《电机原理与维修》课件第1章

第1章变压器的基本工作原理、分类和结构

1.1变压器的基本工作原理1.2变压器的分类1.3变压器的基本结构和铭牌习题

1.1变压器的基本工作原理1.1.1变压器的用途变压器是电力系统中使用最为广泛的电气设备之一，它的主要用途是用来升高或降低电压。发电厂中发电机发出的电压相对较低，要将这些电能输送到较远的用电地区，必须升高电压，采用高压输电。当输送的电功率一定时，电压愈高，输电电流愈小，线路上的电压降和功率损耗也愈小，输电线的有色金属耗量也少。当电能输送到用电中心后，需要用降压变压器将电压降低，再输送到配电系统供各种负载使用。可见，电力输送过程中升压和降压都需要用变压器来完成。据统计，电力系统中变压器的安装总容量约为发电机总容量的6～8倍。根据发、配电及用电要求的不同，电力系统中的电压分为许多等级，500V及以下的电压称为低压系统，3kV、6kV、35kV、110kV、220kV、330kV、500kV、750kV及以上称为高压系统。在电力系统中用作电能输送与分配的变压器称为“电力变压器”，如图1-1所示。其次，变压器在其他方面应用也十分广泛，如电解、化工用的整流变压器；冶炼用的电炉变压器；焊接用的焊接变压器；测量用的仪用变压器等。变压器除变换电压外，还可变换电流和阻抗等。图1-1电力系统示意图1.1.2变压器的基本工作原理变压器是一种静止的电气设备，它是利用电磁感应原理工作的。它把输入的电压升高或降低为同频率的交流电压输出，以满足输电、配电的需要。图1-2所示是单相变压器的工作原理示意图。变压器的主要部件是一个铁芯和套在铁芯上的两个绕组N1和N2，其中绕组N1接交流电源，称为原边绕组或一次绕组，有些也称为原边；绕组N2接负载，称为副边绕组或二次绕组，有些也称为副边。原、副边绕组具有不同的匝数且互相绝缘，它们之间只有磁的耦合而没有电的联系。图1-2单相变压器工作原理示意图当原边绕组N1接到交流电压u1时，便有交流电流i1流入，因而在铁芯中产生与u1同频率的交变磁通。磁通同时与绕组N1和N2交链。根据电磁感应定律，交变磁通分别在绕组N1和N2中感应出同频率的电动势e1和e2，并且，

(1-1)式中：N1、N2为原、副边绕组匝数。副边绕组有了电动势e2，便可向负载输出电能。由于感应电动势的大小与绕组的匝数成正比，因此，改变原边绕组和副边绕组的匝数即可改变副边电压的大小，这就是变压器的基本工作原理。1.2变压器的分类变压器的应用十分广泛，种类很多，其分类方法也很多，常用的有以下几种：按用途分类，可分为电力变压器和特种变压器。电力变压器主要用于输、配电系统中，按功能又可分为升压变压器、降压变压器、配电变压器、联络变压器。特种变压器可分为整流变压器、电炉变压器、试验变压器、调压变压器和焊接变压器等。按结构形式分类，可分为单相变压器和三相变压器。按绝缘介质分类，可分为油浸式和干式变压器。按绕组数目分类，可分为自耦变压器、双绕组变压器、三绕组变压器和多绕组变压器。按铁芯形式分类，可分为心式和壳式变压器。按调压方式分类，可分为有载调压和无载调压变压器。按冷却介质和冷却方式分类，可分为油浸自冷式、油浸风冷式、强迫油循环风冷式、强迫油循环水冷式和气冷式等。变压器按其容量大小可分为五类，第Ⅰ类容量为100kV·A,电压为10kV及以下；第Ⅱ类容量为125～630kV·A，电压为10kV及以下。第Ⅰ、Ⅱ类为小型变压器。第Ⅲ类容量为800～6300kV·A，电压为35kV及以下，为中型变压器。第Ⅳ类容量为8000～63000kV·A，电压为35kV及以下，为大型变压器。90000kV·A及以上为第Ⅴ类(特大型变压器)。我国目前可以设计、制造容量为5×105kV·A、电压为500kV的特大型变压器。1.3变压器的基本结构和铭牌变压器的基本结构主要有：铁芯、绕组、绝缘套管、箱体、分接开关及其附件。铁芯和绕组是变压器的主要部分，由它们组成变压器的器身。油浸式变压器的器身浸放在盛满变压器油的封闭油箱中，各绕组的出线端经绝缘套管引出。为了变压器能够安全、可靠地运行，通常还设有储油柜、安全气道和气体继电器等附件。图1-3所示是三相油浸式电力变压器的基本结构示意图。图1-3三相油浸式变压器基本结构示意图(a)SJ1系列变压器；(b)S系列变压器1.3.1铁芯铁芯是变压器的磁路部分，也是绕组的支撑骨架，原边绕组和副边绕组都绕在铁芯上。铁芯分为铁芯柱和铁轭两部分。装配好的铁芯形似窗户框，套入绕组的垂直部分叫铁芯柱，水平部分叫铁轭，铁轭将铁芯柱连接起来形成闭合磁路,如图1-4(a)所示。

1.铁芯材料为了提高磁路的导磁性能，减少铁芯损耗(铁损、涡流及磁滞损耗)，铁芯一般采用高磁导率的硅钢片叠成。硅钢片厚度为0.35mm或0.5mm，表面涂有绝缘漆膜，叠成铁芯后片与片间是绝缘的。硅钢片有热轧和冷轧两种，冷轧硅钢片比热轧硅钢片磁导率高，损耗小。

2.铁芯形式图1-4(a)为变压器的铁芯结构，按绕组套入铁芯柱的形式，铁芯分为心式和壳式两种，如图1-4(b)、(c)所示。心式变压器的原边绕组和副边绕组套在铁芯柱上，铁芯被绕组包围，如图1-4(b)所示。这种结构比较简单，绕组的装配及绝缘比较容易，适用于大容量，高电压的变压器。电力变压器大多采用心式结构。壳式变压器的铁芯包围绕组的上、下面和侧面，如图1-4(c)所示。这种结构机械强度好，铁芯容易散热，但耗用铁芯材料较多，制造工艺较复杂。只有一些特殊变压器(如电炉变压器)和小型干式变压器采用壳式结构。图1-4变压器铁芯和形式(a)变压器铁芯；(b)心式变压器；(c)壳式变压器

3.铁芯叠装铁芯一般由剪成一定形状的硅钢片叠装而成。为了减小接缝间隙，提高导磁性能，减小励磁电流，常采用交错式叠装，使相邻层叠缝错开。由于冷轧硅钢片和热轧硅钢片导磁性能的不同，因此它们叠装的方法也不同。热轧硅钢片叠装的次序如图1-5所示，冷轧硅钢片叠装的次序如图1-6所示。叠装之后，用特殊的紧固件夹紧，即组成了变压器的铁芯。由于各层硅钢片的排列互不相同，因此在叠装后各层的接缝不在同一点，这可以有效地提高导磁性能。目前，大、中型变压器的铁芯均采用图1-6所示的叠装方法。图1-5热轧硅钢片叠法图1-6冷轧硅钢片叠法

4.铁芯截面铁芯柱截面的形状通常有三种：正方形、矩形和阶梯形。小型变压器铁芯柱截面形状一般为正方形或矩形，如图1-7(a)所示。大、中型变压器的铁芯柱截面一般做成阶梯形或多级阶梯形，以充分利用绕组内圆空间，如图1-7(b)、(c)所示。当铁芯柱直径大于380mm时，芯柱中间还应留出油道，以利于铁芯散热。图1-7铁芯柱截面

(a)方形；(b)阶梯形；(c)多级阶梯形铁轭的截面有矩形、T形和阶梯形。为减小励磁电流和铁芯损耗，铁轭截面积一般比铁芯柱截面积大5%～10%，如图1-8所示。随着制造技术的发展，近年来还出现了一种渐开线形铁芯变压器，它的铁芯柱硅钢片是在专门的成型机上采用冷挤压成型方法轧制而成的，铁轭则是由同一宽度的硅钢带卷制成形，铁芯柱按三角形方式布置，三相磁路完全对称。渐开线形铁芯变压器的主要优点是节省硅钢片，便于生产机械化和减少装配时间，如图1-9所示。图1-8铁轭截面图1-9三相渐开线形铁芯1.3.2绕组绕组是变压器的电路部分，一般用绝缘铜线或绝缘铝线绕制而成。变压器中，工作电压高的绕组称为高压绕组，工作电压低的绕组称为低压绕组。根据高、低压绕组在铁芯上套装的位置及形状，绕组可分为同心式和交叠式两种类型。

1.同心式绕组同心式绕组是将高、低压绕组同心地套装在同一铁芯柱上，如图1-10(a)所示，为便于绝缘，低压绕组套在靠近铁芯柱，高压绕组套在低压绕组外面。高、低压绕组之间留有通道，有利于绕组散热、绝缘。这种绕组结构简单、制造方便，电力变压器常采用这种形式。它又分为圆筒式、螺旋式和连续式等几种基本形式，如图1-11所示。图1-10同心式绕组与交叠式绕组(a)同心式绕组；(b)交叠式绕组图1-11同心式绕组基本形式(a)圆筒式(双层)；(b)螺旋式(多层)；(c)连续式(盘状)

2.交叠式绕组交叠式绕组是把高、低压绕组分成若干个线饼沿铁芯柱交替排列，所以也称为饼式绕组。为了便于绝缘，通常在最上层和最下层放置低压绕组，如图1-10(b)所示。这种绕组漏抗小、机械强度高，易构成多条并列支路，引出线方便，主要用于低电压大电流的电焊、电炉变压器及壳式变压器中。1.3.3分接开关变压器常用改变绕组匝数的方法来调整电压比。通常从高压绕组引出若干抽头，即分接头，然后与切换装置连接在一起，即分接开关。分接开关分为有载调压分接开关和无载调压分接开关，前者必须在变压器停电情况下切换，后者可以在不停电情况下切换。调节电压的范围是额定输出电压的±5%，原理如图1-12所示。图1-12电力变压器的分接开关图1-13绝缘套管1.3.4绝缘套管变压器的各绕组引出线之间以及引出线与地(油箱)之间都需要绝缘，这种绝缘叫外绝缘。一般变压器的引出线从油箱内部引到油箱外部时都必须经过绝缘套管，其作用是固定引出线并使引出线间及对地绝缘，如图1-13所示。1.3.5油箱和保护装置油箱是变压器的外壳，内部装有变压器油，铁芯和绕组。油箱的主要作用是保护铁芯和绕组不受外力作用而损坏，并避免其受潮。变压器油起绝缘、冷却和灭弧作用。油箱一般用钢板冲压焊接而成，做成矩形或椭圆形。为加强散热能力，中、小型变压器在箱体壁上焊有许多空心散热钢管，利用变压器油自身受热循环进行冷却。新型电力变压器多采用片式散热器散热，如图1-3(b)所示。容量大于10000kV·A的电力变压器，采用风吹冷却或强迫油循环冷却装置。为了保证变压器油箱内经常充满油，使变压器油随温度变化时有胀缩的空间，防止潮气侵入油箱，一般在油箱的上部还装有一储油柜，又称为油枕，用连通管与油箱接通。如图1-14所示，储油柜上还装有油标和吸湿器，储油柜上部的空气通过吸湿器与外界空气相通。吸湿器也叫呼吸器，它内部装有硅胶，用以过滤储油柜内空气中的杂质和水分。图1-14储油柜和保护装置新型的全充油密封式电力变压器不设储油柜，运行时变压器油的体积变化完全由设在侧壁的膨胀式散热器(金属波纹油箱)来补偿，变压器端盖与油箱焊为一体,设备免维护,运行安全可靠。变压器的保护装置主要有气体继电器和安全气道，如图1-14所示。气体继电器也称瓦斯继电器，它装在储油柜与油箱连接的管道中，当变压器内部发生故障时，变压器油产生气体使继电器动作。轻微故障时发出信号，严重故障时发出跳闸信号使断路器跳闸，切断电源。安全气道也称防爆管，装在油箱的顶盖上。它是一个钢制圆空心筒，顶端口装有一特制的玻璃片，下端口与油箱相连。当变压器箱体内发生严重故障而气体继电器又失灵时，箱内压力超过一定限度时，油和气体将冲破玻璃片而喷出，防止油箱爆裂。近年来在一些变压器中用压力释放阀代替防爆管，这种阀可以重复使用。此外，变压器油箱盖上还装有测温及温度监控装置，以防变压器油温过高而受损。1.3.6铭牌每一台变压器出厂时都在其醒目位置装有一块铭牌，标明它的型号和主要参数，如图1-15所示。其中主要的是额定值，所谓额定值，就是制造厂家根据国家标准，对变压器正常运行时的有关参数所做的限额规定。在额定值范围内运行时，可以保证变压器长期可靠地工作。所以铭牌上的主要参数是指导用户安全、经济、合理使用变压器的依据。图1-15电力变压器铭牌

1.型号型号用以表明变压器的类型和所有特征，一般由字母和数字两部分组成，形式如下：例如，型号SL7-1000/10表示该变压器是一台三相油浸自冷式双绕组铝线无载调压式电力变压器，设计序号为7，额定容量为1000kV·A，高压绕组额定电压为10kV。

2.额定容量SN额定容量是指变压器额定工况运行状态下输出的视在功率，单位为kV·A、MV·A或V·A。由于变压器的效率很高，原、副边绕组容量可以认为是相等的，即额定容量。单相变压器额定容量：三相变压器额定容量：(1-2)

3.额定电压U1N、U2N

U1N