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1、电力变压器,一、变压器概述,变压器是一种常见的电气设备，在电力系统和电子线路中应用广泛。它是一种静止的电气设备，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。,在能量传输过程中，当输送功率P =UI cos 及负载功率因数cos 一定时：,电能损耗小,节省金属材料（经济）,U I,P = I r,I S,所以远距离输电采用高电压是最为经济的。,发电机的输出电压一般有3.15kV、6.3kV、10.5 kV、 15.75 kV、18 kV、20 kV等几种，因此必须用升压变压器将电压升高才能实现远距离经济输送。
2、电力工业中常采用高压输电低压配电，实现节能并保证用电安全。目前，我国交流输电的电压最高已达750kV。,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。,二、变压器的分类,按用途分类：电力变压器（升压、降压）、仪用变压器（电压互感器、电流互感器）、整流变压器；,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
3、。,1、变压器的原理模型 接交流电源的绕组称为原绕组或称一次绕组，该侧是通入交流电流侧，即吸收电能侧，输入电能侧,也称一次侧。接负载的绕组称为副绕组或称二次绕组，该侧是接负载侧，即输出电能侧，也称二次侧。,三、变压器的工作原理,2、工作原理 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(主磁通)，这个交变磁通同时交链着原边绕组和副边绕组。并且在一、二次绕组中分别产生感应电动势。,其感应电动势大小可分别表示为： 式中 、 一、二次绕组的匝数; 磁通变化率。 一次、二次绕组互不相连，能量的传递靠磁耦合。,（1）空载运行情况,3. 电磁关系,一次侧接交流电
4、源，二次侧开路。,空载时，铁心中主磁通是由一次绕组磁通势产生的。,漏磁通主要经过空气或其他非导磁性物质而闭合。,由于漏磁通不经过铁心，所以励磁电流与漏磁通为线性关系。,铁心线圈是一个非线性电感元件，所以励磁电流与主磁通不是线性关系。,磁动势,(2) 带负载运行情况,一次侧接交流电源，二次侧接负载。,有载时，铁心中主磁通是由一次、二次绕组磁通势共同产生的合成磁通。,4. 电压变换（设加正弦交流电压）,有效值:,同 理：,主磁通按正弦规律变化，设为 则,(1) 一次、二次侧主磁通感应电动势,根据KVL：,变压器一次侧等效电路如图,由于电阻 R1 和感抗 X1 (或漏磁通)较小,其两端的电压也较小,
5、与主磁电动势 E1比较可忽略不计， 则,(2) 一次、二次侧电压,式中 R1 为一次侧绕组的电阻; X1=L1 为一次侧绕组的感抗(漏磁感抗，由漏磁产生)。,对二次侧，根据KVL：,结论：一次、二次侧电压与匝数成正比。改变匝数比，就能改变输出电压。,式中 R2 为二次绕组的电阻; X2=L2 为二次绕组的感抗； 为二次绕组的端电压。,变压器空载时:,式中U20为变压器空载电压。,故有,5. 电流变换,(一次、二次侧电流关系),有载运行,即：铁心中主磁通的最大值m在变压器空载和有载时基本是恒定的。,不论变压器空载还是有载，一次绕组上的阻抗压降均可忽略，故有,当U1、 f 不变，则 m 基本不变，
6、近于常数。,空载：,有载：,或,结论：一次、二次侧电流与匝数成反比。,或：,可得磁势平衡式：,空载磁势,有载磁势,一般情况下，由于 ，所以 ，如果忽略一、二次绕组本身的阻抗压降这个次要因素时， ， 。则 。这就实现了改变电压等级的目的。若二次绕组接上负载，就有电流流过，变压器就向负载输出电能，从而实现了不同电压等级的电能传递。 由分析显而易见，变压器能够改变电压等级的条件是：（1）由铁芯闭合同时交链于一、二次绕组的磁通必须交变；（2）一、二次绕组的匝数应不相等。,四、变压器的结构,图9-3 油浸式电力变压器结构图 1-绕组；2-铁芯；3-油箱；4-分接开关；5-低压套管；6-高压套管；7-气体
7、继电器；8-安全气道；9-油位计；10-储油柜；11-呼吸器；12-铭牌；13-信号式温度计；14-放油阀门,变压器的结构,变压器的磁路,变压器的电路,铁心和绕组是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。其厚度为0.350.5mm，两面涂以厚0.020.23mm的漆膜，使片与片之间绝缘。,变压器的结构,功率损耗,交流铁心线圈的功率损耗主要有铜损和铁损
8、两种。,1. 铜损(Pcu),在交流铁心线圈中, 线圈电阻R 上的功率损耗称铜损，用Pcu 表示。,Pcu = RI2,式中：R是线圈的电阻；I 是线圈中电流的有效值。,2. 铁损(PFe),在交流铁心线圈中，处于交变磁通下的铁心内的功率损耗称铁损，用PFe 表示。,铁损由磁滞和涡流产生。,（1）磁滞损耗（Ph）,由磁滞所产生的能量损耗称为磁滞损耗(Ph ) 。,磁滞损耗转化为热能，引起铁心发热。,减少磁滞损耗的措施： 变压器和电机中选用硅钢等材料制作铁心，降低磁滞损耗。,磁滞性：磁性材料中磁感应强度B的变化总是滞后于 外磁场变化H（磁场强度）的性质。,(2)涡流损耗（Pe）,涡流损耗: 由涡
9、流所产生的功率损耗。,涡流：交变磁通在铁心内产生感应电动势和电流，称为涡流。涡流在垂直于磁通的平面内环流。,涡流损耗转化为热能，引起铁心发热。,减少涡流损耗措施：,提高铁心的电阻率（通常由于硅钢片）。铁心用彼此绝缘的钢片叠成，把涡流限制在较小的截面内。,2.变压器的效率(),变压器的损耗包括两部分：,铜损 (PCu) ：绕组导线电阻的损耗。与负载大小（正比于电流平方）有关。,铁损(PFe )：,变压器的效率为,一般 95% ,负载为额定负载的(5075)%时,最大。,输出功率,输入功率,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（
10、副绕组）：输出电能 它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。,为了绝缘布置方便，通常低压绕组装得靠近铁芯，高压绕组则套在低压绕组的外面，低压绕组与高压绕组之间，以及低压绕组与铁芯之间都留有一定的绝缘间隙和散热油道，并用绝缘纸筒隔开，使绕组有效地散热。 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。,三、
11、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。 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
12、。 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 (分为高压绝缘套管和低压绝缘套管) 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，1035kV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
13、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。 压力释放装置在变压器油箱顶盖上，压力释放装置在保护电力变压器方面起重要作用。充有变压器油的电力变压器，如果内部出现故障或短路，电弧放电就会在瞬间使油汽化，导致油箱内压力极快升高。如果不能极快释放该压力，油箱就会破裂，将易燃油喷射到很大的区域内
14、，可能引起火灾，造成更大破坏，因而通过压力释放装置使油箱内减压防止上述情况发生。,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。,1、变压器的型号: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。,五、变压器的铭牌和技术数据,2、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
15、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 ：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 ：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 ：一次侧加额定电压时，二次侧空载时的端电压。,原边额定电流 ：变压器满载运行时，一次侧绕组允许的电流值。对于三相变压器， 为原边额定线电流。 副边额定电流 ：变压器满载运行时，二次侧绕组允许的电流值。对于三相变压器， 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 ：我国工频：50Hz； 还有额定效率、温升等额定值。,六、三相变压器的极性和连接
16、组别,一、绕组的端点标志与极性 首先，我们来了解一下变压器出线端的标志符号,同极性(名)端：由于变压器高、低压绕组交链着同一主磁通，当某一瞬间高压绕组的某一端为正电位时，在低压绕组上必有一个端点的电位也为正，则这两个对应的端点称为同极性端，并在对应的端点上用符号“”标出。 注意：绕组的极性只决定于绕组的绕向，与绕组首、尾端的标志无关。规定绕组相电动势的正方向为从首端指向末端。如高压A相绕组的相电动势为 （简写为 ），其正方向为从A指向X。规定绕组线电动势的正方向为从下表中第一个字母指向第二个字母，如 即表示A、B两相间线电动势的正方向为从A指向B。,对一相绕组首尾端有两种标志的方法，一种是把高
17、、低压绕组的同极性端都标为首端（或尾端），即当同一铁心柱上高、低压绕组首端的极性相同时，其电动势相位相同，如图（a）（d）所示。另一种是把高、低压绕组的不同极性端都标为首端（或尾端），即当首端极性不同时，高、低压绕组电动势相位相反，如图（b）（c）。,二、单相变压器的连接组标号,用不同的连接组标号可以反映变压器两侧绕组对应的电压或电动势之间的相位关系。它由绕组的绕向和端头标志决定。 时钟法：即把高压绕组的线电动势相量作为时钟的长针，且固定指向12的位置，对应的低压绕组的线电动势相量作为时钟的短针，其所指的钟点数就是变压器连结组的标号。,对于单相变压器，当同极性端同标志时，高、低压绕组电压同相位
18、，如图(a) 、(d)所示，连接组为I,I0。其中I,I表示高、低压绕组都是单相绕组。当同极性端异标志时，高、低压绕组电压相位相反，如图(b) 、(c)所示，连接组为I,I6。 我国国家标准规定I，I0为单相变压器的标准连接组。,位形图 为了方便，用一个相量图既表示电压相量，也表示电动势相量，同时，不再标注电压或电动势相量符号，只标明首、末端标志字母。采用这种表示方法，各电压或电动势之间的相位关系不变。这种图称为位形图，如图所示，图中相量表示 。,三、三相绕组的连结方式 对于三相变压器，不论是高压绕组还是低压绕组，我国主要采用星形连接（Y连接）和三角形连接（D连接）两种。 星形连接方式：以高压
19、绕组为例，把三相绕组的个末端X、Y、Z连在一起，结成中点，而把它们的三个首端A、B、C引出，便是星形连接，用符号Y表示。以高压绕组为例，连接方式及位形图如图（a）所示。如果有中性点引出线，则用YN表示。,三角形连接方式：如果把一相的末端和另一相首端连接起来，顺序形成一闭合电路，称为三角形连接，用d表示。三角形连接有两种连接顺序：以高压绕组为例，一种按ax-cz-by的顺序连接，称为逆时针接法（也称右接法），如图(b)所示；另一种按ax-by-cz的顺序连接，称为顺时针接法（也称左接法），如图(c)所示。,（b）,（a）,（c）,四、三相变压器的连结组别 三相变压器高、低压绕组对应的线电动势之间
20、的相位差，通常用时钟法来表示，称为变压器的连结组别。 1、Y，y接法 当各相绕组同铁心柱时，Y，y接法有两种情况。 1）高、低压绕组同极性端有相同的首端标志，高、低压绕组相电动势相位相同，则高、低压绕组对应线电动势和也同相位，其连结组为Y，y0。如图（a）所示。 2）同极性端有相异的端点标志，高、低压绕组相电动势相位相反，则对应的线电动势和相位也相反，因此其连结组为Y，y6。如图（b ）所示。,对连结组为Y，y0接线图，如果保持高压绕组的三相标记不变，而将低压绕组的三相标记依次后移一个铁心柱，即b y a x 、c z b y 、a x c z 。在向量图上相当于把各相应的电动势顺时针方向转了
21、120度（即4个钟点数），则可得到Y，y4连结组别；若后移两个铁心柱，则得Y，y8连结组别。同理，对Y，y6接线图，采取同样的轮换方法，可得到Y，y10；Y，y2连结组别。,2、Y，d接法 高压绕组为Y接法，低压绕组为d接法。高、低压绕组将同极性端标为首端，若低压绕组按ax-cz-by作“逆序”三角形连接，此时高、低压绕组相电动势同相位，但低压侧线电动势滞后高压侧对应线电动势330度（或超前30度），连接组别为Y，d11 。 若高、低压绕组将同极性端标为首端，若低压绕组按ax-by-cz作“顺序”三角形连接，此时高、低压绕组相电动势同相位，但低压侧线电动势滞后高压侧对应线电动势30度，即可得Y
22、，d1连接组别。 同理，如果保持高压绕组的三相标记不变，而将低压绕组的三相标记依次轮换或反相，则可得 Y，d3； Y，d7； Y，d5； Y，d9连接组别。,在用相量图判断变压器的连结组时应注意以下几点： 1）绕组的极性只表示绕组的绕法，与绕组首末端的标志无关； 2）高、低压绕组的相电动势均从首端指向末端，线电动势从A指向B； 3）同一铁心柱上的绕组（在连接图中为上下对应的绕组），首端为同极性时相电动势相位相同，首端为异极性时相电动势相位相反； 4）对于Y,y连接而言,可得0,2,4,6,8,10六个偶数的连结组别. 相对于Y,d而言,就可得1,3,5,7,9,11六个奇数的连结组别.,五、标
23、准连结组： 总的来说，Y，y接法接法可以有0、2、4、6、8、10等6个偶数连结组别，Y，d接法接法可以有1、3、5、7、9、11等6个奇数组别，因此三相变压器共有12个不同的连结组别。为了使用和制造上的方便，我国国家标准规定只生产下列5种标准连结组别的电力变压器，即Y，yn0；Y，d11；YN，d11；YN，y0；Y，y0。其中以前3种最为常用。对于单相变压器，标准连结组为I，I0。,自耦变压器的工作原理与普通变压器的工作原理有所不同。自耦变压器的两个绕组之间不仅有磁的联系，而且还有电路上的直接联系。 其原理接线如图所示，高压绕组由 公共绕组NQ(低压绕组)和串联绕组NC构成。通过自耦变压器
24、传输的功率也由两部分组成： 一部分是通过串联绕组由电路直接传输，另一部分通过公共绕组由电磁感应传输。图所示为单相双绕组自耦变压器,七、特殊变压器,1.自耦变压器,使用时，改变滑动端的位置，便可得到不同的输出电压。实验室中用的调压器就是根据此原理制作的。注意：一次、二次侧千万不能对调使用，以防变压器损坏。因为N变小时，磁通增大，电流会迅速增加。,优点,由于自耦变压器的绕组容量小于额定容量，当额定容量相同时，自耦变压器与双绕组变压器相比，其单位容量所消耗的材料少、变压器的体积小、造价低，而且铜耗和铁耗也小，因而效率高。这就是自耦变压器的主要优点。,缺点,由于自耦变压器原、副绕组之间有直接电的联系，
25、为了防止因高压边单相接地故障而引起低压边的过电压，用在电力系统中的三相自耦变压器中性点必须可靠接地。同样，由于原、副绕组之间有直接电的联系，当高压边遭受过电压时，会引起低压边严重过电压，为避免这种危险，需要在原、副边都装设避雷器。,把高电压变成低电压，就是电压互感器。其原理接线如图所示。 电压互感器是利用变压器能改变电压的原理制成的,其结构与原理同普通降压变压器相似，也有铁心和一、二次绕组，但它的二次侧绕组只有一匝到几匝。电压互感器一次侧接高电压，二次测接有电压表或其他仪表的电压线圈，用来实现用低量程的电压表测量高电压的目的。,2.仪用变压器（互感器） 1)电压互感器:,二次侧不能短路， 以防
26、产生过流； 2. 铁心、低压绕组的 一端接地，以防在 绝缘损坏时，在二次侧出现高压。,使用注意事项：,被测电压=电压表读数 N1/N2,实现用低量程的电压表测量高电压,把大电流变成小电流，就是电流互感器。其原理接线如图所示。 电流互感器是利用变压器能改变电流的原理制成的,它的结构与普通双绕组变压器相似，也有铁心和一、二次绕组，但它的一次侧绕组只有一匝到几匝，导线都很粗，串联在被测电路中。电流互感器二次侧绕组匝数较多，它与电流表或功率表的电流线圈串联成为闭合电路，以实现用低量程的电流表测量大电流的目的。,2)电流互感器,被测电流=电流表读数 N2/N1,二次侧不能开路， 以防产生高电压； 2.
27、铁心、低压绕组的 一端接地，以防在 绝缘损坏时，在二次侧出现过压。,使用注意事项：,实现用低量程的电流表测量大电流,仪用变压器被广泛用于交流电压、电流、功率的测量中，以及各种继电保护和控制电路中。,本章小结,作为能量传递的电气设备，变压器的工作原理建立在电磁感应基础上，把一种电压等级的交流电能转化为另一种电压等级的交流电能。 电力变压器根据其容量、电压等级、绕组数的不同，它外形和附件虽不尽相同，但它们的主要部件却是基本相同的。铁芯和绕组是变压器的最主要部件，铁芯和绕组装配在一起放置在装满变压器油的油箱里。油箱外还有一些附件：如储油柜、冷却装置、绝缘套管、继电器等。,根据结构不同，三相变压器可分
28、为组式和芯式两种，组式变压器由三台完全相同的单相变压器组成；三相芯式变压器又有三相三柱式和三相五柱式两种。 变压器的连接组别反映一、二次侧（线）电压或（线）电动势之间的相位关系，常用位形图来判断。 与普通变压器相比，自耦变压器的两个绕组之间不仅有磁的联系，而且还有电路上的直接联系。为了便于测量和安全起见，利用变压器能改变电压和电流的功能，制造出特殊的仪用变压器电压互感器与电流互感器。,联接 23,变压器原一次侧有两个额定电压为 110V 的绕组：,2. 线圈的接法,联接 13， 2 4,当电源电压为220V时：,电源电压为110V时：,问题1：在110V 情况下，如果只用一个绕组 （N），行不
29、行？,答：不行（两绕组必须并接）,一次侧有两个相同绕组的电源变压器(220/110)，使用中应注意的问题：,问题2：如果两绕组的极性端接错，结果如何？,结论：在同极性端不明确时，一定要先测定同极性 端再通电。,答：有可能烧毁变压器,+,三相电压的变换,(1) 三相变压器的结构,高压绕组：,U2、 V2 、W2 : 尾端,U1、 V1 、W1 : 首端,低压绕组：,u1、v1 、w1: 首端,u2、v2 、w2: 尾端,(2) 三相变压器的联结方式,联结方式：,高压绕组接法,低压绕组接法,三相配电变压器,动力供电系统（井下照明）,高压、超高压供电系统,常用接法:,1) 三相变压器Y/Y0联结,线电压之比：,2) 三相变压器Y0/联结,线电压之比：,