變壓器用第二章

第二章

變壓器

變壓器：是一種靜止的電機，它利用電磁感應原理將一種電壓、電流的交流電能轉換成同頻率的另一種電壓、電流的電能。換句話說，變壓器就是實現電能在不同等級之間進行轉換,能量既不能增加又不能減少。變壓器變壓器

1.1變壓器的基本結構和分類一、變壓器的基本結構：

電力變壓器的基本構成部分有：鐵心、繞組、絕緣套管、油箱及其他附件等，其中鐵心和繞組是變壓器的主要部件，稱為器身。圖1-2是油浸式電力變壓器的結構圖。

1、鐵心和繞組：變壓器中最主要的部件，他們構成了變壓器的器身。1）鐵心：構成了變壓器的磁路，同時又是套裝繞組的骨架。鐵心由鐵心柱和鐵軛兩部分構成。鐵心柱上套繞組，鐵軛將鐵心柱連接起來形成閉合磁路。鐵心材料：為了提高磁路的導磁性能，減少鐵心中的磁滯、渦流損耗，鐵心一般用高磁導率的磁性材料——硅鋼片疊成。硅鋼片有熱軋和冷軋兩種，其厚度為0.35～0.5mm，兩面涂以厚0.02～0.23mm的漆膜，使片與片之間絕緣。

鐵心型式：變壓器鐵心的結構有心式、殼式和漸開線式等形式。殼式結構的特點是鐵心包圍繞組的頂面、底面和側面，如圖所示。心式結構的特點是鐵心柱被繞組包圍，如圖所示。殼式結構的機械強度較好，但制造復雜，

心式結構比較簡單，繞組的裝配及絕緣比較容易，電力變壓器的鐵心主要采用心式結構。鐵心疊裝：變壓器的鐵心一般是由剪成一定形狀的硅鋼片疊裝而成。為了減小接縫間隙以減小激磁電流，一般采用交錯式疊法，使相鄰層的接縫錯開。鐵心截面:鐵心柱的截面一般作成階梯形，以充分利用繞組內圓空間。容量較大的變壓器，鐵心中常設有油道，以改善鐵心內部的散熱條件，如圖所示。2）繞組：繞組是變壓器的電路部分，它由銅或鋁絕緣導線繞制而成。

一次繞組（原繞組）：輸入電能二次繞組（副繞組）：輸出電能他們通常套裝在同一個心柱上，一次和二次繞組具有不同的匝數，通過電磁感應作用，一次繞組的電能就可傳遞到二次繞組，且使一、二次繞組具有不同的電壓和電流。其中，兩個繞組中，電壓較高的稱為高壓繞組，相應的電壓較低的稱為低壓繞組。從高、低壓繞組的相對位置來看，變壓器的繞組又可分為同心式、交迭式。由于同心式繞組結構簡單，制造方便，所以，國產的均采用這種結構，交迭式主要用于特種變壓器中。

2、其他部件：除器身外，典型的油鋟電力變壓器中還有油箱、變壓器油、絕緣套管及繼電保護裝置等部件。

二、變壓器的分類：

變壓器的種類很多，可按其用途、結構、相數、冷卻方式等不同來進行分類。1、按用途分類，可分為電力變壓器（主要用在輸配電系統(tǒng)中，又分為升壓變壓器、降壓變壓器、聯絡變壓器和廠用變壓器）、儀用互感器（電壓互感器和電流互感器）、特種變壓器（如調壓變壓器、試驗變壓器、電爐變壓器、整流變壓器、電焊變壓器等）。

2、按繞組數目分類:可分為雙繞組變壓器,三繞組變壓器、多繞組變壓器和自耦變壓器。3、按鐵心結構分類，有心式變壓器和殼式變壓器。4、按相數分類，有單相變壓器、三相變壓器和多相變壓器。5、按冷卻介質和冷卻方式分類，可分為油浸式變壓器（包括油浸自冷式、油浸風冷式、油浸強迫油循環(huán)式）、干式變壓器、充氣式變壓器。

6、電力變壓器按容量大小通常分為小型變壓器（容量為10～630kVA）、中型變壓器（容量為800～6300kVA）、大型變壓器（容量為8000～63000kVA）和特大型變壓器（容量在90000kVA及以上）。三、額定值：額定值是制造廠對變壓器在指定工作條件下運行時所規(guī)定的一些量值。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：1、額定容量SN額定容量是指額定運行時的視在功率。以VA、kVA或MVA表示。由于變壓器的效率很高，通常一、二次側的額定容量設計成相等。2、額定電壓U2N和U2N

正常運行時規(guī)定加在一次側的端電壓稱為變壓器一次側的額定電壓U2N。二次側的額定電壓U2N

是指變壓器一次側加額定電壓時二次側的空載電壓。額定電壓以V或kV表示。對三相變壓器，額定電壓是指線電壓。3、額定電流I2N和I2N根據額定容量和額定電壓計算出的線電流，稱為額定電流，以A表示。對單相變壓器對三相變壓器4、額定頻率fN除額定值外，變壓器的相數、繞組連接方式及聯結組別、短路電壓、運行方式和冷卻方式等均標注在銘牌上。額定狀態(tài)是電機的理想工作狀態(tài)，具有優(yōu)良的性能，可長期工作。

四、變壓器在鐵路信號設備供電的應用

鐵路信號用變壓器，多采用低壓小功率的干式自冷變壓器。主要由信號、軌道、道岔表示、扼流、防雷等變壓器。

BX型信號變壓器用于色燈信號機的點燈電路，目前廣泛采用的是BXl—34型。其繞組組成如圖1所示。

BG型軌道變壓器用于軌道電路供電，目前廣泛使用的是BfiI一50型。其繞組組成如圖2所示，原邊接220V電源，副邊輸出電壓為0．45"--10．8V，通過改變副邊端子連接可獲所需電壓。

Bxl一34、BGI一50型變壓器四變壓器在信號設備應用BZ型中繼變壓器設于交流連續(xù)式軌道電路受電端，用以使鋼軌阻抗與軌道繼電器阻抗相匹配。其技術特性與BZ4型相似。

BD型道岔表示變壓器用于電氣集中聯鎖的道岔表示電路中作為道岔表示電源的隔離變壓器，現使用BDI一7型。在電氣化區(qū)段，為使牽引電流順利通過絕緣節(jié)，而信號電流不流經相鄰區(qū)段，在軌道電路送、受電端等需連通牽引電流的地方設置扼流變壓器。在信號電源設備中，變壓器作為主要部件，主要用于以下方面。隔離：雙繞組變壓器隔離成對地絕緣系統(tǒng)變壓：將引入的電壓變?yōu)樗璧碾妷赫{壓：自耦變壓器變成連續(xù)可調的電壓測量：電流互感器擴大電流表的量程五、變壓器的運行特性變壓器的運行特性主要有外特性和效率特性。外特性指在電源電壓和負載的功率因數為常值時，變壓器副邊端電壓與負載電流的變化關系，即U2=f(I2)。cosφ＝有功功率P／視在功率S=P/[(P2+Q2)^(1/2)]

效率特性是指在電源電壓和負載的功率因數為常值時，變壓器的效率與負載電流的變化關系。變壓器的外特性（1）、電壓變化率：原邊為額定電壓，負載功率因數一定時，空載副邊端電壓和負載副邊端電壓之差與額定電壓比值在純電阻和感性負載時，外特性下降；在容性負載時，可能上翹；純電阻時變化較小。

(純阻負載)（感性負載)（容性負載)此曲線稱之為變壓器的外特性電壓變化率還與負載的性質，即功率因數φ2的大小和正負有關。（2）、變壓器的損耗和效率：1、變壓器的功率關系：

變壓器在傳遞能量的過程中將產生損耗，損耗可分為鐵耗和銅耗兩類。通常變壓器的空載損耗指的是鐵耗，而短路損耗指的是銅耗。變壓器的基本鐵耗主要是磁滯和渦流損耗，主要是磁滯損耗。變壓器的基本銅耗是指原、副繞組中的電阻損耗。變壓器原邊從電網吸收電功率P1，其中很小部分功率消耗在原繞組的電阻上(pcu1=mI12R1)和鐵心損耗上(pFe=mI02Rm)。其余部分通過電磁感應傳給副繞組，稱為電磁功率PM。副繞組獲得的電磁功率中又有很小部分消耗在副繞組的電阻上(pcu2=mI22R2)，其余的傳輸給負載，即輸出功率:這樣，變壓器的功率關系可表示如下：所以變壓器的效率為：2、效率的求解：1）以按給定負載條件直接給變壓器加負載，測出輸出和輸入有功功率就可以計算出來。這種方法稱為直接負載法，P1和P2效率相差不大，難以直接測得，且效率實驗耗電多，不經濟。因而，采用間接法，測出各種損耗計算效率。2）電力變壓器可以應用間接法計算效率，間接法又稱損耗分析法。其優(yōu)點在于無需給變壓器直接加負載，也無需運用等效電路計算，只要進行空載試驗和短路試驗，測出額定電壓時的空載損耗p0和額定電流時的短路損耗pkN就可以方便地計算出任意負載下的效率。在應用間接法求變壓器的效率時通常作如下假定：

1.忽略變壓器空載運行時的銅耗，用額定電壓下的空載損耗p0來代替鐵耗pFe，即pFe=p0，它不隨負載大小而變化，稱為不變損耗；2.忽略短路試驗時的鐵耗，用額定電流時的短路損耗pkN來代替額定電流時的銅耗。但需要注意的是：不同負載時的銅耗與負載系數的平方成正比，當短路損耗pk不是在IK=IN時測的，則pkN=(IN/IK)2PK。3.不考慮變壓器副邊電壓的變化，即認為U2=U2N不變，這樣便有P2=mU2I2cosφ2=mU2NI2N(I2/I2N)cosφ2

=β

SNcosφ

2

這樣，效率的公式可變?yōu)椋?*100%以上的假定引起的誤差不大（不超過0.5％），卻給計算帶來很大方便，電力變壓器規(guī)定都用這種方法來計算效率。3.效率特性：上式說明，當負載的功率因數cosφ

2一定時，效率隨負載系數而變化。圖為變壓器的效率曲線。效率決定于鐵耗、銅耗和負載大小。

特性分析：1.空載時輸出功率為零，所以η=0。2.負載較小時，損耗相對較大，功率η較低。3.負載增加，效率η亦隨之增加。超過某一負載時，因銅耗與成正比增大，效率η反而降低，最大效率η出現在=0的地方。因此，取η對β的導數，并令其等于零，即可求出最高效率ηmax時的負載系數βm

βm==

ηmax=×100％即當不變損耗（鐵耗）等于可變損耗（銅耗）時效率最大。

六、三相變壓器現代電力系統(tǒng)都采用三相制，故三相變壓器使用最廣泛。但三相變壓器也有其特殊的問題需要研究，例如三相變壓器的磁路系統(tǒng)、三相變壓器繞組的連接方法和聯結組、三相變壓器空載電動勢的波形和三相變壓器的不對稱運行等。此外，變壓器的并聯運行也放在本章討論。

三相變壓器的磁路系統(tǒng)三相變壓器的磁路系統(tǒng)可分為各相磁路獨立和各相磁路相關兩大類。（一）、各相磁路獨立:三相變壓器組或組式三相變壓器,如圖所示特點：1.顯然各相磁路相互獨立彼此無關2.當原方接三相對稱電源時，各相主磁通和勵磁電源也是對稱的。（二）、各相磁路相關：如圖所示，可見，此時的各相磁通之間是相互聯系的，即：特點：在這種鐵心結構的變壓器中，任一瞬間某一相的磁通均以其他兩相鐵心為回路，因此各相磁路彼此相關聯。

七

變壓器的并聯運行（一）、并聯運行的定義：是指將兩臺或多臺變壓器的原方和副方分別接在公共母線上，同時向負載供電的運行方式，如圖所示。（二）、并聯運行的優(yōu)點：1）可以提高供電的可靠性。2）可以根據負荷的大小調整投入并聯運行變壓器的臺數，以提高運行效率；3）可以減少備用容量，并可隨著用電量的增加，分期分批地安裝新的變壓器，以減少初投資。當然，并聯變壓器的臺數也不宜太多，因為在總容量相同的情況下，一臺大容量變壓器要比幾臺小容量變壓器造價低、基建設投資少、占地面積小。

（三）、變壓器的理想并聯運行條件：1）空載時并聯的各變壓器副繞組之間沒有環(huán)流。

2）帶負載后各變壓器的負載系數相等。3）負載時各變壓器對應相的電流相位相同（四）、并聯運行的變壓器必須滿足以下三個條件：1）各變壓器高、低壓方的額定電壓分別相等，即各變壓器的變比相等；2)各變壓器的聯結組相同；3）短路電抗與短路電阻之比相等。上述三個條件中，條件2﹚必須嚴格保證。

（五)、條件不滿足時的情況：1）如果各變壓器的聯結組不同：將會在變壓器的副繞組所構成的回路上產生一個很大的電壓差，這樣的電壓差作用在變壓器必然產生很大的環(huán)流（幾倍于額定電流）它將燒壞變壓器的繞組，因此聯結組不同的變壓器絕對不能并聯運行。2）變比不相等時：在并聯運行的變壓器之間也會產生環(huán)流。

八、變壓器的過渡過程在實際運行中，有時會受到外界因素的急劇擾動，如負載突然變化、空載合閘到電源、副方突然短路及過電壓沖擊等，原來的穩(wěn)定運行狀態(tài)必然遭到破壞，各電磁量要經歷一個急劇的變化過程才能達到新的穩(wěn)定運行狀態(tài)。這種從一種穩(wěn)定運行狀態(tài)過渡到另一種穩(wěn)定運行狀態(tài)的過程，稱為瞬變過程。過電流現象空載合閘：變壓器副邊開路，將原邊接入電源。在穩(wěn)態(tài)運行時，變壓器的空載電流很小，僅為額定電流的3~10%。但在空載合閘時卻可能出現很大的沖擊電流，其值可達穩(wěn)態(tài)空載電流的幾十倍甚至上百倍，相當于幾倍的額定電流。如不采取適當措施，則可能使開關跳閘，變壓器不能順利投入電網。過電流的影響在整個瞬變過程中，大部分時間內的沖擊電流都在額定電流值以下。因此，無論從電磁力或溫升來考慮，對變壓器本身沒有多大危害。但在最初幾個周期內，沖擊電流可能使過電流保護裝置誤動作。為了防止這種現象發(fā)生，加快合閘電流的衰減，可在變壓器原邊串入一個合閘電阻，合閘完后再將該電阻切除。過電流：變壓器副方突然短路時的瞬變過程副方突然短路時，短路電流很大，形成過電流現象。在分析副方發(fā)生短路時的瞬變過程時，思路和前面所分析的空載和閘的瞬變過程時一樣的，所以在這里，不在進行詳細的闡述，得到結論如下：在突然短路時會產生一個很大的沖擊電流，它會在變壓器繞組上產生很大的電磁力，嚴重時可能使變壓器繞組變形而損壞。突然短路時的電磁力：在發(fā)生突然短路時，變壓器的繞組處在漏磁場中，繞組中的電流與漏磁場相互作用，在繞組的導線中產生電磁力，嚴重時可達到額定運行時的400-900倍！變壓器的過電壓現象變壓器運行時，由于某種原因使得變壓器承受的電壓超過它的最大允許工作電壓時，稱為過電壓。過電壓對變壓器的影響卻很大，它可能導致絕緣擊穿，因此必須采取有效措施，防止過電壓的產生或進行有效的保護。

電壓超過了最大工作電壓都可稱為過電壓，但通常把過電壓理解為周期性或非周期性的短時間沖擊電壓。過電壓產生于以下情況：1、操作過電壓：變壓器接入或斷開2、故障過電壓：系統(tǒng)中發(fā)生短路或間歇接地而產生

3、大氣過電壓：雷電過電壓防護措施為了進行過壓防護，一般采用以下措施：1、避雷器防護；2、加強絕緣；3、靜電防護；九變壓器的維修變壓器的維修包括運行前的檢查和運行中的監(jiān)視和維護，是保證其安全運行的重要工作。運行前對變壓器進行檢查，檢查項目如下：

1、檢查變壓器的額定電壓和容量是否符合要求。

2、檢查變壓器的內外是否清潔，各部螺絲是否完好，安裝是否牢固，硅鋼片是否夾緊。

運行前檢查3、檢查分接頭調壓板是否安裝牢固，分接頭的選定是否與所需電壓相適應。4、檢查高、低壓繞組接線是否正確，引線有無破裂或斷股情況，絕緣是否包扎完好。5、用1000V兆歐表測量繞組間及對地絕緣電阻。如線圈受潮，應進行干燥處理。

6、檢查變壓器接地線是否聯接完好。

7、檢查變壓器的熔斷器是否符合要求。在運行中進行監(jiān)視和維護1、變壓器有無異常聲音。

2、各引線接頭有無松動及跳火情況。

3、熔斷器是否完好。

4、變壓器的溫升是否超過規(guī)定標準。變壓器在運行中的不正常狀態(tài)及原因

1、變壓器的嗡聲很大，主要是鐵心硅鋼片未夾緊所致。

2、在正常的負荷和冷卻條件下，變壓器過熱、冒煙和局部發(fā)生弧光。原因有，鐵心穿通螺栓絕緣損壞、鐵心硅鋼片間絕緣損壞、高低壓繞組間短路、匝間短路、引出線混線及過負荷等。

3、變壓器熔斷器熔斷，應先檢查變壓器本身無短路等異常情況，再查找外部故障，待故障排除后，再換上熔芯投入運行。第三節(jié)互感器

測量大電流時，因導線周圍產生的磁場會對儀表帶來附加影響，故不能采用直接式電流表；用分流器來擴大量限時，分流電阻的功耗頗大，故通常用電流互感器來擴大電流表量限?；ジ衅魇菧y量用的變壓器，又稱儀用變壓器，用來擴大儀表的測量范圍，有電壓互感器和電流互感器兩種，信號電源中只使用了后者。電流互感器的結構和工作原理電流互感器是工作于低磁感應