电力变压器的结构及原理

1电力变压器的结构及原理

一.变压器的类别和结构1.1.变压器的主要类别1.3.变压器的发热和冷却1.2.电力变压器的基本结构二.变压器电路理论及其运行特性2.1.变压器空载运行2.2.变压器负载运行2.3.变压器运行性能2一、变压器的类别和结构

31.1.变压器的主要类别将一种电压的电能转换为另一种电压的电能。用途分类：电力变压器，电力系统传输电能电炉变压器，专给炼钢炉供电整流变压器，电解电镀、直流电力机车供电仪用变压器、控制变压器无线电变压器，仅传输信号。4电力变压器的用途变压器的总容量大致相当于发电机容量的三倍。远距离输电过程中，为了经济地输送电力，通常将发电机电压升高，通过高压电线传送到用户处，再经过降压到用户使用，升压和降压的设备是变压器。配电变压器5电力变压器变压方式升压变压器——升高电压的变压器降压变压器——降低电压的变压器特殊变压器，如试验用高压变压器、电炉用变压器、电焊用变压器、晶闸管线路中的变压器、用于测量仪表的电压互感器和电流互感器等等6电力变压器线圈数目双绕组变压器，在铁芯中有两个绕组，一个为初级绕组，一个为次级绕组

自耦变压器，初级、次级绕组合为一个

三绕组变压器，三个绕组连接三种不同电压的线路多绕组变压器，如分裂变压器7电力变压器冷却方式油浸式变压器——铁芯和绕组都一起浸入灌满了变压器油的油箱中，可以加强绝缘和改善冷却散热条件干式变压器，能满足安全特殊要求。分两大类:一类是包封式，即绕组被固体绝缘包裹，如树脂型;另一类是敝开式，绕组直接和气体接触散热，如聚酰芳胺绝缘，气体绝缘变压器8油浸式变压器9干式变压器10电力变压器相数和结构单相变压器三相变压器铁芯式铁壳式11

铁芯式变压器铁芯式每个铁芯柱上套有高压绕组和低压绕组，低压绕组靠铁芯，高压绕组套在低压绕组的外面。绝缘较易，电力系统中变压器都用铁芯式。12铁壳式变压器变压器的铁芯柱在中间，铁轭在两旁环绕，且把绕组包围起来结构比较坚固、制造工艺复杂，高压绕组与铁芯柱的距离较近，绝缘也比较困难通常应用于电压很低而电流很大的特殊场合，例如，电炉用变压器。这时巨大的电流流过绕组将使绕组上受到巨大的电磁力，铁壳式结构可以加强对绕组的机械支撑，使能承受较大的电磁力13铁壳式变压器结构141.2.电力变压器的基本结构铁芯铁芯带有绝缘的绕组绕组变压器油油油箱油箱绝缘套管15161.2.1.铁芯——变压器的磁路由铁心叠片，绝缘件和铁心结构件等组成。电力变压器的铁心叠片由电工磁性钢带叠积或卷绕而成，为了减少铁心损耗，提高导磁率，目前，使用最广泛是冷轧晶粒取向硅钢片，厚度大多为0.35mm;非晶合金是一种新材料，电磁性能优越，但物理和机械性能较差。17干式非晶合金变压器特点:空载电流和空载损耗大幅度下降。18铁芯的交叠装配单相变压器铁心叠法，偶数层刚好压着奇数层的接缝，从而减少了磁路和磁阻，使磁路便于流通——接逢处气隙小可以避免涡流在钢片之间流通19三相心式变压器的铁心排列法20卷铁心卷铁心的磁通路径与硅钢片轧制方向一致，一般采用

0.3mm冷轧硅钢片，必须经过退火处理。用于小容量电力变压器，可使空载损耗(降7%以上)和空载电流均降低。211.2.2.绕组——变压器的电路变压器绕组一般为绝缘扁铜(铝)线或绝缘圆铜(铝)线在绕线模上绕制而成。为便于制造、在电磁力作用下受力均匀以及机械性能良好，绕组线圈作成圈形。绕组结构分：层式又称交叠式(圆筒式，箔式);饼式又称同心式(连续式，纠结式，螺旋式，交错式等)

22绕组的基本型式同芯式——铁芯式变压器常用。高压绕组和低压绕组均做成圆筒形，然后同芯地套在铁芯柱上

交叠式

——铁壳式变压器常用。高压绕组和低压绕组各分为若干个线饼，沿着铁芯柱的高度交错地排列着返回23241.2.3.变压器油——冷却、绝缘电力变压器绕组与铁心装配完后用夹件紧固，形成变压器的器芯。变压器器芯装在油箱内，油箱内充满变压器油。变压器油是一种矿物油，具有很好的绝缘性能。变压器油起两个作用：

①绝缘：绕组与绕组、绕组与铁心及油箱之间

②散热：热量通过油箱壳散发，油箱有许多散热油管，以增大散热面积。采用内部油泵强迫油循环，外部用变压器风扇吹风或用自来水冲淋变压器油箱25油箱——

机械支撑、冷却散热、当变压器出现故障时，产生的热量使变压器油汽化，气体继电器动作，发出报警信号或切断电源。如果事故严重，变压器油大量汽化，油气冲破安全气道管口的密封玻璃，冲出变压器油箱，避免油箱爆裂。返回26绝缘套管

绝缘套管由中心导电杆与瓷套组成。导电杆穿过变压器油箱、在油箱内的一端与线圈的端点联接，在外面的一端与外线路联接。在瓷套和导电杆间留有一道充油层——充油套管。返回271.2.4.变压器的额定值

额定容量SN——制造厂所规定的在额定条件下使用时输出能力的保证值。单位为VA或kVA。对三相变压器指三相的总容量。由于效率高，原、副方的额定容量设计得相等，与体积、用铜量有关。28额定电压——由制造厂所规定的变压器在空载时额定分接头上的电压保证值。单位为V或kV。当变压器初级侧在额定分接头处接有额定电压U1N，次级侧空载电压即为次级侧额定电压U2N。

对三相变压器，铭牌上的额定电压指线电压额定电流——额定容量除以各绕组的额定电压所计算出来的线电流值。单位用A或kA。电力变压器的额定频率是50Hz

变压器的额定值29额定值的关系单相变压器三相变压器返回301.3.变压器的发热和冷却

铁芯和各个绕组都是独立的发热单位。即认为铁芯的发热仅来源于铁芯损耗，各绕组的发热来源于各自的铜耗，其它漏磁通引起附加损耗等。各种损耗都转变为热，变压器受热后，绝缘材料是较薄弱一环，有一定热寿命。油浸变压器中，沿着油箱高度，上部的温度要比下部的温度略高3132油浸变压器的绕组均用A级绝缘。

根据我国的气候情况，国家标准规定以+40℃作为周围环境空气的最高温度，并据此规定变压器各部分的容许温升绕组最高允许温度为105℃33变压器的冷却常用冷却介质——油（油浸式）、空气（干式）冷却方式——油浸自冷式；油浸风冷式(人工通风)；强制油循环冷却式

油箱形式平滑油箱：50kVA波形油箱管形油箱：~200kVA散热器油箱：2500—6300kVA返回34二.变压器电路理论及其运行特性版权所有，2000©SoutheastUniversityElectricalEngineeringDepartment.352.1.空载运行

空载指一侧绕组接到电源（初级1），另一侧绕组（次级2）开路。1电磁物理现象2 感应电动势3 电压变比4 激磁电流5励磁特性的电路模型6漏抗7电路方程等效电路相量图362.1.1、电磁物理现象空载电流i0，i1＝i0。全部用以激磁——激磁电流im，i0＝im激磁电流产生激磁磁势imN1，建立交变磁场37磁通分为两部分

主磁通Φ流径闭合铁心，磁阻小，同时匝链了原边和副边绕组,并感应出电势e1和e2。是变压器传递能量的主要媒介

原边绕组漏磁通Ф1σ，仅与原边绕组匝链，通过变压器油或空气形成闭路，磁阻大，不传递功率变压器铁心由高导磁材料硅钢片制成（导磁系数μr>2000)，大部分磁通都在铁心中流动，主磁通约占总磁通的99％强，漏磁通占总磁通的1％弱。382.1.2、感应电势箭头方向表示正方向规定电流的正方向与该电流所产生的磁通正方向符合“右手螺旋”定则，规定磁通的正方向与其感应电势的正方向符合“右手螺旋”定则。电流正方向与电势正方向一致。

3940变比——初级电压与次级空载时端点电压之比。电压变比k

决定于初级、次级绕组匝数比。略去电阻压降和漏磁电势

2.1.3、电压变比41空载时激磁电流Iu——磁化电流，无功性质，为主要分量Ife——铁耗电流，有功性质，产生磁滞（Ih）和涡流损耗（Ie）42漏抗描述漏磁电势的电路参数。由于漏磁通所经路径主要为非磁性物质（空气），磁阻为常数。即漏磁通与产生该漏磁通的电流成正比且同相位，漏电感亦为常数。

432.1.4.等效电路，相量图rm+jXm上的压降表示主磁通对变压器的作用（随外施电压的增加而减小——由于饱和影响）X1表示漏磁通对电路的影响，近似为常数44相量图U2（参考方向）、E2E1与U2方向一致Φm超前E190度Im超前Φm一个角度U1452.2.变压器负载运行 负载运行是指一侧绕组接电源，另一侧绕组接负载运行。1负载时的电磁物理过程2基本方程式返回462.2.1、负载时的电磁物理现象变压器的初级、次级绕组没有电的联系，功率传递依靠互感。在功率传递过程中应满足能量守恒，在电路上需满足电压平衡、磁路上需满足磁势平衡。mN1N2Next47次级电流的影响次级电流的存在、建立起次级磁势，它也作用在铁芯磁路上。改变了原有的磁势平衡状态，迫使主磁通变化，导致电势也随之改变。电势的改变又破坏已建立的电压平衡，迫使原电流随之改变，直到电路和磁路又达到新的平衡为止。（磁势平衡式）负载时作用在主磁路上的全部磁势应等于产生磁通所需的激磁磁势。48基本方程式返回49(1)次级电流的归算值物理意义：当用N

2＝N1替代了N2，其匝数增加了k倍。为保持磁势不变。次级电流归算值减小到原来的1／k倍。归算前后磁势应保持不变50(2)次级电势的归算值归算前后次级边电磁功率应不变

E

2I

2＝E2I2 物理意义：当用N

2替代了N2，其匝数增加到k倍。而主磁通

m及频率f均保持不变，归算后的次级电势应增加k倍。51(3)电阻的归算值归算前后铜耗应保持不变物理意义：当用N

2替代N2后，匝数增加到k倍，次级绕组长度增加到k倍；次级电流减到为原来的l/k倍，归算后的次级绕组截面积应减到原来的l／k倍，故归算后的次级电阻应增加到原来的k2倍。（绕组本身没有变化）52(4)漏抗的归算值归算前后次级漏磁无功损耗应保持不变物理意义：绕组的电抗和绕组的匝数平方成正比。由于归算后次级匝数增加了k倍，故漏抗应增加到k2倍。返回53简化等效电路略去激滋电流（支路）常用于定性分析注意简化的近似假设返回542.1.4.标么值对各个物理量选一个固定的数值作为基值，取实际值与基值之比称为该物理量的标么值 标么值用下标“*”基值（采用下标“b”）

电压基值——额定电压U1b=U1N,U2b=U2N电流基值——额定电流I1b=I1N,I2b=I2N功率基值——额定容量Sb＝SN阻抗基值——额定电压与额定电流之商初级、次级侧各物理量应采用不同基值标幺值=实际值/基值55标么值的优点1．计算方便，容易判断计算错误因为取额定值作为基值，当实际电压为额定电压和实际电流为额定电流时，用标么值计算就作为1。2．采用标么值计算同时也起到了归算作用这是由于初级、次级侧分别采用了不同基值，且已包含有变比关系。3．采用标么值更能说明问题返回562.1.5.参数测定:空载试验和短路试验激磁参数值随饱和而变化。为反映变压器运行时的磁路饱和情况，空载试验时应调整外施电压等于额定电压。令U0为外施每相电压，I0为每相电流，P0为每相输入功率即等于每相的空载损耗p0。57短路试验参数计算Uk表示每相电压，Ik表示每相电流，Pk表示每相输入功率即等于每相短路损耗pk电阻随温度而变化，如短路试验时的室温为

(℃)，按标准规定应换算到标准温度75℃时的值。582.3.变压器运行性能变压器运行性能的主要指标有电压变化率(又称电压调整率)效率592.3.1.电压变化率短路试验时，使短路电流恰为额定电流的外施电压uk，称为ukN。以额定电压百分数表示，称为短路电压百分数短路电压百分数去掉100％符号，就是短路电压标么值uk不能太小，也不能太大。uk太大时，变压器空载时电压高，负载时电压压降较多。uk太小时，变压器接额定电压短路时电流太大。60短路电压的有功与无功分量

uk不能太小，也不能太大。uk太大时，变压器空载时电压高，负载时电压压降较多。uk太小时，变压器接额定电压短路时电流太大。61电压变化率

U%的分析用副边量表示用原边量表示622.3.2.变压器的效率效率：输出功率与输入功率之比输入功率是输出功率与全部损耗之和损耗

p 初级绕组铜耗pcu1=I12r1

次级绕组铜耗pcu2＝I22r2

铁芯损耗pFe＝Im2rm=P2/P1=P2