變壓器基本工作原理

第 1 章 變 壓 器 的 基 本 知 識 和 結(jié) 構(gòu)1.1變壓器的基本原理和分類一、變壓器的基本工作原理變壓器是利用電磁感應定律把一種電壓等級的交流電能轉(zhuǎn)換成同頻率的另一種電壓等級的交流電能。變壓器工作原理圖當原邊繞組接到交流電源時，繞組中便有交流電流流過，并在鐵心中產(chǎn)生與外加電壓頻率相同的磁通，這個交變磁通同時交鏈著原邊繞組和副邊繞組。原、副繞組的感應分別表示為u e N則 1 1 1 k變比k：表示原、副繞組的匝數(shù)比，也等于原邊一相繞組的感應電勢與副邊一相繞組的感應電勢之比。改變變壓器的變比，就能改變輸出電壓。 但應注意,變壓器不能改變電能的頻率。二、電力變壓器的分類變壓器的種類很多，可按其用途、相數(shù)、結(jié)構(gòu)、調(diào)壓方式、冷卻方式等不同來進行分類。按用途分類：升壓變壓器、降壓變壓器；按相數(shù)分類：單相變壓器和三相變壓器；按線圈數(shù)分類：雙繞組變壓器、三繞組變壓器和自耦變壓器；按鐵心結(jié)構(gòu)分類： 心式變壓器和殼式變壓器；按調(diào)壓方式分類： 無載（無勵磁）調(diào)壓 變壓器、有載調(diào)壓變壓器；按冷卻介質(zhì)和冷卻方式分類： 油浸式變壓器和干式變壓器等；按容量大小分類： 小型變壓器、中型變壓器、大型變壓器和特大型變壓器。三相油浸式電力變壓器的外形 ,見圖1，鐵心和繞組是變壓器的主要部件，稱為器身 見圖2，器身放在油箱內(nèi)部。1.2電力變壓器的結(jié)構(gòu)一、鐵心鐵心的材料采用高磁導率的鐵磁材料— 0.35～0.5mm厚的硅鋼片疊成。為了提高磁路的導磁性能，減小鐵心中的磁滯、渦流損耗。變壓器用的硅鋼片其含硅量比較高。硅鋼片的兩面均涂以絕緣漆，這樣可使疊裝在一起的硅鋼片相互之間絕緣。鐵心形式鐵心是變壓器的主磁路，電力變壓器的鐵心主要采用心式結(jié)構(gòu)。二、繞組繞組的材料銅或鋁導線包繞絕緣紙以后繞制而成。形式圓筒式、螺旋式、連續(xù)式、糾結(jié)式等結(jié)構(gòu)。為了便于絕緣，低壓繞組靠近鐵心柱，高壓繞組套在低壓繞組外面，兩個繞組之間留有油道。變壓器繞組外形如圖所示。三、油箱及其他附件油箱變壓器油的作用：加強變壓器內(nèi)部絕緣強度和散熱作用。要求：用質(zhì)量好的鋼板焊接而成，能承受一定壓力，某些部位必須具有防磁化性能。形式：大型變壓器油箱均采用了鐘罩式結(jié)構(gòu)；小型變壓器采用吊器身式。儲油柜作用：減少油與外界空氣的接觸面積，減小變壓器受潮和氧化的概率。在大型電力變壓器的儲油柜內(nèi)還安放一個特殊的空氣膠囊， 它通過呼吸器與外界相通， 空氣膠囊阻止了儲油柜中變壓器油與外界空氣接觸。。呼吸器作用：內(nèi)裝硅膠的干燥器，與油枕連通，為了使潮氣不能進入油枕使油劣化。硅膠對空氣中水份具有很強的吸附作用，干燥狀態(tài)狀態(tài)為蘭色，吸潮飽和后變?yōu)榉奂t色。吸潮的硅膠可以再生。冷卻器作用：加強散熱。裝配在變壓器油箱壁上，對于強迫油循環(huán)風冷變壓器，電動泵從油箱頂部抽出熱油送入散熱器管簇中，這些管簇的外表受到來自風扇的冷空氣吹拂，使熱量散失到空氣中去，經(jīng)過冷卻后的油從變壓器油箱底部重新回到變壓器油箱內(nèi)。絕緣套管作用：使繞組引出線與油箱絕緣。絕緣套管一般是陶瓷的，其結(jié)構(gòu)取決于電壓等級。 1kV以下采用實心磁套管， 10～35kV采用空心充氣或充油式套管，110kV及以上采用電容式套管。為了增大外表面放電距離，套管外形做成多級傘形裙邊。電壓等級越高，級數(shù)越多。分接開關(guān)作用：用改變繞組匝數(shù)的方法來調(diào)壓。一般從變壓器的高壓繞組引出若干抽頭，稱為分接頭，用以切換分接頭的裝置叫分接開關(guān)。分接開關(guān)分為無載調(diào)壓和有載調(diào)壓兩種， 前者必須在變壓器停電的情況下切換； 后者可以在變壓器帶負載情況下進行切換。分接開關(guān)安裝在油箱內(nèi)，其控制箱在油箱外，有載調(diào)壓分接開關(guān)內(nèi)的變壓器油是完全獨立的，它也有配套的油箱、瓦斯繼電器、呼吸器。壓力釋放閥作用：為防止變壓器內(nèi)部發(fā)生嚴重故障而產(chǎn)生大量氣體，引起變壓器發(fā)生爆炸。氣體繼電器（瓦斯繼電器）作用：變壓器的一種保護裝置， 安裝在油箱與儲油柜的連接管道中， 當變壓器內(nèi)部發(fā)生故障時（如絕緣擊穿、匝間短路、鐵芯事故、油箱漏油使油面下降較多等）產(chǎn)生的氣體和油流，迫使氣體繼電器動作。輕者發(fā)出信號，以便運行人員及時處理。重者使斷路器跳閘，以保護變壓器。1.3變壓器的名牌數(shù)據(jù)一、型號型號表示一臺變壓器的結(jié)構(gòu)、額定容量、電壓等級、冷卻方式等內(nèi)容。例如：SL-500/10：表示三相油浸自冷雙線圈鋁線，額定容量為 500kVA，高壓側(cè)額定電壓為 10kV級的電力變壓器。二、額定值額定運行情況：制造廠根據(jù)國家標準和設(shè)計、試驗數(shù)據(jù)規(guī)定變壓器的正常運行狀態(tài)。表示額定運行情況下各物理量的數(shù)值稱為額定值。 額定值通常標注在變壓器的銘牌上。 變壓器的額定值主要有：額定容量SN：銘牌規(guī)定在額定使用條件下所輸出的視在功率。原邊額定電壓U1N：正常運行時規(guī)定加在一次側(cè)的端電壓，對于三相變壓器，額定電壓為線電壓。副邊額定電壓U2N：一次側(cè)加額定電壓，二次側(cè)空載時的端電壓。原邊額定電流I1N：變壓器額定容量下原邊繞組允許長期通過的電流，對于三相變壓器， I1N為原邊額定線電流。副邊額定電流I2N：變壓器額定容量下原邊繞組允許長期通過的電流，對于三相變壓器， I2N為副邊額定線電流。單相變壓器額定值的關(guān)系式：SNU1NI1NU2NI2N三相變壓器額定值的關(guān)系式：SN3U1NI1N3U2NI2N額定頻率fN：我國工頻：50Hz；還有額定效率、溫升等額定值。2.1變壓器的空載運行變壓器空載運行是指變壓器原邊繞組接額定電壓、額定頻率的交流電源，副邊繞組開路時的運行狀態(tài)。變壓器空載運行圖一、空載時各物理量產(chǎn)生的因果關(guān)系二、電勢與磁通的大小和相位關(guān)系設(shè)主磁通按正弦規(guī)律變化 ,根據(jù)電磁感應定律可推導出原繞組感應電勢同理可得所以，變壓器原、副繞組的感應電勢大小與磁通成正比，與各自的匝數(shù)成正比，感應電勢在相位上滯后磁通90°。三、原邊漏電抗和激磁電抗1.原邊漏電抗激磁電抗四、原副邊回路方程和等效電路1.電動勢平衡方程變壓器空載運行時，各物理量的正方向通常按上圖標定，根據(jù)基爾霍夫電壓定律，原邊回路方程為對于電力變壓器，空載時原繞組的漏阻抗壓降I01很小，其數(shù)值不超過1的0.2%，將ZUI0Z1忽略，則有副邊回路方程空載時的等效電路Z1＜＜Zm、rm＜＜xm?？蛰d時電路功率因數(shù)都很小，空載電流 I0主要是無功性質(zhì)，由于鐵磁材料的磁飽和性，引起空載電流I0的波形是尖頂波。希望空載電流越小越好，因此變壓器采用高導磁率的鐵磁材料，以增大 Zm減少I0。變壓器空載時既吸收無功功率，也吸收有功功率，無功功率主要用于建立主磁通，有功功率主要用于鐵耗。2.2變壓器負載運行變壓器負載運行是指變壓器原邊繞組接額定電壓、額定頻率的交流電源，副邊繞組接負載時的運行狀態(tài)。變壓器負載運行圖一、負載時電磁關(guān)系1.磁動勢平衡關(guān)系從空載到負載，由于變壓器所接的電源電壓 U1不變，且U1≈E1，所以主磁通不變，負載時的磁動勢等于與空載時的磁動勢相等。即磁動勢平衡關(guān)系這表明，變壓器原、副邊電流與其匝數(shù)成正比，當負載電流 I2增大時，原邊電流 I1將隨著增大，即輸出功利增大時，輸入功率隨之增大。所以變壓器是一個能量傳遞裝置，它在變壓的同時也在改變電流的大小。2.原、副邊回路方程式按上圖所規(guī)定的正方向，根據(jù)基爾霍夫電壓定律，可寫出原、副邊回路方程式二、折算折算的目的：由于原、副邊回路只有磁路的耦合，沒有電路的直接聯(lián)系，為了得到變壓器的等效電路，需對變壓器進行繞組折算。折算：就是把副邊繞組匝數(shù)看成與原邊繞組匝數(shù)相等時，對副邊回路各參數(shù)進行的調(diào)整。折算原則是折算前后副邊磁動勢不變、副邊各部分功率不變，以保持變壓器內(nèi)部電磁關(guān)系不變。副邊各物理量的折算方法 ：折算后的基本方程式為三、負載時的等效電路1.T形等效電路根據(jù)折算后的基本方程式可以構(gòu)成變壓器的 T形等效電路2.較準確等效電路由于Zm＞＞Z1，可把“T形”等效電路中的激磁支路移到電源端，便得變壓器的較準確等效電路，較準確等效電路的誤差很小。3.簡化等效電路在電力變壓器中，I0＜＜IN，因此，在工程計算中可忽略 I0，即去掉激磁支路，將原、副邊的漏阻抗合并，而得到變壓器的簡化等效電路。對于簡化等效電路，可寫出變壓器的方程組簡化等效電路所對應的相量圖在工程上，簡化等效電路及其方程式、相量圖給變壓器的分析和計算帶來很大的便利，得到廣泛應用。2.3變壓器參數(shù)的測定一、空載試驗1.變壓器的空載試驗目的 ：求出變比 k、空載損耗 pk和激磁阻抗 Zm。2.空載試驗的接線通常在低壓側(cè)加電壓，將高壓側(cè)開路3.空載試驗的過程電源電壓由零逐漸升至 1.2U1N，測取其對應的 U1、I0、p0。變壓器原邊加不同的電壓，建立的磁通不同，磁路的飽和程度不同，激磁阻抗不同，由于變壓器正常運行時原邊加額定電壓，所以， 應取額定電壓下的數(shù)據(jù)來計算激磁阻抗 。由變壓器空載時等效電路可知，因 Z1＜＜Zm、r1＜＜rm，所以式中 p0—空載損耗，可作為額定電壓時的鐵耗。若要得到以高壓側(cè)為原邊的激磁參數(shù)， 可將所測得的激磁參數(shù)乘以 k2，k等于變壓器高壓側(cè)一相的電壓除以低壓側(cè)一相的電壓。對于三相變壓器，試驗中測定的數(shù)據(jù)是線電壓、線電流和三相總功率，只要換算成一相的數(shù)據(jù)，就可直接代入上式計算。二、短路試驗1.短路試驗的目的： 可測出短路阻抗 Zk和變壓器的銅耗 pk。2.短路試驗的接線 :通常在高壓側(cè)加電壓，將低壓側(cè)短路3.短路試驗的過程電源電壓由零逐漸升高，使短路電流由零逐漸升高至 1.2I1N，測取其對應的 Uk、Ik、pk。注意：由于變壓器短路阻抗很小，如果在額定電壓下短路，則短路電流可達（ 9.5～20）I1N，將損壞變壓器，所以做短路試驗時，外施電壓必須很低，通常為（ 0.05～0.15）U1N，以限制短路電流。取額定電流點計算，因所加電壓低，鐵心中的磁通很小，鐵耗和勵磁電流可以忽略，使用簡化等效電路進行分析pkN：短路損耗，指短路電流為額定電流時變壓器的損耗， pkN可作為額定電流時的銅耗。一般認為：r1=r2′=0.5rk；x1=x2′=0.5xk將室溫下測得的短路電阻換算到標準工作溫度 75℃時的值，而漏電抗與溫度無關(guān)。短路試驗在任何一方做均可， 高壓側(cè)參數(shù)是低壓側(cè)的 k2倍，k等于變壓器高壓側(cè)一相的電壓除以低壓側(cè)一相的電壓。對于三相變壓器，試驗中測定的數(shù)據(jù)是線電壓、線電流和三相總功率，只要換算成一相的數(shù)據(jù)，就可直接按單相變壓器計算。三、短路電壓短路電壓：在短路試驗中，當短路電流為額定電流時，原邊所加的電壓與額定電壓之比的百分值，即短路電壓是變壓器一個很重要的參數(shù)，其大小反映了變壓器在額定負載時漏阻抗壓降的大小。從運行角度來看，希望 Uk小一些，使變壓器輸出電壓隨負載變化波動小一些。但 Uk太小，變壓器由于某種原因短路時短路電流太大，可能損壞變壓器。一般中、小型電力變壓器的 Uk=4%～10.5%，大型電力變壓器的Uk=12.5%～17.5%。四、標么值標么值：實際值與該物理量某一選定的同單位的基值之比通常取各物理量對應的額定值作為基值。取一、二次側(cè)額定電壓 U1N、U2N作為一、二次側(cè)電壓的基值；取一、二次側(cè)額定電流 I1N、I2N作為一、二次側(cè)電流的基值；一、二次側(cè)阻抗的基值分別為 U1N/I1N、U2N/I2N。在各物理量原來的符號上加上一上標 “*來”表示該物理量的標么值。例如， U1*=U1/U1N。一、外特性和電壓變化率1.外特性外特性：指原邊加額定電壓， 負載功率因數(shù)一定時， 副邊電壓U2隨負載電流變化的關(guān)系， 即U2=f(I2)。變壓器在純電阻和感性負載時，副邊電壓