第二章 變壓器的基本作用原理與理論分析

1、 變壓器是一種靜止的電氣設(shè)備，它利用電磁感變壓器是一種靜止的電氣設(shè)備，它利用電磁感應(yīng)作用，將一種電壓、電流的交流電能變換為相同應(yīng)作用，將一種電壓、電流的交流電能變換為相同頻率的另一種電壓、電流的交流電能。頻率的另一種電壓、電流的交流電能。主要用于電力系統(tǒng)：主要用于電力系統(tǒng)：升壓變壓器、降壓變壓器、升壓變壓器、降壓變壓器、 聯(lián)絡(luò)變壓器、配電變壓器。聯(lián)絡(luò)變壓器、配電變壓器。其他用途：其他用途： 整流設(shè)備、電爐、高壓試驗、礦井配電、交通運(yùn)整流設(shè)備、電爐、高壓試驗、礦井配電、交通運(yùn)輸?shù)忍厥庥秒妶龊系膶Ｓ米儔浩鬏數(shù)忍厥庥秒妶龊系膶Ｓ米儔浩?交流電能測量的儀用互感器交流電能測量的儀用互感器 實驗設(shè)備、電子

2、儀器和控制裝置等的小容量控制變實驗設(shè)備、電子儀器和控制裝置等的小容量控制變壓器壓器 按用途分：按用途分： 電力變壓器：升壓變壓器、降壓變壓器、聯(lián)絡(luò)變電力變壓器：升壓變壓器、降壓變壓器、聯(lián)絡(luò)變壓器、配電變壓器等壓器、配電變壓器等 特種變壓器特種變壓器 ：整流變壓器、電爐變壓器等：整流變壓器、電爐變壓器等 儀用變壓器：電壓互感器、電流互感器儀用變壓器：電壓互感器、電流互感器按鐵心結(jié)構(gòu)分：按鐵心結(jié)構(gòu)分： 心式變壓器心式變壓器: 工藝簡單，易絕緣工藝簡單，易絕緣 殼式變壓器殼式變壓器電力系統(tǒng)電力系統(tǒng)中各種變中各種變壓器都用壓器都用鐵心式。鐵心式。按繞組數(shù)目分按繞組數(shù)目分 雙繞組變壓器：一個初級繞組，一

3、個次級繞組雙繞組變壓器：一個初級繞組，一個次級繞組 三繞組變壓器：容量較大，三種不同電壓三繞組變壓器：容量較大，三種不同電壓 自耦變壓器：初次級繞組合二為一自耦變壓器：初次級繞組合二為一所有變壓器的基本原理都是相同的所有變壓器的基本原理都是相同的按冷卻方式分按冷卻方式分 油浸式變壓器：采用變壓器油用于加強(qiáng)絕緣和散熱油浸式變壓器：采用變壓器油用于加強(qiáng)絕緣和散熱 干式變壓器：在不允許用油處使用，容量相對較小干式變壓器：在不允許用油處使用，容量相對較小鐵心，帶有絕緣的繞組，變壓器油，油箱，絕緣套管鐵心，帶有絕緣的繞組，變壓器油，油箱，絕緣套管變壓器必須具有電路和磁路部分，變壓器必須具有電路和磁路部分

4、，電路部分由繞電路部分由繞組構(gòu)成，磁路部分由鐵心構(gòu)成組構(gòu)成，磁路部分由鐵心構(gòu)成，繞組套裝在鐵心，繞組套裝在鐵心上，構(gòu)成器身，器身是變壓器的核心部分。上，構(gòu)成器身，器身是變壓器的核心部分。 鐵芯鐵芯： 鐵芯即為磁路，通過交變磁通；鐵芯即為磁路，通過交變磁通； 電工鋼片迭成，電工鋼片迭成，0.35mm，之間涂有絕緣漆；，之間涂有絕緣漆； 繞組：繞組： 單相：高低壓繞組分成兩部分分別套在兩邊的鐵芯柱上；單相：高低壓繞組分成兩部分分別套在兩邊的鐵芯柱上； 三相：每個柱上有一相高低壓繞組；三相：每個柱上有一相高低壓繞組； 低壓繞組靠近鐵芯，高壓繞組套在低壓外面低壓繞組靠近鐵芯，高壓繞組套在低壓外面 變壓

5、器油變壓器油 增強(qiáng)絕緣：介電常數(shù)大；增強(qiáng)絕緣：介電常數(shù)大； 散熱：比空氣導(dǎo)熱系數(shù)大；散熱：比空氣導(dǎo)熱系數(shù)大； 防潮：水分的存在使絕緣性能降低防潮：水分的存在使絕緣性能降低YYYYCCCCC(a)(b)(a)(b)單相變壓器；三相變壓器圖2-1 變壓器的鐵心平面 油箱油箱 儲油器：常為橢圓形，底部有沉積器（排水和排污）；儲油器：常為橢圓形，底部有沉積器（排水和排污）； 油：需防潮，但不得不透氣；油：需防潮，但不得不透氣； 呼吸作用：熱脹冷縮；呼吸作用：熱脹冷縮； 油枕：減小空氣與油的接觸面，上有通氣管道；油枕：減小空氣與油的接觸面，上有通氣管道； 排氣管：保護(hù)變壓器油箱；排氣管：保護(hù)變壓器油箱；

6、 氣體繼電器：故障時報警或自動切斷變壓器電源；氣體繼電器：故障時報警或自動切斷變壓器電源； 形狀：容量很小形狀：容量很小平滑，平滑， 容量大容量大管形，管形， 容量很大容量很大裝散熱器裝散熱器 絕緣套管絕緣套管 中心導(dǎo)電桿中心導(dǎo)電桿+瓷套瓷套 低電壓等級低電壓等級瓷質(zhì)套管，瓷質(zhì)套管， 較高電壓較高電壓充油瓷套，充油瓷套， 高電壓高電壓導(dǎo)電桿上包表面附有鋁箔的絕緣紙筒，導(dǎo)電桿上包表面附有鋁箔的絕緣紙筒， 鋁鋁 箔間構(gòu)成電容器，使之承受高電壓箔間構(gòu)成電容器，使之承受高電壓 額定值是制造廠對變壓器在指定工作條件下運(yùn)行時所規(guī)定的一額定值是制造廠對變壓器在指定工作條件下運(yùn)行時所規(guī)定的一些量值，通常標(biāo)在些

7、量值，通常標(biāo)在銘牌銘牌上上 在額定狀態(tài)下，變壓器可以長期可靠運(yùn)行，并具有優(yōu)良的性能在額定狀態(tài)下，變壓器可以長期可靠運(yùn)行，并具有優(yōu)良的性能NNNNNNUSIUSI2211NNNNNNUSIUSI221133單相變壓器：單相變壓器：三相變壓器：三相變壓器： 例例2-1 一臺一臺DJ-240/6型單相油浸型單相油浸自冷式變壓器的額定容量自冷式變壓器的額定容量SN = 240 kVA，額定電壓，額定電壓U1N / U2N = 6.3 kV / 0.23 kV。求變壓器一、二次繞組的額。求變壓器一、二次繞組的額定電流。定電流。 例例2-2 一臺一臺SCL-800/10型環(huán)氧樹脂型環(huán)氧樹脂澆注三相鋁線干式

8、變壓器的額定容量澆注三相鋁線干式變壓器的額定容量SN = 800 kVA，額定電壓，額定電壓U1N / U2N = 10 kV / 0.4 kV。求變壓器一、二次繞組的額。求變壓器一、二次繞組的額定電流。定電流。IAUABABCIBICUAUCUBIBCUBCUCAIABICAIBUBCBICUCAUABAIACUAUBUCIAIBIC(a)圖 2-2 三相電路的連接法 （a）三角形連接； （b）星形連接 (b)u1圖2-3 變壓器空載運(yùn)行示意圖e1e2u20i0i2=0N1N21u1圖2-4 變壓器空載運(yùn)行時的電磁關(guān)系e1e2imN11i0=ime1i0r11) 首先規(guī)定首先規(guī)定電源電壓電源

9、電壓u1的正方向的正方向,方向是由上向下。方向是由上向下。2) 根據(jù)電源電壓的正方向確定初級繞組的根據(jù)電源電壓的正方向確定初級繞組的電流電流i0的方向的方向 ;3) 根據(jù)初級繞組的電流方向和初級繞組的繞向確定鐵心中根據(jù)初級繞組的電流方向和初級繞組的繞向確定鐵心中主磁主磁通通 的方向的方向 符合右手螺旋法則符合右手螺旋法則;4) 根據(jù)主磁通方向和初級繞組的繞向確定初級繞組中根據(jù)主磁通方向和初級繞組的繞向確定初級繞組中感應(yīng)電動感應(yīng)電動勢勢e1的方向的方向符合右手螺旋法則符合右手螺旋法則;5) 根據(jù)主磁通方向和次級繞組的繞向確定次級繞組中根據(jù)主磁通方向和次級繞組的繞向確定次級繞組中感應(yīng)電動感應(yīng)電動勢

10、勢e2的方向的方向;6) 最后根據(jù)次級繞組的感應(yīng)電動勢確定次級繞組的最后根據(jù)次級繞組的感應(yīng)電動勢確定次級繞組的端電壓端電壓u20和電流和電流i2的方向的方向. 10rimm111eu 變壓器在額定電壓下空載運(yùn)行時，變壓器在額定電壓下空載運(yùn)行時， 因此，因此， 很小，很小，且且 也很小，若略去不計，則也很小，若略去不計，則 當(dāng)外施電壓當(dāng)外施電壓u1是正弦交變電壓時，是正弦交變電壓時， 和和e1、e2也都是按正弦規(guī)也都是按正弦規(guī)律變化，設(shè)律變化，設(shè)tmsin90sin cosddm1m111tEtNtNe90sin cosddm2m222tEtNtNem1m1m1m11444221212fN.fN

11、NEEm2m2m2m22444221212fN.fNNEE1ee1u1e20e ut180360OImU1=-E1E2=U20E1o圖2-5 主磁通及其感應(yīng)電動勢 (a)波形圖;(b)相量圖(a)(b)kNNEEUU2121021abim1im2imim3cim4imdoo圖2-6 變壓器磁路飽和對勵磁電流的影響圖2-7 變壓器鐵心材料對勵磁電流的影響0t1800i0i0180t0 磁通波形（正弦波）磁化曲線（磁路未飽和）勵磁電流波形（正弦波）9090 圖2-8 作圖法求勵磁電流（磁路未飽和，忽略鐵心損耗）0t1800i0i0180t0 磁通波形（正弦波）磁化曲線（磁路飽和）勵磁電流波形（尖頂

12、波）9090 圖2-9 作圖法求勵磁電流（磁路飽和，忽略鐵心損耗）i00t360i0i01i03(尖頂波）(3次諧波）(基波）圖2-10 尖頂波的分解0t1800i0i0180t0 磁通波形（正弦波）磁滯回線 勵磁電流波形（不對稱尖頂波）9090 圖2-11 有磁滯現(xiàn)象時的勵磁電流 （磁路飽和，忽略渦流損耗）i0180t0360圖2-12 不對稱尖頂波的分解 i0為一不對稱的尖頂波，可分解為；對稱尖頂波為一不對稱的尖頂波，可分解為；對稱尖頂波+正弦波正弦波 勵磁電流勵磁電流i0的基波不再與主磁通的基波不再與主磁通同相，而是超前一個小角度同相，而是超前一個小角度， 再考慮渦流損耗，則再考慮渦流損

13、耗，則i0超前超前的角度要更大一些。的角度要更大一些。 i0不是正弦的，不能用相量表示，為了工程計算和測量方便，不是正弦的，不能用相量表示，為了工程計算和測量方便，通常用通常用等效正弦波電流等效正弦波電流來替代，故可用正弦量或相量表示。來替代，故可用正弦量或相量表示。 等效原則：等效原則： 頻率相同；頻率相同； 相位相同，超前磁通；相位相同，超前磁通； 有效值相同有效值相同勵磁電流分解勵磁電流分解： 磁化電流（無功分量）磁化電流（無功分量） ，與，與 同相，滯后同相，滯后 900 ； 磁滯電流（有功分量）磁滯電流（有功分量） ，超前，超前 900 ，與，與 同相；同相；mIhI1E1Em交變磁

14、通在鐵芯中感應(yīng)電勢，產(chǎn)生渦流及渦流損耗。交變磁通在鐵芯中感應(yīng)電勢，產(chǎn)生渦流及渦流損耗。 渦流電流渦流電流（有功分量）（有功分量） ，與，與 同相位。同相位。由于磁路飽和、磁滯和渦流三者同時存在，激磁電流實由于磁路飽和、磁滯和渦流三者同時存在，激磁電流實際包含際包含 、 和和 三個分量；又由于三個分量；又由于 和和 同相位，同相位，合并稱為鐵耗電流分量，用合并稱為鐵耗電流分量，用 表示。表示。IeI1EhIeIFeIhIeI)(ehFemIIIIIIImE1xmrm圖2-13 勵磁等效電路mmmjxrZm11IE01m11jjIxIxEX1 反映了反映了I0產(chǎn)生漏磁通并感應(yīng)電動勢產(chǎn)生漏磁通并感應(yīng)

15、電動勢 的作用，由的作用，由于漏磁路是線性的，所以于漏磁路是線性的，所以x1是常數(shù)。是常數(shù)。1E考慮變壓器初級繞組的電阻考慮變壓器初級繞組的電阻r1和漏磁通的影響和漏磁通的影響 E1E2IIFeI0r1-E1jI0 x1U10U1r1x1ImI0E1E2U20mU1ImI0E1x1r1rmxmImI0圖2-14 變壓器空載運(yùn)行時的相量圖和等效電路 例例2-3 一臺三相電力變壓器，一臺三相電力變壓器，Y,y0接法，額接法，額定容量定容量SN = 100 kVA，額定電壓，額定電壓U1N / U2N = 6 kV / 0.4 kV，每相參數(shù)：一次繞組漏阻抗，每相參數(shù)：一次繞組漏阻抗Z1 = r1

16、+ jx1 = ( 4.2 + j9 ) ，勵磁阻抗，勵磁阻抗Zm = rm + jxm = ( 514 + j5526 ) 。試計算：。試計算： （1）勵磁電流及其與額定電流的比值；勵磁電流及其與額定電流的比值； （2）空載損耗；空載損耗； （3）一次繞組相電壓、相感應(yīng)電動勢及漏阻抗一次繞組相電壓、相感應(yīng)電動勢及漏阻抗壓降。壓降。 首先是首先是“先簡后繁先簡后繁”，即先將變壓器看作是一臺理想的變，即先將變壓器看作是一臺理想的變壓器，然后再逐步考慮鐵耗、漏磁通和一次繞組電阻。壓器，然后再逐步考慮鐵耗、漏磁通和一次繞組電阻。 二是二是“非線性問題線性化非線性問題線性化”。 三是三是“電磁現(xiàn)象電路

17、化電磁現(xiàn)象電路化”，即用電路參數(shù)來表征電磁現(xiàn)象。，即用電路參數(shù)來表征電磁現(xiàn)象。 本節(jié)的重點(diǎn)是變壓器空載運(yùn)行時的電路方程、相量圖和等本節(jié)的重點(diǎn)是變壓器空載運(yùn)行時的電路方程、相量圖和等效電路。這三者的關(guān)鍵是電路方程效電路。這三者的關(guān)鍵是電路方程 。U1E1E2U2I1I2N1N21m2ZL圖2-15 單相雙繞組變壓器負(fù)載運(yùn)行示意圖U1I1N1I1E1I1r1I2ImN1ImI1I2E1E2E2I2N2I2r2圖2-16 變壓器負(fù)載運(yùn)行時的電磁關(guān)系1m2211NININIL1m212m1IIINNII1111ZIEU2222ZIEUL22ZIUmm1ZIE以次級繞組歸算到初級為例以次級繞組歸算到初級

18、為例 ，即，即12NN 原則：歸算前后磁勢應(yīng)保持不變原則：歸算前后磁勢應(yīng)保持不變kINNINNII21222222原則：歸算前后次級電磁功率平原則：歸算前后次級電磁功率平衡衡kNNNNEE21222222kUU 22kEE 原則：歸算前后銅耗不變原則：歸算前后銅耗不變原則：歸算前后漏電抗上無功損耗不變原則：歸算前后漏電抗上無功損耗不變22222222rkrIIr22222222xkxIIxm211m2211 IIINININI1111ZIEU2222ZIEUL22ZIU21EEmm1ZIEU1IE1E2rmxmr1x1r2x2U2ZLIIm圖2-17 變壓器T形等效電路E2= E1IIFe-E

19、1圖2-18 變壓器感性負(fù)載時的相量圖U2I2I2r2jI2x22I1ImU1jI1x1I1r11-I2ImU1Ir1x1r2x2U2ZLIxmrmImE1E2I1L = -I圖2-19 變壓器 形近似等效電路U1rkxk-U2ZLI1 = -I圖2-20 變壓器一字形簡化等效電路 例例2-4 一臺三相電力變壓器的額定容一臺三相電力變壓器的額定容量量SN = 800 kVA，額定電壓，額定電壓U1N / U2N = 10 / 0.4 kV，已知初級繞組每相電阻，已知初級繞組每相電阻r1 = 0.73 ，漏電抗漏電抗x1 = 3.5 ，次級繞組每相電阻，次級繞組每相電阻r2 = 0.0013 ，

20、漏電抗，漏電抗x2 = 0.0062 ，勵磁支路，勵磁支路rm = 81.2 ，xm = 2505 。變壓器。變壓器Yy0聯(lián)接，次聯(lián)接，次級側(cè)接三相對稱負(fù)載運(yùn)行，每相負(fù)載阻抗級側(cè)接三相對稱負(fù)載運(yùn)行，每相負(fù)載阻抗ZL = 0.17 + j 0.08 。試計算：。試計算：(1) 變壓器初、次變壓器初、次級側(cè)電流和勵磁電流；級側(cè)電流和勵磁電流；(2) 負(fù)載端電壓；負(fù)載端電壓；(3) 輸入及輸出的有功功率和無功功率。輸入及輸出的有功功率和無功功率。該物理量的基值某物理量實際值標(biāo)幺值 基值采用下標(biāo)基值采用下標(biāo)“b”表示表示 標(biāo)幺值均用下標(biāo)標(biāo)幺值均用下標(biāo)“ * ”表示表示 初級、次級應(yīng)采用不同的基值初級、

21、次級應(yīng)采用不同的基值 一般取額定值做基值一般取額定值做基值Nb1SS1Nb1UUN11b1bb1IUSI1b1bb1IUzN2bSS2N2bUU2N2b2b2bIUSI2b2b2bIUz 1b1*1UUU1b1*1III1b1*1zZZ基值選取：基值選?。簶?biāo)幺值：標(biāo)幺值：2b2*2UUU2b2*2III2b2*2zZZ VAW*AXxa(a)單相3(b)三相CcAWAV*aVVAAWBb圖2-21 變壓器空載試驗接線圖r1x1x2r2rmxmU0I0圖2-22 變壓器空載試驗等效電路000IUz mm12000rrrIPrmm120200 xxxrzxVAW*AXxa(a)單相3(b)三相CcAWAV*aVVAAWBb圖2-23 變壓器短路試驗接線圖rkxkUkIk圖2-24 變壓器短路試驗等效電路kkkIUz 212kkkrrIPr212k2kkxxrzx 分離初、次級電阻；分離初、次級電阻； 通常假定通常假定 國標(biāo)規(guī)定，短路電阻應(yīng)歸算到國標(biāo)規(guī)定，短路電阻應(yīng)歸算到75度時的值。度時的值。2k21xxxkNkNzIU%UzI%UUu100100NkNNkNk%