第五章：變壓器

第五章變壓器學(xué)習(xí)要點1、理解變壓器空載、負載運行；2、掌握變壓器的基本方程；3、掌握變壓器磁路及感應(yīng)電動勢。4、了解三相變壓器繞組接法。5、掌握自耦變壓器與儀用互感器的使用。下一頁5.1變壓器的工作原理圖1用結(jié)構(gòu)原理圖表示的變壓器電路圖2用圖形符號表示的變壓器電路N1N2原理圖：+-+-－＋－＋電路圖：N1N2+-+-－－＋＋正方向的規(guī)定：(1)一次側(cè)電流的正方向與電源電壓的正方向取為一致，二次側(cè)電流的正方向與感應(yīng)電動勢的正方向一致。感應(yīng)電動勢的正方向為電壓升的方向。(2)磁動勢的正方向與產(chǎn)生該磁動勢的電流的正方向之間符合右手螺旋關(guān)系。(3)磁通的正方向與磁動勢的正方向一致。(4)感應(yīng)電動勢的正方向（即電位升的方向）與產(chǎn)生該電動勢的磁通的正方向之間符合右手螺旋關(guān)系。(5)由交變磁通所感應(yīng)的電動勢，其正方向與繞組中電流的正方向一致。5.1.2變壓器的用途與分類(一)變壓器的用途變壓器是一種利用電磁感應(yīng)作用將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的電氣設(shè)備。在電力系統(tǒng)中：110kV、220kV330kV、500kV電能負荷升壓變壓器遠距離輸電降壓變壓器10kV10kV6kV380V220V上一節(jié)下一節(jié)上一頁下一頁在電子線路和自動控制系統(tǒng)中，變壓器起著信號傳遞、阻抗變換以及信號隔離等作用?！旊娋嚯x、輸電功率與輸電電壓的關(guān)系:輸電電壓

輸電功率

輸電距離110kV5×104kW50~150km220kV(20~30)×104kW200~400km500kV100×104kW≥500km(二)變壓器的分類(1)按用途分類

配電變壓器

整流變壓器

電源變壓器

(2)按相數(shù)分類

三相變壓器

單相變壓器

(3)按每相繞組的個數(shù)分類

三繞組變壓器

雙繞組變壓器

自耦變壓器

(4)按冷卻方式分類

干式變壓器

油浸式變壓器

(5)按結(jié)構(gòu)分類

心式變壓器

殼式變壓器

電力變壓器

※變壓器常用的結(jié)構(gòu)型式有兩種：上一節(jié)下一節(jié)上一頁下一頁5.2變壓器的基本結(jié)構(gòu)鐵心原邊繞組一次繞組（原繞組，原邊）：輸入電能副邊繞組二次繞組（副繞組，副邊）：輸出電能或工作電壓高的繞組——高壓繞組，工作電壓低的繞組——低壓繞組。圖3.1變壓器基本結(jié)構(gòu)

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，表示方法為如OSFPSZ-250000/220表明自耦三相強迫油循環(huán)風(fēng)冷三繞組銅線有載調(diào)壓，額定容量250000kVA，高壓額定電壓220kV電力變壓器。5.2.1型號和額定值1.型號：1）額定容量SN額定容量是指額定運行時的視在功率。以VA或kVA表示。2）額定電壓U1N和U2N單位：V或kV3）額定電流I1N和I2N單位：A

對單相變壓器對三相變壓器4）額定頻率fN

我國規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)用電頻率為50Hz。2.額定值：空載運行：原繞組加額定電壓，副繞組開路的運行情況稱為空載運行5.3變壓器的空載運行N1N2一、空載運行的物理過程主磁通：以鐵心為磁路，同時交鏈著一次繞組和二次繞組漏磁通：以空氣或變壓器油為磁路，只與一次繞組相交鏈：空載電流、勵磁電流1）性質(zhì)上：與成非線性關(guān)系；與成線性關(guān)系；2）數(shù)量上：占99%以上，僅占1%以下；3）作用上：起傳遞能量的作用，起漏抗壓降作用。主磁通與漏磁通的區(qū)別正方向的確定：按慣例：消耗電能的電路中，按電動機慣例；產(chǎn)生電能的電路中，按發(fā)電機慣例。電動機慣例發(fā)電機慣例變壓器原邊屬前者，副邊屬后者。二、各電磁量參考方向的規(guī)定根據(jù)電磁感應(yīng)定律和對正方向規(guī)定，一、二次繞組中感應(yīng)電動勢為：假定

Φ=Φmsinωt

其中一次側(cè)：三、感應(yīng)電動勢分析1、主磁通感應(yīng)的電動勢——主電動勢二次側(cè)：其中注意：從上面的表達式中我們可以看出，感應(yīng)電動勢總是滯后于產(chǎn)生它的磁通900。式中X1—一次繞組的漏電抗2、漏磁通感應(yīng)的電動勢——漏電動勢根據(jù)主電動勢的分析方法，同樣有一次側(cè)漏磁感應(yīng)電動勢漏電動勢也可以用漏抗壓降來表示，即由于漏磁通主要經(jīng)過非鐵磁路徑,磁路不飽和,故磁阻很大且為常數(shù),所以漏電抗很大且為常數(shù),它不隨電源電壓負載情況而變.1、電壓平衡方程式根據(jù)對正方向的規(guī)定，可以得到空載時電動勢平衡方程式：式中，

Z1=R1+jX1——一次繞組的漏阻抗N1N2－＋＋－－－＋＋＋－一次側(cè)：四、電動勢平衡方程和變比空載時一次繞組的漏阻抗壓降I0Z1很小，其數(shù)值不超過U1的0.2%，將I0Z1忽略，則上式變成：二次側(cè)：即注意：外加電壓、電源頻率不變時，鐵心內(nèi)主磁通最大值幾乎不變，這是分析變壓器和交流電動機時的重要概念。5.4變壓器的負載運行變壓器負載運行原理圖N1N2+-+--+-++--+變壓器一次側(cè)接在額定頻率、額定電壓的交流電源上，二次接上負載的運行狀態(tài)，稱為負載運行。圖3.7變壓器負載運行原理圖N1N2+-+--+-++--+5.4.1負載運行時的物理過程1.磁勢平衡Im是激磁電流，固定不變的量。IL負載分量隨負載不同而變化。在額定負載時，I1L比Im大很多，負載分量是I1中的主要部分.2.電動勢平衡除了主磁通在原、副邊繞組中感應(yīng)電動勢E1和E2外，原、副邊還有對應(yīng)于漏磁通產(chǎn)生的漏電勢。副邊：原邊：5.4.2基本電磁方程綜合分析，變壓器穩(wěn)態(tài)運行時的六個基本方程式各電磁量之間同時滿足這六個方程利用，k，Z1，Z2，Zm，ZL求解出

LmmZIUZENININIkEEZIEUZIEU221122112122221111mI&&&&&&&&&&&&&&&=-==+=-=+-=當(dāng)k較大時，變壓器原、副邊電壓相差很大，為計算和作圖帶來不便。變壓器原邊和副邊沒有直接電路的聯(lián)系，只有磁路的聯(lián)系。副邊的負載通過磁勢影響原邊。因此只要副邊的磁勢不變，原邊的物理量就沒有改變。這為折算提供了依據(jù)。保持磁勢不變而假想改變它的匝數(shù)與電流的方法，稱折合算法。

實際繞組的各個量，稱為實際值；假想繞組的各個量，稱為折算值；5.4.3變壓器的等效電路和向量圖折算1.變壓器的繞組歸算

所謂把二次側(cè)歸算到一次側(cè)是指：在不改變變壓器電磁關(guān)系和能量傳遞關(guān)系的前提下，把二次繞組的匝數(shù)變成與一次繞組的匝數(shù)相同，相當(dāng)于一臺變比k=1的變壓器。2.變壓器的等效電路

二次側(cè)歸算到一次側(cè)后，二次側(cè)的電勢和電壓應(yīng)乘以k倍，電流乘以1/k倍，阻抗乘以k2倍。歸算后基本方程

（a）（b）（c）A.T形等效電路變壓器的等效電路和相量圖B.近似等效電路C.簡化等效電路（變壓器滿載及短路時）變壓器的等效電路和相量圖3.變壓器的相量圖

基本方程、等效電路和相量圖是分析變壓器運行的三種方法?；痉匠谈爬俗儔浩髦械碾姶抨P(guān)系，而等效電路和相量圖是基本方程的另一種表達形式，三者是一致的。根據(jù)：A.已知條件B.基本方程變壓器感性負載時的相量圖

1.開路實驗（空載實驗）變壓器等效電路的參數(shù)，可以通過對變壓器實行開路實驗和短路實驗來確定。該兩實驗是變壓器實驗的主要項目?？蛰d實驗接線圖

方法：調(diào)節(jié)調(diào)壓器改變變壓器的一次輸入電壓，并測量變壓器對應(yīng)的輸入功率P0、一次繞組的電壓U1和電流I0，測量時在額定電壓點附近多測量幾點。數(shù)據(jù)處理：注意：為方便和安全，開路實驗常在低壓側(cè)加電壓，高壓側(cè)開路。計算出的是低壓側(cè)數(shù)據(jù)，若需歸算到高壓側(cè)時，激磁阻抗應(yīng)乘以k2。5.4.4變壓器參數(shù)的測定2.短路實驗短路實驗接線圖

方法：二次繞組短接，一次繞組上通過調(diào)壓器接電源。調(diào)節(jié)變壓器外加電壓，使短路電流達到變壓器的額定電流，測量此時的一次繞組電壓Uk、輸入功率Pk和電流Ik，即可近似計算變壓器的短路阻抗。數(shù)據(jù)處理：注意：為安全，短路實驗通常在高壓側(cè)加低電壓，低壓側(cè)短路。5.4.5標(biāo)幺值標(biāo)幺值：某一物理量的實際值與選定的同一單位的基值的比值。通常以額定值為基值。優(yōu)點：3、折算前、后的標(biāo)幺值相等。線值的標(biāo)幺值=相值的標(biāo)幺值；單相值的標(biāo)幺值=三相值的標(biāo)幺值；

1、額定值的標(biāo)幺值為1。

2、百分值=標(biāo)幺值×100%；4、某些意義不同的物理量標(biāo)幺值相等缺點：標(biāo)幺值沒有單位，物理意義不明確。5、采用標(biāo)幺值后，不會改變變壓器基本方程式的形式。練習(xí)一、某變壓器一次電流的標(biāo)幺值為0.5，問：該變壓器二次電流的標(biāo)幺值多少？解：外特性：變壓器在U1N、fN下，負載功率因數(shù)一定時，U2=f（I2）。U2I2U205.5變壓器的運行特性operatingcharacteristicoftransformer5.5.1外特性與電壓變化率:電壓變化率voltagerate-of-change定義：變壓器在U1N、fN下，副邊空載電壓U20與負載后在某一功率因數(shù)下副邊端電壓U2之差，與副邊額定電壓U2N的比值。即

電壓變化率的大小與負載大小、性質(zhì)及變壓器的參數(shù)有關(guān)。5.5.2變壓器的效率特性：銅損(PCu)：------可變損耗鐵損（）：PFe--------不變損耗損耗效率變壓器的效率與負載的大小、性質(zhì)及銅損和鐵損有關(guān)。一、組式磁路變壓器二、心式磁路變壓器特點是：三相磁路彼此無關(guān)聯(lián)。特點是：三相磁路彼此有關(guān)聯(lián)。5.6三相變壓器5.6.1結(jié)構(gòu)：變壓器的端頭標(biāo)號繞組名稱單相變壓器三相變壓器中性點首端末端首端末端高壓繞組AXA、B、CX、Y、ZN低壓繞組axa、b、cx、y、zn中壓繞組AmXmAm、Bm、CmXm、Ym、ZmNm2繞組連接方式我國主要采用星形連接（Y連接）和三角形連接（D連接）兩種。

星形連接（Y）三角形連接（D）三相繞組的聯(lián)結(jié)方式：星形連接方式：以高壓繞組為例，把三相繞組的３個末端X、Y、Z連在一起，結(jié)成中點，而把它們的三個首端A、B、C引出，便是星形連接，以符號Y表示；三角形連接方式：如果把一相的末端和另一相首端連接起來，順序形成一閉合電路，稱為三角形連接，用D表示。注意：相應(yīng)的對于低壓側(cè)而言，用y,d表示。

繞組的極性????????3、變壓器的聯(lián)結(jié)組：1）變壓器的聯(lián)結(jié)組：三相變壓器高、低壓繞組對應(yīng)的線電動勢之間的相位差，通常用時鐘法來表示，稱為變壓器的聯(lián)結(jié)組。

2）時鐘法：即把高壓繞組的線電動勢相量作為時鐘的長針，且固定指向12的位置，對應(yīng)的低壓繞組的線電動勢相量作為時鐘的短針，其所指的鐘點數(shù)就是變壓器聯(lián)結(jié)組的標(biāo)號。5.6.2三相變壓器的聯(lián)結(jié)組三相變壓器的聯(lián)結(jié)組——高、低繞組對應(yīng)線電動勢之間的相位差，不僅與繞組的極性（繞法）和首末端的標(biāo)志有關(guān)，而且與繞組的連接方式有關(guān)。1）、Y，y接法如圖所示：當(dāng)各相繞組同鐵心柱時，Y，y接法有兩種情況。1）、高、低壓繞組同極性端有相同的首端標(biāo)志，高、低壓繞組相電動勢相位相同，則高、低壓繞組對應(yīng)線電動勢和也同相位，其聯(lián)結(jié)組為Y，y0。2）、同極性端有相異的端點標(biāo)志，高、低壓繞組相電動勢相位相反，則對應(yīng)的線電動勢和相位也相反，因此其聯(lián)結(jié)組為Y，y6。如果高低繞組的三相標(biāo)記不變，將低壓繞組的三相標(biāo)記依次輪換，如b→a，c→b，a→c；y→x，z→y，x→z，則可得到其他聯(lián)結(jié)組別，例如Y，y4；Y，y8；Y，y10；Y，y2等偶數(shù)聯(lián)結(jié)組。

2）、Y，d接法

用相量圖判斷變壓器的聯(lián)結(jié)組時應(yīng)注意以下幾點：1）繞組的極性只表示繞組的繞法，與繞組首末端的標(biāo)志無關(guān)；2）高、低壓繞組的相電動勢均從首端指向末端，線電動勢從A指向B；3）同一鐵心柱上的繞組（在連接圖中為上下對應(yīng)的繞組），首端為同極性時相電動勢相位相同，首端為異極性時相電動勢相位相反；4）相量圖中A、B、C與a、b、c的排列順序必須同為順時針排列，即原、副方同為正相序。5)對于Y,y連接而言,可得0,2,4,6,8,10六個偶數(shù)的聯(lián)結(jié)組號.相對于Y,d而言,就可得1,3,5,7,9,11六個奇數(shù)的聯(lián)結(jié)組號.標(biāo)準(zhǔn)聯(lián)結(jié)組：

Y，y接法和D，d接法可以有0、2、4、6、8、10等6個偶數(shù)聯(lián)結(jié)組別，Y，d接法和D，d接法可以有1、3、5、7、9、11等6個奇數(shù)組別，因此三相變壓器共有12個不同的聯(lián)結(jié)組別。為了使用和制造上的方便，我國國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定只生產(chǎn)下列5種標(biāo)準(zhǔn)聯(lián)結(jié)組別的電力變壓器，即Y，yn0；Y，d11；YN，d11；YN，y0；Y，y0。其中以前3種最為常用。對于單相變壓器，標(biāo)準(zhǔn)聯(lián)結(jié)組為I，I0。二、三相變壓器空載電動勢的波形由于磁路存在著飽和現(xiàn)象，當(dāng)主磁通為正弦波時，勵磁電流為尖頂波，其中除基波外還主要包含有三次諧波。三相中三次諧波在時間上是同相位的！當(dāng)三相變壓器的一次繞組為YN或D接法，則三次諧波電流可以流通，各相磁化電流為尖頂波。在這種情況下，不論二次方是y接法或d接法，鐵心中的主磁通均為正弦波，因此各相電動勢也為正弦波。對三相電動勢波形無影響。當(dāng)一次繞組為Y接法，則勵磁電流的三次諧波沒有通路，無法流通，使相電動勢波形發(fā)生變化，下面進行詳細分析：5.6.3三相變壓器的并聯(lián)運行理想狀態(tài)：未帶負載時，各變壓器之間無環(huán)流；帶上負載時，各變壓器能合理分擔(dān)負載，即負載能按容量大小成比例分配；滿足條件：各一次側(cè)額定電壓、二次側(cè)額定電壓分別相等，即變比相同。聯(lián)結(jié)組相同；短路阻抗標(biāo)幺值相等。1.自耦變壓器(1)自耦變壓器的結(jié)構(gòu)只有一個繞組。RLI1+－E1+－E2N1N2I2圖3.9自耦變壓器+U1－－U2+(2)自耦變壓器的工作原理≈

U1

U2

E1

E2=

N1

N2=kA上一頁5.7特種變壓器負載時磁動勢平衡關(guān)系為：若忽略勵磁電流，則有：即：使用時應(yīng)注意：原、副邊千萬不能對調(diào)使用。容量關(guān)系：SN=U1NI1N=U2NI2N=U2N（I1N+I）=U2NI1N+U2NI自耦變壓器額定容量由兩部分組成:通過電磁感應(yīng)作用傳到二次側(cè)的電磁容量U2NI；直接由電路傳到二次側(cè)的傳導(dǎo)容量U2NI1N，傳導(dǎo)容量占總?cè)萘康?/k

主要優(yōu)缺點：

優(yōu)點：當(dāng)額定容量相同時，自耦變壓器與雙繞組變壓器相比，所耗材料少、體積小、造價低，損耗小，效率高。

缺點：由于自耦變壓器原、副繞組之間有直接電的聯(lián)系，因此用在電力系統(tǒng)中的三相自耦變壓器中性點必須可靠接地。當(dāng)高壓邊遭受過電壓時，會引起低壓邊嚴(yán)重過電壓，為避免這種危險，需要在原、副邊都裝設(shè)避雷器。2儀用互感器儀用互感器有電壓互感器和電流互感器。使用互感器的目的是：1．與小量程的標(biāo)準(zhǔn)化電壓表和電流表配合測量高電壓、大電流；2．使測量回路與被測回路隔離，以保障工作人員和測試設(shè)備的安全；3．為各類繼電保護和控制系統(tǒng)提供控制信號。1）電壓互感器用低量程的電壓表測高電壓VR

N1（匝數(shù)多）保險絲

N2（匝數(shù)少）~u（被測電壓）電壓表被測電壓=電壓表讀數(shù)

N1/N2