第4章 單相變壓器

第4章單相變壓器內(nèi)容提要:

變壓器的用途和結(jié)構(gòu)。

變壓器的運行原理。

闡述分析變壓器運行的三種方法—電磁平衡關(guān)系、等值電路和向量圖。

變壓器參數(shù)的測定。

衡量變壓器運行性能的重要標(biāo)志是外特性和效率特性。掌握這些知識為選擇、使用、維護(hù)變壓器奠定基礎(chǔ)。4.1變壓器的用途、分類和結(jié)構(gòu)4.1.1變壓器的工作原理 電力變壓器主要由一閉合鐵芯作為主磁路和兩個匝數(shù)不同、而又相互絕緣的線圈（繞組）作為電路組合而成，如圖4.1所示。圖4.1雙繞組變壓器示意圖4.1變壓器的用途、分類和結(jié)構(gòu)4.1.2變壓器的應(yīng)用

由于變壓器具有變換電壓，變換電流和變換阻抗的功能，所以在電力系統(tǒng)和電子線路中得到極為廣泛的應(yīng)用，它是電能的傳輸、分配和使用的重要電氣設(shè)備。

圖4.2電力系統(tǒng)示意圖4.1變壓器的用途、分類和結(jié)構(gòu)4.1.3變壓器的結(jié)構(gòu) 對于變壓器運行維護(hù)人員，首先應(yīng)了解變壓器結(jié)構(gòu)，才能正確使用，便于監(jiān)視和檢測，進(jìn)行維護(hù)和修理，從而提高運行的可靠性。 變壓器結(jié)構(gòu)如圖4.3所示，它由以下幾部分組成：4.1變壓器的用途、分類和結(jié)構(gòu)(1)鐵芯的作用和材料

鐵芯既是變壓器的主磁路，又是機械骨架。為減小變壓器的鐵耗，鐵芯一般采用高導(dǎo)磁的0.35mm或0.5mm兩面涂有絕緣漆的硅鋼片疊成。

鐵芯由鐵芯柱和鐵軛兩部分組成，鐵芯柱上套有繞組，鐵軛僅起連接鐵芯柱，使磁路形成閉合回路的作用。4.1變壓器的用途、分類和結(jié)構(gòu)1.鐵芯(1)鐵芯的作用和材料圖4.5心式變壓器結(jié)構(gòu)圖4.6殼式變壓器結(jié)構(gòu)

1.1直流電機基本工作原理(2)鐵芯疊裝方法

圖4.6硅鋼片的疊法

4.1變壓器的用途、分類和結(jié)構(gòu)2.繞組繞組是變壓器的電路部分，它由銅線或鋁線繞制而成。按高、低壓繞組在鐵芯柱上的排列方式，可分為以下兩類。 (1)同心式繞組 (2)交疊式繞組

4.1變壓器的用途、分類和結(jié)構(gòu) 1.同心式繞組

2．交疊式繞組

4.1變壓器的用途、分類和結(jié)構(gòu)3.油箱和變壓器油4.1變壓器的用途、分類和結(jié)構(gòu)4.儲油柜（又叫油枕）

圖4.10三相變壓器器身結(jié)構(gòu)

4.1變壓器的用途、分類和結(jié)構(gòu)5.氣體繼電器和安全氣道

氣體繼電器裝在儲油柜與油箱之間的連通管內(nèi)，是變壓器內(nèi)部發(fā)生故障時的保護(hù)裝置，如圖4.11所示。圖4.11儲油柜和安全氣道4.1變壓器的用途、分類和結(jié)構(gòu)6.導(dǎo)管和調(diào)壓裝置

導(dǎo)管是將變壓器繞組引出 線，從油箱內(nèi)部引到箱外， 絕緣導(dǎo)管由瓷質(zhì)的絕緣導(dǎo) 筒和導(dǎo)電桿構(gòu)成，導(dǎo)管外 形做成多級傘形，級數(shù)越 多耐壓越高，如圖所示。4.1變壓器的用途、分類和結(jié)構(gòu)6.導(dǎo)管和調(diào)壓裝置

油箱上還裝有分接開關(guān)， 可調(diào)節(jié)高壓繞組匝數(shù)，用 以調(diào)節(jié)副邊輸出電壓的高 低。通常輸出電壓的調(diào)節(jié) 范圍是額定電壓5%，如 圖所示。

4.1變壓器的用途、分類和結(jié)構(gòu)

4.1.4變壓器的銘牌和額定值1．變壓器的型號含義2．額定容量SN（kVA）

4.1變壓器的用途、分類和結(jié)構(gòu)1．變壓器的型號含義2．額定容量SN（kVA）單相變壓器容量：三相變壓器容量：

4.1變壓器的用途、分類和結(jié)構(gòu)3．額定電壓U1N、U2N（kV） U1N是指變壓器額定運行時，根據(jù)絕緣強度和散熱條 件，規(guī)定加于原繞組的端電壓；U2N指原繞組加額定 頻率f1=f1N的額定電壓U1N，副繞組的空載電壓

U20，即U20=U2N。對于三相變壓器額定電壓指額 定線電壓。

4.1變壓器的用途、分類和結(jié)構(gòu) 4．額定電流I1N、I2N（A） 額定電流是根據(jù)絕緣和發(fā)熱要求，變壓器原、副繞 組長期允許通過的安全電流，對于三相變壓器額定電流是指額定線電流。

4.2單相變壓器的空載運行4.2.1空載運行時的物理狀況

圖4.14變壓器空載運行原理圖

4.2單相變壓器的空載運行4.2.1空載運行時的物理狀況

與1s二者性質(zhì)不同，從圖4.14可見，是經(jīng)過 鐵芯而閉合，而鐵磁材料存在著飽和現(xiàn)象，磁阻為 一變數(shù)，所以與I0呈非線性關(guān)系；1s是經(jīng)過非 導(dǎo)磁材料而閉合，磁阻為常數(shù)，故1s與I0呈線性 關(guān)系。

4.2單相變壓器的空載運行4.2.2變壓器的感應(yīng)電勢和變比1．變壓器各電磁量正方向的規(guī)定（1）同一支路中電壓與的正方向一致。（2）磁通的正方向與產(chǎn)生它的電流正方向符合右手螺旋定則。（3）感應(yīng)電勢正方向與產(chǎn)生它的磁通符合右手螺旋定則。

4.2單相變壓器的空載運行2．感應(yīng)電勢由于外加電壓為正弦波，則設(shè)、均按正弦規(guī)律變化：

（1）感應(yīng)電勢瞬時值。（2）感應(yīng)電勢的有效值。（3）感應(yīng)電勢的向量式。4.2單相變壓器的空載運行2．感應(yīng)電勢由于外加電壓為正弦波，則設(shè)、均按正弦規(guī)律變化：

（1）感應(yīng)電勢瞬時值。4.2單相變壓器的空載運行2．感應(yīng)電勢由于外加電壓為正弦波，則設(shè)、均按正弦規(guī)律變化：

（2）感應(yīng)電勢的有效值。4.2單相變壓器的空載運行2．感應(yīng)電勢由于外加電壓為正弦波，則設(shè)、均按正弦規(guī)律變化：

（3）感應(yīng)電勢的向量式。4.2單相變壓器的空載運行 3．電勢平衡方程式

上式表明U1與E1在數(shù)值上相等，在方向上相反，在波形上相同。的大小取決于U1、N1、f的大小；當(dāng)U1、N1、f不變時，則基本不變，磁路飽和程度也基本不變。 由于副邊空載，I2=0，則副繞組內(nèi)無壓降產(chǎn)生，副邊空載電壓U20等于副邊電勢E2，即：

上式說明U20與E2既同方向，又同大小。4.2單相變壓器的空載運行4．變壓器的變比K變比K是變壓器的一個重要參數(shù)，但需注意：（1）K一般取高壓邊與低壓邊電勢或電壓之比。（2）對三相變壓器是指原、副邊相電勢（相電壓）之比。4.2單相變壓器的空載運行4.2.3變壓器的空載電流i0變壓器空載電流嚴(yán)格地講可以分為兩個分量:或4.2單相變壓器的空載運行4.2.4變壓器空載時的向量圖和等值電路1．變壓器空載時的等值電路

變壓器運行時既有電路，又有電和磁的相互聯(lián)系，若能用純電路的形式“等效”地表示出來，就可使變壓器分析大為簡化。

4.2單相變壓器的空載運行2．變壓器空載時的向量圖為了直觀地反映變壓器各物理量的大小和相位關(guān)系，可用向量圖來表示空載運行時的情況，其具體畫法見教材。4.3變壓器的負(fù)載運行4.3.1變壓器負(fù)載時物理狀況圖4.17變壓器負(fù)載運行原理圖

4.3變壓器的負(fù)載運行4.3.1變壓器負(fù)載時物理狀況上式說明，變壓器負(fù)載變化（I2變化）時，必將引起原邊電流I1和功率隨之變化。4.3變壓器的負(fù)載運行4.3.2變壓器負(fù)載時磁勢平衡方程式變壓器負(fù)載后，原繞組磁勢和副繞組磁勢都同時作用于主磁路上，共同產(chǎn)生主磁通，故磁勢平衡方程式為：或4.3變壓器的負(fù)載運行4.3.3變壓器負(fù)載時電勢平衡方程式變壓器負(fù)載時各物理量電磁關(guān)系如下：4.3變壓器的負(fù)載運行4.3.3變壓器負(fù)載時電勢平衡方程式綜上所述，可得變壓器基本方程式為：4.3變壓器的負(fù)載運行4.3.4變壓器繞組折算

1．變壓器折算原則2．折算的方法4.3變壓器的負(fù)載運行4.3.5變壓器負(fù)載時的等值電路副繞組經(jīng)折算后的基本方程式如下：

4.3變壓器的負(fù)載運行1．“T”形等值電路4.3變壓器的負(fù)載運行2．簡化等值電路簡化等值電路對應(yīng)的電壓平衡方程式為：

4.4變壓器參數(shù)的測定4.4.1變壓器空載試驗1．變壓器空載試驗的目的2．變壓器試驗接線圖3．變壓器空載試驗方法4．變壓器激磁參數(shù)的計算5．變壓器空載試驗注意事項4.4變壓器參數(shù)的測定4.4.2變壓器短路試驗1．變壓器短路試驗?zāi)康?．變壓器短路試驗接線圖3．變壓器短路試驗方法4．變壓器短路參數(shù)的計算4.5變壓器的運行特性4.5.1變壓器的外特性和電壓變化率1．變壓器的外特性2．變壓器的電壓變化率（電壓調(diào)整率）3．變壓器外特性曲線

4.5變壓器的運行特性4.5.2變壓器的效率特性4.5變壓器的運行特性1.變壓器損耗(1)鐵耗Pfe P0

PFe

(2)銅耗PCu4.5變壓器的運行特性2.變壓器的效率4.5變壓器的運行特性3.變壓器的效率特性4.5變壓器的運行特性例4.2一臺三相變壓器，SN=100kV·A，U1N/U2N=6000/400，I1N/I2N=9.36/144A，Y,yn0接法，在環(huán)境溫度=20℃時進(jìn)行空載和短路試驗，測得數(shù)據(jù)如表4.2所示。試求：（1）變比K和激磁參數(shù)Zm、rm、Xm。（2）短路參數(shù)Zk、rk、Xk。（3）當(dāng)變壓器額定負(fù)載且cos2=0.8（感性）時的電壓變化率U%，效率，最高效率m。表4.2空載試驗和短路試驗數(shù)據(jù)

空載試驗（低壓邊加電壓）短路試驗（高壓邊加電壓）U20(V)I20