第三篇变压器

第三篇变压器 变压器：是一种静止的电机，它利用电磁感应原理将一种电压、电流的交流电能转换成同频率的另一种电压、电流的电能。换句话说，变压器就是实现电能在不同等级之间进行转换。

1.1 变压器的基本结构和分类 一、变压器的基本结构：电力变压器的基本构成部分有：铁心、绕组、绝缘套管、油箱及其他附件等，其中铁心和绕组是变压器的主要部件，称为器身。图1-2是油浸式电力变压器的结构图。

我们来看一个简化图:

1、铁心和绕组：变压器中最主要的部 件，他们构成了变压器的器身。 1）铁心：构成了变压器的磁路，同时又是套装绕组的骨架。铁心由铁心柱和铁轭两部分构成。铁心柱上套绕组，铁轭将铁心柱连接起来形成闭合磁路。铁心材料：为了提高磁路的导磁性能，减少铁心中的磁滞、涡流损耗，铁心一般用高磁导率的磁性材料——硅钢片叠成。硅钢片有热轧和冷轧两种，其厚度为0.35～0.5mm，两面涂以厚0.02～0.23mm的漆膜，使片与片之间绝缘。

铁心型式 ：变压器铁心的结构有心式、壳式和渐开线式等形式。壳式结构的特点是铁心包围绕组的顶面、底面和侧面，如图所示。心式结构的特点是铁心柱被绕组包围，如图所示。壳式结构的机械强度较好，但制造复杂，

心式结构比较简单，绕组的装配及绝缘比较容易，电力变压器的铁心主要采用心式结构。铁心叠装：变压器的铁心一般是由剪成一定形状的硅钢片叠装而成。为了减小接缝间隙以减小激磁电流，一般采用交错式叠法，使相邻层的接缝错开。铁心截面:铁心柱的截面一般作成阶梯形，以充分利用绕组内圆空间。容量较大的变压器，铁心中常设有油道，以改善铁心内部的散热条件，如图所示。

2）绕组：绕组是变压器的电路部分，它由铜或铝绝缘导线绕制而成。一次绕组（原绕组）：输入电能二次绕组（副绕组）：输出电能他们通常套装在同一个心柱上，一次和二次绕组具有不同的匝数，通过电磁感应作用，一次绕组的电能就可传递到二次绕组，且使一、二次绕组具有不同的电压和电流。其中，两个绕组中，电压较高的我们称为高压绕组，相应的电压较低的称为低压绕组。从高、低压绕组的相对位置来看，变压器的绕组又可分为同心式、交迭式。由于同心式绕组结构简单，制造方便，所以，国产的均采用这种结构，交迭式主要用于特种变压器中。

2、其他部件：除器身外，典型的油锓电力变压 器中还有油箱、变压器油、绝缘套管及继电保护装置等部件。二、变压器的分类：变压器的种类很多，可按其用途、结构、相数、冷却方式等不同来进行分类。 1、按用途分类，可分为电力变压器（主要用在输配电系统中，又分为升压变压器、降压变压器、联络变压器和厂用变压器）、仪用互感器（电压互感器和电流互感器）、特种变压器（如调压变压器、试验变压器、电炉变压器、整流变压器、电焊变压器等）。

2、按绕组数目分类:可分为双绕组变压器,三绕组变压器、多绕组变压器和自耦变压器。 3、按铁心结构分类，有心式变压器和壳式变压器。 4、按相数分类，有单相变压器、三相变压器和多相变压器。 5、按冷却介质和冷却方式分类，可分为油浸式变压器（包括油浸自冷式、油浸风冷式、油浸强迫油循环式）、干式变压器、充气式变压器。

6、电力变压器按容量大小通常分为小型变压器（容量为10～630kVA）、中型变压器（容量为800～6300kVA）、大型变压器（容量为8000～63000kVA）和特大型变压器（容量在90000kVA及以上）。三、额定值：额定值是制造厂对变压器在指定工作条件下运行时所规定的一些量值。额定值通常标注在变压器的铭牌上。变压器的额定值主要有：

1、额定容量SN 额定容量是指额定运行时的视在功率。以 VA、kVA或MVA表示。由于变压器的效率很高，通常一、二次侧的额定容量设计成相等。 2、额定电压U2N和U2N 正常运行时规定加在一次侧的端电压称为变压器一次侧的额定电压U2N。二次侧的额定电压U2N是指变压器一次侧加额定电压时二次侧的空载电压。额定电压以V或kV表示。对三相变压器，额定电压是指线电压。 3、额定电流I2N和I2N

根据额定容量和额定电压计算出的线电流，称为额定电流，以A表示。对单相变压器对三相变压器 4、额定频率 fN 除额定值外，变压器的相数、绕组连接方式及联结组别、短路电压、运行方式和冷却方式等均标注在铭牌上。额定状态是电机的理想工作状态，具有优良的性能，可长期工作。

1.2 变压器的工作原理 一、工作原理：

第二章变压器的运行原理与特性 2 .1 变压器的空载运行一、空载运行的物理现象： 1. 空载运行：是指变压器原绕组接到额定电压、额定频率的电源上，副绕组开路时的运行状态。 2.物理现象：如图所示：主磁通：漏磁通：

主磁通和漏磁通在性质上的不同： 1）由于铁磁材料有饱和现象，所以主磁路的磁阻不是常数，主磁通与建立它的电流之间呈非线性关系。而漏磁通的磁路大部分是非铁磁材料组成，所以漏磁路的磁阻基本上是常数，漏磁通与产生它的电流呈线性关系 2）主磁通在原、副绕组中均感应电动势，当副方接上负载时便有电功率向负载输出，故主磁通起传递能量的作用。而漏磁通仅在原绕组中感应电动势，不能传递能量，仅起压降作用。因此，在分析变压器和交流电机时常将主磁通和漏磁通分开处理。

3.正方向的规定： 从理论上讲，正方向可以任意选择，因各物理量的变化规律是一定的，并不依正方向的选择不同而改变。但正方向规定不同，列出的电磁方程式和绘制的相量图也不同。在电机方向的学科中通常按习惯方式规定正方向，称为惯例。具体原则如下： 1）在负载支路，电流的正方向与电压降的正方向一致，而在电源支路，电流的正方向与电动势的正方向一致

2）磁通的正方向与产生它的电流的正方向符合右手螺旋定则 3）感应电动势的正方向与产生它的磁通的正方向符合右手螺旋定则电压u1,u2的正方向表示电位降低，电动势e1,e2的正方向表示电位升高。在原方，u1由首端指向末端，1从首端流入。当u1与1同时为正或同时为负时，表示电功率从原方输入，称为电动机惯例。在副方，u2和2的正方向是由e2的正方向决定的，即2沿e2的正方向流出。当u2和2同时为正或同时为负时，电功率从副方输出，称为发电机惯例。

4、空载时的电磁关系： 1）电动势与磁通的关系：假定主磁通按正弦规律变化，即 Φ=Φmsinωt 根据根据电磁感应定律和对正方向规定，一、二次绕组中感应电动势的瞬时值为：

式中：

注意：从上面的表达式中我们可以看出， 电动势总是滞后与产生的他的磁通90。 2）电动势平衡方程式：根据对正方向的规定，可以得到空载时电动势平衡方程式：将漏感电动势写成压降的形式：

式中Z1=R1+ 1σ——原绕组的漏阻抗。 对于电力变压器，空载时原绕组的漏阻抗压降I0Z1很小，其数值不超过U1的0.2%，将I0Z1忽略，则上式变成：在副方，由于电流为零，则副方的感应电动势等于副方的空载电压，即：

3）变压器的变比： 在变压器中，原、副绕组的感应电动势E1和E2之比称为变压器的变比，用表示，即：上式表明，变压器的变比等于原、副绕组的匝数比。当变压器空载运行时，由于U1≈E1 ，U20≈E2，故可近似地用空载运行时原、副方的电压比来作为变压器的变比，即

对于三相变压器，变比是指原、副方相 电动势之比，也就是额定相电压之比。 4、空载电流：变压器空载运行时原绕组中的电流 0主要用来产生磁场，又称为励磁电流，所以对于这个电流我们要重点看一下： 1）当不考虑铁心损耗时，励磁电流是纯磁化电流，用来表示。由于磁路有饱和现象，磁化电流与产生它的磁通φ之间的关系是非线性的。当磁通按正弦

规律变化时，励磁电流为尖顶波，根据谐 波分析方法，尖顶波可分解为基波和3、5、7…次谐波。除基波外，三次谐波分量最大。这就是说，由于铁磁材料磁化曲线的非线性关系，要在变压器中建立正弦波磁通，励磁电流必须包含三次谐波分量。为了在相量图中表示励磁电流μ，可以用等效正弦波电流来代替非正弦波励磁电流，其有效值为

从上图中，可以看出励磁电流 μ与磁通φ 是同相位的。 2）当考虑铁心损耗时，励磁电流 0中还必须包含铁耗分量，即或 = 这时激磁电流将超前磁通一相位角

5 、空载时的向量图和等效电路: 1)空载时的向量图: 我们已知

而变压器空载时从原方看进去的等效阻抗Z0为式中：称为变压器的激磁阻抗。这样,变压器原方的电动势方程可写成

R1是原绕组的电阻，是对应原绕组漏磁 路磁导的电抗，它们数值很小且为常数。但Rm、 m却受铁心饱和度的影响，不是常数。当频率一定时，若外加电压升高，则主磁通增大，铁心饱和度程度增加，磁导Λm下降，减小。同时铁耗pFe增大，但pFe增大的程度比增大的程度小，由pFe= Rm，则Rm亦减小。反之,若外加电压降低,则Rm , 增大 .但通常外加电压是一定的,在正常运行范围内(从空载到满载)

主磁通基本不变，磁路的饱和程也基本不变，因而Rm、 m可近似看着常数。很显然，从上面的分析我们可以总结出：Rm是表征铁心损耗的一个参数，而Xm是表征主磁通磁化性能的一个参数。

2.2 变压器的负载运行 在前面我们通过分析了解了变压器的空载运行情况，当变压器原方接入交流电源，副方接上负载时的运行方式称为变压器的负载运行。一、负载运行时的物理情况：如图所示

即从空载电流 0变为负载时的电流 1。原绕组的磁动势也从空载磁动势F0变为 F1=I1N1。负载时的主磁通Φm就是由原、副绕组的合成磁动势产生的，即: F1+ F2= Fm。于是变压器在负载时的电磁关系重新达到平衡。二、电动势平衡方程式：在原方，电动势平衡方程式为

在副方，电动势平衡方程式为： 式中，Z2 =R2+ j ,副绕组的漏阻抗， R2 分别为副绕组的电阻和漏电抗。三、负载运行时的磁动势平衡方程式：负载运行时的磁动势平衡方程式可写为： F1+F2=F0 或： I1N1+I2N2=I0N1

将上式进行变化，可得： F1=F0+（-F2）或：I1=I0+（-N2/N1I2）=I0+（-I2/K）这说明变压器负载运行时通过磁动势平衡，使原、副方的电流紧密地联系在一起，副方通过磁动势平衡对原方产生影响，副方电流的改变必将引起原方电流的改变，电能就是这样从原方传到了副方。

四、变压器参数的折算： 由于原、副绕组的匝数Ｎ１Ｎ２，原、副绕组的感应电动势Ｅ1Ｅ2，这就给分析变压器的工作特性和绘制相量图增加了困难。为了克服这个困难，常用一假想的绕组来代替其中一个绕组，使之成为变比k=１的变压器，这样就可以把原、副绕组联成一个等效电路，从而大大简化变压器的分析计算。这种方法称为绕组折算。折算后的量在原来的符号上加一个上标号“′”以示区别。

折算的本质：在由副方向原方折算时， 由于副方通过磁动势平衡对原方产生影响，因此，只要保持副方的磁动势不变，则变压器内部电磁关系的本质就不会改变。即折算前后副方对整个回路的电磁关系的影响关系不能发生变化！副方各量折算方法如下： 1）副方电流的折算值 : ==

2）付方电动势的折算值： 于折算前后主磁通和漏磁通均未改变，根据电动势与匝数成正比的关系可得 3）付方漏阻抗的折算值：根据折算前后副绕组的铜损耗不变的原则，的：

五、折算后得基本方程式、等效电路和相量图：五、折算后得基本方程式、等效电路和相量图： 1、基本方程式： 2、等效电路：

3）相量图：

六、等效电路图的简化： 考虑到Zm》Z1，I1N》I0，当负载变化时，变化很小，可以认为不随负载的变化而变化。这样，便可把T型等效电路进行简化处理：

Zk=Z1+ 2= Rk+j 通常在做定性分析时用相量图比较形象直观，而在做定量计算时用等效电路比较简便。

2.3 变压器参数的测定 变压器等效电路中的各种电阻、电抗或阻抗如Rk、xk、Rm、xm等称为变压器的参数，它们对变压器运行能有直接的影响。所以，我们有必要看一下各种参数是如何测定得通过实验的方法。一、空载实验：试验目的:测定变压器的空载电流I0、变比k、空载损耗p0及励磁阻抗Zm=Rm+jxm。空载试验接线：如图所示

注意：为了便于测量和安全起见，通常在低压侧加电压，将高压侧开路。实验过程：外加电压从额定电压开始在一定范围内进行调节实验目的：在电压变化的过程中，记录相应的空载电流，空载损耗，作出相应的曲线，找出当电压为额定时相对应的空载电流和空载损耗，作为计算励磁参数得依据。结论：在空载情况下，我们可以从前面所学的空载等效电路图中看出，空载时，

Z0=Z1+Zm=（R1+j）+（Rm+jχm）。通常Rm》R1，χm》，故可认为Z0 Zm=Rm+jχm，于是：这样，我们测得相关参数。

注意：1.由于励磁参数与磁路的饱和程度有关，故应取额定电压下的数据来计算励磁参数。2.对于三相变压器，按上式计算时U1、I0、p0均为每相值。但测量给出的数据却是线电压、线电流和三相总功率，3.此时的空载损耗p0为铁耗.。注意：1.由于励磁参数与磁路的饱和程度有关，故应取额定电压下的数据来计算励磁参数。2.对于三相变压器，按上式计算时U1、I0、p0均为每相值。但测量给出的数据却是线电压、线电流和三相总功率，3.此时的空载损耗p0为铁耗.。由于空载试验是在低压侧进行的，故测得的激磁参数是折算至低压侧的数值。如果需要折算到高压侧，应将上述参数乘κ2。这里κ是变压器的变化，可通过空载试验求出：

二、短路实验： 实验过程：将变压器的副边直接短路，副边的电压等于零，称为变压器短路运行方式。实验方法：为便于测量，通常在高压侧加电压，将低压侧短路。短路试验将在降低电压下进行，使Ik不超过1.2I1N。实验目的：在不同的电压下测出短路特性曲线Ik=f(Uk)、pk=f（Uk），如图所示，根据额定电流时的pk、Uk值，可以计算出变压器的短路参数。

Xk = 注意：1.短路时，从短路的等效电路图可以看出，此时的短路损耗以铜耗为主 2.因电阻会随着温度发生变化，所以，我们的所得值要换算到标准工作温度下75度： Rk75℃ =Rk （对铜导线而言）

Rk75℃= Rk （对铝线） 所以，相应的 Zk75℃= 短路损耗和短路电压也应换算到750C的值 pkN= Rk75℃ UkN=I1NZk75℃ 对于三相变压器，按上式计算时pk、Ik、Uk均为一相的数值。

2.4 标幺值 在工程计算中，各物理量往往不用实际值表示，而采用相应的标幺值来进行表示：标么值=实际值/基值通常取各量的额定值作为基值。采用标幺值的优点： 1.采用标么值可以简化各量的数值，并能直观地看出变压器的运行情况。 2.采用标么值计算，原、副方各量均不需要折算 3.用标么值表示，电力变压器的参数和性能指标总在一定的范围之内，便于分析比较。

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