联接组号相同；（3）各台变压器短路阻抗标么值相等。3.13答二者的相同点有：（1）都是随时间变化的正弦函数。（2）三相电流和磁通的零序分量彼此同大小、同相位，对称三相系统中电流和磁通的3次谐波分量也是彼此同大小、同相位的。（3）流通情况相同。零序电流和3次谐波电流能否流通取决于绕组的联结法，零序磁通和3次谐波磁通的流通情况与三相磁路的结构有关。二者的不同点有：（1）频率不同，电流和磁通的零序分量的频率是基波频率，电流和磁通的三次谐波的频率是基波频率的三倍。（2）产生的原因不同，电流和磁通的零序分量是三相不对称正弦波电流和磁通分解出来的，电流和磁通的3次谐波分量是非正弦波电流和磁通分解出来的。3.14答Yyn联结的三相变压器不对称运行或带单相负载时，会产生中点移动现象。中点移动的大小主要取决于零序电动势的大小，而零序电动势的大小又取决于零序磁通的大小。对于三相变压器组，零序磁通可以通过铁心闭合，故零序励磁阻抗等于正序阻抗，其数值很大，很小的零序电流可产生相当大的零序磁通，感应相当大的零序电势。中点移动大，相电压严重不对称，导致用电设备不能正常工作，故不采用Yyn联结。而三相心式变压器则情况大不相同，零序磁通以油和油箱为回路，零序阻抗很小，带不对称负载甚至单相负载时，中点移动也不严重，故可采用Yyn联结。但零序磁通流经油箱壁时引起涡流损耗，为了尽量减小这种涡流损耗，以及尽量减小相电压的变化，对变压器的中线电流应加以限制。3.15解忽略励磁电流，并认为二次侧量均已折算到一次侧。电流方向如图所示。已知二次侧电流的各相序分量为根据磁动势平衡关系，立即可得一次侧各相序电流为由于无零序电流而不存在零序磁场，因而不存在零序电势，故不会发生中点移动。3.16解:对于三相变压器，由于是对称的三相系统，故采用高压A相、低压a相、负载a相构成一台单相变压器，即可用前述等效电路计算，画出等效电路。T型等效电路解Ⅰ采用T型等效电路，如图所示。变比：(1)从高压方看进去等效阻抗(2)(3)(实际上负载功率因数可直接从ZL得出)低压方电压:低压方电流:输出功率:Γ型等效电路解Ⅱ采用Γ型等效电路，如图所示。(1)由题意可知：(2)如图可知：(3)低压方电压：低压方电流：输出功率：通过对T型和Γ