图文详解变压器

变压器是一种静止电器，它通过线圈间的电磁感应，利用电磁感应定律，将一种电压等级的交流电能转换成同频率的另一种电压等级的交流电能。

只要(1)磁通有变化量；(2)一、二次绕组的匝数不同，就能达到改变压的目的。

变压器的主要部件是铁心和套在铁心上的两个绕组。两绕组只有磁耦合没电联系。在一次绕组中加上交变电压，产生交链一、二次绕组的交变磁通，在两绕组中分别感应电动势。

当原边绕组接到交流电源时，绕组中便有交流电流流过，并在铁心中产生与外加电压频率相同的磁通，这个交变磁通同时交链着原边绕组和副边绕组。原、副绕组的感应分别表示为：

则：

变比k：表示原、副绕组的匝数比，也等于原边一相绕组的感应电势与副边一相绕组的感应电势之比。

改变变压器的变比，就能改变输出电压。但应注意，变压器不能改变电能的频率。

电力变压器的分类：

变压器的种类很多，可按其用途、相数、结构、调压方式、冷却方式等不同来进行分类。

按用途分类：升压变压器、降压变压器；

按相数分类：单相变压器和三相变压器；

按线圈数分类：双绕组变压器、三绕组变压器和自耦变压器；

按铁心结构分类：心式变压器和壳式变压器；

按调压方式分类：无载（无励磁）调压变压器、有载调压变压器；

按冷却介质和冷却方式分类：油浸式变压器和干式变压器等；

按容量大小分类：小型变压器、中型变压器、大型变压器和特大型变压器。

基本结构：

一、铁心：

1.铁心的材料

采用高磁导率的铁磁材料—0.35～0.5mm厚的硅钢片叠成。

为了提高磁路的导磁性能，减小铁心中的磁滞、涡流损耗。变压器用的硅钢片其含硅量比较高。硅钢片的两面均涂以绝缘漆，这样可使叠装在一起的硅钢片相互之间绝缘。

2.铁心形式

铁心是变压器的主磁路，电力变压器的铁心主要采用心式结构 。

二、绕组：

1.绕组的材料

铜或铝导线包绕绝缘纸以后绕制而成。

2.形式

圆筒式、螺旋式、连续式、纠结式等结构。为了便于绝缘，低压绕组靠近铁心柱，高压绕组套在低压绕组外面，两个绕组之间留有油道。变压器绕组外形如图所示 。

三、油箱及其他附件：

1.油箱

变压器油的作用：加强变压器内部绝缘强度和散热作用。

要求：用质量好的钢板焊接而成，能承受一定压力，某些部位必须具有防磁化性能。

形式：大型变压器油箱均采用了钟罩式结构；小型变压器采用吊器身式。

2.储油柜

作用：减少油与外界空气的接触面积，减小变压器受潮和氧化的概率。

在大型电力变压器的储油柜内还安放一个特殊的空气胶囊，它通过呼吸器与外界相通，空气胶囊阻止了储油柜中变压器油与外界空气接触。。

3.呼吸器

作用：内装硅胶的干燥器，与油枕连通，为了使潮气不能进入油枕使油劣化。

硅胶对空气中水份具有很强的吸附作用，干燥状态状态为兰色，吸潮饱和后变为粉红色。吸潮的硅胶可以再生。

4.冷却器

作用：加强散热。

装配在变压器油箱壁上，对于强迫油循环风冷变压器，电动泵从油箱顶部抽出热油送入散热器管簇中，这些管簇的外表受到来自风扇的冷空气吹拂，使热量散失到空气中去，经过冷却后的油从变压器油箱底部重新回到变压器油箱内。

5.绝缘套管

作用：使绕组引出线与油箱绝缘。

绝缘套管一般是陶瓷的，其结构取决于电压等级。1kV以下采用实心磁套管，10～35kV采用空心充气或充油式套管，110kV及以上采用电容式套管。为了增大外表面放电距离，套管外形做成多级伞形裙边。电压等级越高，级数越多。

6.分接开关

作用：用改变绕组匝数的方法来调压。

一般从变压器的高压绕组引出若干抽头，称为分接头，用以切换分接头的装置叫分接开关。

分接开关分为无载调压和有载调压两种，前者必须在变压器停电的情况下切换；后者可以在变压器带负载情况下进行切换。分接开关安装在油箱内，其控制箱在油箱外，有载调压分接开关内的变压器油是完全独立的，它也有配套的油箱、瓦斯继电器、呼吸器。

7.压力释放阀

作用：为防止变压器内部发生严重故障而产生大量气体，引起变压器发生爆炸。

8.气体继电器（瓦斯继电器）

作用：变压器的一种保护装置，安装在油箱与储油柜的连接管道中，当变压器内部发生故障时（如绝缘击穿、匝间短路、铁芯事故、油箱漏油使油面下降较多等）产生的气体和油流，迫使气体继电器动作。轻者发出信号，以便运行人员及时处理。重者使断路器跳闸，以保护变压器。

变压器的铭牌数据说明：

一、型号

型号表示一台变压器的结构、额定容量、电压等级、冷却方式等内容。

例如：SL-500/10：表示三相油浸自冷双线圈铝线，额定容量为500kVA，高压侧额定电压为10kV级的电力变压器。

再如：OSFPSZ-250000/220表明自耦三相强迫油循环风冷三绕组铜线有载调压，额定容量250000kVA，高压额定电压220kV电力变压器。

二、额定值

额定运行情况：制造厂根据国家标准和设计、试验数据规定变压器的正常运行状态。

表示额定运行情况下各物理量的数值称为额定值。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：

额定容量SN：铭牌规定在额定使用条件下所输出的视在功率。

原边额定电压U1N：正常运行时规定加在一次侧的端电压，对于三相变压器，额定电压为线电压。

副边额定电压U2N：一次侧加额定电压，二次侧空载时的端电压。

原边额定电流I1N：变压器额定容量下原边绕组允许长期通过的电流，对于三相变压器，I1N为原边额定线电流。

副边额定电流I2N：变压器额定容量下原边绕组允许长期通过的电流，对于三相变压器，I2N为副边额定线电流。

单相变压器额定值的关系式：

三相变压器额定值的关系式：

额定频率fN：我国工频：50Hz；还有额定效率、温升等额定值。

变压器的空载运行：

变压器空载运行是指变压器原边绕组接额定电压、额定频率的交流电源，副边绕组开路时的运行状态。

主磁通与漏磁通的区别：

各电磁量参考方向的规定：

一次侧遵循电动机惯例，二次侧遵循发电机惯例。

强调：磁通与产生它的电流之间符合右手螺旋定则；电动势与感应它的磁通之间符合右手螺旋定则。

一、空载时各物理量产生的因果关系

电势与磁通的大小和相位关系

设主磁通按正弦规律变化,根据电磁感应定律可推导出原绕组感应电势：

同理可得：

所以，变压器原、副绕组的感应电势大小与磁通成正比，与各自的匝数成正比，感应电势在相位上滞后磁通90°。

三、原边漏电抗和激磁电抗

1.原边漏电抗

2.激磁电抗

3.漏磁通感应的电动势—漏电动势

根据主电动势的分析方法，同样有：

漏电动势也可以用漏抗压降来表示，即

由于漏磁通主要经过非铁磁路径,磁路不饱和,故磁阻很大且为常数,所以漏电抗X1很小且为常数,它不随电源电压负载情况而变。

空载电流和空载损耗：

一、空载电流：

1. 作用与组成：空载电流i0包含两个分量，一个是励磁分量i0r，作用是建立磁场，另一个是铁损耗分量i0a，主要作用是供铁损耗。

2、性质和大小

性质：由于空载电流的无功分量远大于有功分量，所以空载电流主要是感性无功性质——也称励磁电流；

大小：与电源电压和频率、线圈匝数、磁路材质及几何尺寸有关，用空载电流百分数I0%来表示：

3、空载电流波形：

由于磁路饱和，空载电流与由它产生的主磁通呈非线性关系。由于磁路饱和，空载电流与由它产生的主磁通呈非线性关系。当空载电流按正弦规律变化时，主磁通呈尖顶波形。

实际空载电流为非正弦波，但为了分析、计算和测量的方便，在相量图和计算式中常用正弦的电流代替实际的空载电流。

对于已制成变压器，铁损与磁通密度幅值的平方成正比，与电流频率的1.3次方成正比，即：

空载损耗约占额定容量的0.2%~1%，而且随变压器容量的增大而下降。为减少空载损耗，改进设计结构的方向是采用优质铁磁材料：优质硅钢片、激光化硅钢片或应用非晶态合金。

空载时的等效电路：

Z1＜＜Zm、rm＜＜xm 。

空载时电路功率因数都很小，空载电流I0主要是无功性质，由于铁磁材料的磁饱和性，引起空载电流I0的波形是尖顶波。

希望空载电流越小越好，因此变压器采用高导磁率的铁磁材料，以增大Zm减少I0 。

变压器空载时既吸收无功功率，也吸收有功功率，无功功率主要用于建立主磁通，有功功率主要用于铁耗。

空载运行小结：

（1）一次侧主电动势与漏阻抗压降总是与外施电压平衡,若忽略漏阻抗压降，则一次主电势的大小由外施电压决定。

（2）主磁通大小由电源电压、电源频率和一次线圈匝数决定，与磁路所用的材质及几何尺寸基本无关。

（3）空载电流大小与主磁通、线圈匝数及磁路的磁阻有关，铁心所用材料的导磁性能越好，空载电流越小。

（4）电抗是交变磁通所感应的电动势与产生该磁通的电流的比值，线性磁路中，电抗为常数，非线性电路中，电抗的大小随磁路的饱和而减小。

单相变压器的负载运行：

变压器一次侧接在额定频率、额定电压的交流电源上，二次接上负载的运行状态，称为负载运行。

负载运行时的电磁关系：

用图示负载运行时的电磁过程：

基本方程：

一、磁动势平衡方程

电磁关系将一、二次联系起来,二次电流增加或减少必然引起一次电流的增加或减少。

表明，一、二次电流比近似与匝数成反比。可见，匝数不同，不仅能改变电压，同时也能改变电流。

二、电动势平衡方程

根据基尔霍夫电压定律可写出一、二次侧电动势平衡方程：

等效电路及相量图：

一、折算

折算：将变压器的二次（或一次）绕组用另一个绕组(N2=N1)来等效，同时对该绕组的电磁量作相应的变换，以保持两侧的电磁关系不变,用一个等效的电路代替实际的变压器。

折算原则：1）保持二次侧磁动势不变；2）保持二次侧各功率或损耗不变。

方法：（将二次侧折算到一次侧)

折算后的方程式为：

二、等效电路

根据折算后的方程，可以作出变压器的等效电路。

简化等效电路：

由简化等效电路可知，短路阻抗起限制短路电流的作用，由于短路阻抗值很小，所以变压器的短路电流值较大，一般可达额定电流的10~20倍。

三、相量图：

作相量图的步骤—对应T型等效电路， 假定变压器带感性负载。

作相量图的步骤（假定带感性负载）——对应简化等效电路

变压器的参数测定：

空载实验：

1.目的：通过测量短路电流、短路电压及短路功率来计算变压器的短路电压百分数、铜损和短路阻抗。

标么值：

标么值,就是指某一物理量的实际值与选定的同一单位的基准值的比值,即：

二、基准值的确定

1、通常以额定值为基准值。

2、各侧的物理量以各自侧的额定值为基准；

线值以额定线值为基准值，相值以额定相值为基准值；

单相值以额定单相值为基准值，三相值以额定三相值为基准值；

3.

三、优点：

1、额定值的标么值为1。

2、百分值=标么值×100% ；

3、折算前、后的标么值相等。线值的标么值=相值的标么值；单相值的标么值=三相值的标么值；

4、某些意义不同的物理量标么值相等

四、缺点：标么值没有单位，物理意义不明确。

变压器的运行特性：

1 电压变化率

定义：是指一次侧加50Hz额定电压、二次空载电压与带负载后在某功率因数下的二次电压之差，与二次额定电压的比值，即：

电压变化率是表征变压器运行性能的重要指标之一,它大小反映了供电电压的稳定性。

用相量图可以推导出电压变化率的表达式：

由表达式可知，电压变化率的大小与负载大小、性质及变压器的本身参数有关。

电压调整：为了保证二次端电压在允许范围之内,通常在变压器的高压侧设置抽头,并装设分接开关,调节变压器高压绕组的工作匝数,来调节变压器的二次电压。

中、小型电力变压器一般有三个分接头，记作UN±5%。大型电力变压器采用五个或多个分接头,例UN±2x2.5%或UN±8×1.5%。

分接开关有两种形式：一种只能在断电情况下进行调节，称为无载分接开关--这种调压方式称为无励磁调压；另一种可以在带负荷的情况下进行调节，称为有载分接开关--这种调压方式称为有载调压。

损耗、效率及效率特性：

一、变压器的损耗

变压器的损耗主要是铁损耗和铜损耗两种。

铁损耗包括基本铁损耗和附加铁损耗。基本铁损耗为磁滞损耗和涡流损耗。附加损耗包括由铁心叠片间绝缘损伤引起的局部涡流损耗、主磁通在结构部件中引起的涡流损耗等。

铁损耗与外加电压大小有关，而与负载大小基本无关，故也称为不变损耗。

铜损耗分基本铜损耗和附加铜损耗。基本铜损耗是在电流在一、二次绕组直流电阻上的损耗；附加损耗包括因集肤效应引起的损耗以及漏磁场在结构部件中引起的涡流损耗等。

铜损耗大小与负载电流平方成正比，故也称为可变损耗。

二、效率及效率特性

效率是指变压器的输出功率与输入功率的比值。

效率表达式：

变压器效率的大小与负载的大小、功率因数及变压器本身参数有关。

效率特性：在功率因数一定时，变压器的效率与负载电流之间的关系η=f(β),称为变压器的效率特性。

三相变压器：

磁路系统：

电路系统：

一、变压器的端头标号

二、单相变压器的极性

三、三相变压器的连接组别

连接组别：反映三相变压器连接方式及一、二次线电动势（或线电压）的相位关系。

三相变压器的连接组别不仅与绕组的绕向和首末端标志有关，而且还与三相绕组的连接方式有关。

理论和实践证明，无论采用怎样的连接方式，一、二次侧线电动势（可电压）的相位差总是300的整数倍。因此可以采用时钟表示法—

作为时钟的分针，指向12点，

作为时钟的时针，其指向的数字就是三相变压器的组别号。组别号的数字乘以300，就是二次绕组的线电动势滞后于一次侧电动势的相位角。

变压器的连接组别很多，为了便于制造和并联运行，国家标准规定，Y，yn0、Y，d11、YN，d11、YN，y0和Y，y0连接组为三相双绕组电力变压器的标准连接组别。

变压器的并联运行：

并联运行是指将几台变压器的一、二次绕组分别接在一、二次侧的公共母线上，共同向负载供电的运行方式。

并联运行的优点：

1、提高供电的可靠性；

2、提高供电的经济性。

并联运行的理想条件：

并联运行的理想情况是：

1、空载时各变压器绕组之间无环流；

2、负载后，各变压器的负载系数相等；

3、负载后，各变压器的负载电流与总的负载电流同相位。

为了达到上述理想运行情况，并联运行的变压器需满足以下条件：

1、各变压器一、二次侧的额定电压分别相等，即变比相同；

2、各变压器的连接组别相同；

3、各变压器的短路阻抗（短路电压）的标么值相等，且短路阻抗角也相等。

其中，第二条必须绝对满足。

为了保证空载时环流不超过额定电流的10%，通常规定并联运行的变压器的变比差不大于1%。

二、连接组别不同时并联运行

连接组别不同时，二次侧线电压之间至少相差30°，则二次线电压差为线电压的51.8%，由于变压器的短路阻抗很小,这么大的电压差将产生几倍于额定电流的空载环流，会烧毁绕组，所以连接 组别不同绝不允许并联。

三、短路阻抗标么值不等时并联运行

等效电路如图所示。

由等效电路可知：

可见，各台变压器所分担的负载大小与其短路阻抗标么值成反比。

为了充分变压器的容量，理想的负载分配，应使各台变压器的负载系数相等，而且短路阻抗标值相等。

为了使各台变压器所承担的电流同相位，要求各变压器的短路阻抗角相等。一般来说，变压器容量相差越大，短路阻抗角相差也越大，因此要求并联运行的变压器的最大容量之比不超过3：1。

变压器运行规程规定：在任何一台变压器不过负荷的情况下，变比不同和短路阻抗标么值不等的变压器可以并联运行。又规定：阻抗标么值不等的变压器并联运行时，应适当提高短路阻抗标么值大的变压器的二次电压，以使并联运行的变压器的容量均能充分利用。

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