變壓器基本知識課件

案例：電能的產(chǎn)生、輸送與分配

第一章變壓器圖1-1電力輸送過程示意圖

第1頁/共85頁變壓器電源變壓器電力變壓器環(huán)形變壓器自耦調(diào)壓器控制變壓器三相干式變壓器第2頁/共85頁第3頁/共85頁作用：

變壓器是用來改變交流電壓大小的電氣設(shè)備。它是根據(jù)電磁感應(yīng)原理，把某一等級的交流電壓變化成頻率相同的另一等級的交流電壓，以滿足不同負(fù)載的需要。還可用來改變電流、變換阻抗以及產(chǎn)生脈沖等。

1.1變壓器的用途與結(jié)構(gòu)

變壓器的用途及其分類用途：

主要用于輸配電系統(tǒng)，而且還廣泛應(yīng)用于電氣控制領(lǐng)域、電子技術(shù)領(lǐng)域，測試技術(shù)領(lǐng)域以及焊接技術(shù)領(lǐng)域等。

第4頁/共85頁1．按用途分類（1）電力變壓器:用作電能的輸送與分配。（2）特種變壓器。

在特殊場合使用的變壓器，如作為焊接電源的電焊變壓器；專供大功率電爐使用的電爐變壓器；將交流電整流成直流電時使用的整流變壓器等。（3）儀用互感器:用于電工測量中，如電流互感器、電壓互感器等。（4）控制變壓器:容量一般比較小，用于小功率電源系統(tǒng)和自動控制系統(tǒng)。（5）其他變壓器

如高壓變壓器、調(diào)壓變壓器；脈沖變壓器第5頁/共85頁雙繞組變壓器、三繞組變壓器、多繞組變壓器和自耦變壓器等。疊片式鐵心、卷制式鐵心、非晶合金鐵心。2．按繞組構(gòu)成分類3．按鐵心結(jié)構(gòu)分類4．按相數(shù)分類有單相變壓器、三相變壓器、多相變壓器。5．按冷卻方式分類有干式變壓器、油浸自冷變壓器、油浸風(fēng)冷變壓器、強(qiáng)迫油循環(huán)變壓器、充氣式變壓器等。第6頁/共85頁變壓器的結(jié)構(gòu)根據(jù)用途不同，變壓器的結(jié)構(gòu)也有所不同，大功率電力變壓器的結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，而多數(shù)電力變壓器是油浸式的。油浸式變壓器由繞組和鐵芯組成器身，為了解決散熱、絕緣、密封、安全等問題，還需要油箱、絕緣套管、儲油柜、冷卻裝置、壓力釋放閥、安全氣道、濕度計(jì)、氣體繼電器等附件，其結(jié)構(gòu)如圖1-2所示。圖1-2油浸式電力變壓器第7頁/共85頁1．變壓器繞組

變壓器中的電路部分，小型變壓器一般用具有絕緣的漆包圓銅線繞制而成，對容量稍大的變壓器則用扁銅線或扁鋁線繞制。(1)．同心式繞組高、低壓繞組同心地套裝在鐵心柱上。為了便于與鐵心絕緣，把低壓繞組套裝在里面，高壓繞組套裝在外面。按其繞制方法的不同又可分為圓筒式、螺旋式和連續(xù)式

第8頁/共85頁(2)．交疊式繞組將繞組分成若干個線餅交替排列又稱餅式繞組漏抗小、機(jī)械強(qiáng)度高、引線方便。主要用在低電壓、大電流的變壓器上，如容量較大的電爐變壓器、電阻電焊機(jī)（如點(diǎn)焊、滾焊和對焊電焊機(jī)）變壓器等。優(yōu)點(diǎn):第9頁/共85頁2．變壓器鐵芯構(gòu)成變壓器磁路系統(tǒng)，并作為變壓器的機(jī)械骨架

鐵心柱

磁軛0.35mm厚的硅鋼片，減小鐵耗。國產(chǎn)硅鋼片有熱軋硅鋼片、冷軋無取向硅鋼片、冷軋晶粒取向硅鋼片第10頁/共85頁心式變壓器殼式變壓器第11頁/共85頁單相小容量變壓器鐵心形式為了減小鐵心磁路的磁阻以減小鐵心損耗，要求鐵心裝配時，接縫處的空氣隙應(yīng)越小越好。第12頁/共85頁（1）油箱和冷卻裝置油箱內(nèi)裝變壓器油扁形散熱油管或片式散熱器幫助散熱10000kV·A的電力變壓器，采用風(fēng)吹冷卻或強(qiáng)迫油循環(huán)冷卻裝置。3．變壓器的主要附件第13頁/共85頁儲油柜：通過連接管與油箱相通使變壓器油與空氣的接觸面積大為減小，減緩了變壓器油的老化速度新型的全充油密封式電力變壓器則取消了儲油柜，運(yùn)行時變壓器油的體積變化完全由設(shè)在側(cè)壁的膨脹式散熱器（金屬波紋油箱）來補(bǔ)償。第14頁/共85頁（2）保護(hù)裝置在油箱和儲油柜之間的連接管中裝有氣體繼電器，當(dāng)變壓器發(fā)生故障時，內(nèi)部絕緣物汽化，使氣體繼電器動作，發(fā)出信號或使開關(guān)跳閘。（a）氣體繼電器（b）防爆管（安全氣道）

裝在油箱頂部，它是一個長的圓形鋼筒，上端用酚醛紙板密封，下端與油箱連通。若變壓器發(fā)生故障，使油箱內(nèi)壓力驟增時，油流沖破酚醛紙板，以免造成變壓器箱體爆裂。近年來，國產(chǎn)電力變壓器已廣泛采用壓力釋放閥來取代防爆管。第15頁/共85頁1.2變壓器的銘牌和額定值

銘牌正確地使用變壓器的依據(jù)電力變壓器產(chǎn)品型號S7-500／10標(biāo)準(zhǔn)代號XXXX額定容量500kV.A產(chǎn)品代號XXXX額定電壓10kV出廠序號XXXX額定頻率50Hz3相聯(lián)結(jié)組標(biāo)號Y，yn0阻抗電壓4％冷卻方式油冷使用條件戶外開關(guān)位置

高壓

低壓

電壓／V電流／A電壓／V電流/AⅠ1050027．5Ⅱ1000028．9400721．7Ⅲ950030．4XX變壓器廠XX年XX月第16頁/共85頁額定值1.型號第17頁/共85頁2.額定電壓U1N和U2N

U1N：加在一次繞組上的正常工作電壓值。根據(jù)變壓器的絕緣強(qiáng)度和允許發(fā)熱等條件規(guī)定U2N：變壓器空載時，高壓側(cè)加上額定電壓后，二次繞組兩端的電壓值。U2N不等于額定負(fù)載時的負(fù)載電壓。有一個電壓降使空載電壓大于負(fù)載電壓。額定電壓在三相變壓器中是指線電壓。第18頁/共85頁3.額定電流I1N和I2N

根據(jù)變壓器容許發(fā)熱的條件而規(guī)定的滿載電流值。在三相變壓器中額定電流是指線電流。4.額定容量SN

變壓器在額定工作狀態(tài)下，二次繞組的視在功率，其單位為kV·A。單相變壓器的額定容量三相變壓器的額定容量第19頁/共85頁5.聯(lián)結(jié)組標(biāo)號三相變壓器一、二次繞組的連接方式

Y（高壓繞組作星形聯(lián)結(jié)）、y（低壓繞組作星形聯(lián)結(jié)）；D（高壓繞組作三角形聯(lián)結(jié)）、d（低壓繞組作三角形聯(lián)結(jié)）；N（高壓繞組作星形聯(lián)結(jié)時的中性線）、n（低壓繞組作星形聯(lián)結(jié)時的中性線）。第20頁/共85頁6.阻抗電壓又稱為短路電壓。它標(biāo)志在額定電流時變壓器阻抗壓降的大小。通常用它與額定電壓U1N的百分比來表示。第21頁/共85頁例1－1：一臺三相油浸自冷式鋁線變壓器，已知SN＝560kV·A，U1N/U2N=10000V/400V，試求一次、二次繞組的額定電流I1N

、I2N各是多大?解：第22頁/共85頁互相絕緣且匝數(shù)不同只有磁的耦合而沒有電的聯(lián)系1.3單相變壓器的空載運(yùn)行及負(fù)載運(yùn)行單相變壓器的空載運(yùn)行1．單相變壓器的基本工作原理第23頁/共85頁根據(jù)電磁感應(yīng)原理：改變一、二次繞組的匝數(shù)，就可達(dá)到改變電壓的目的。1．單相變壓器的基本工作原理第24頁/共85頁第四節(jié)：單相變壓器的空載運(yùn)行及負(fù)載運(yùn)行2.空載運(yùn)行時各物理量正方向的規(guī)定二次繞組開路第25頁/共85頁按照“電工慣例”規(guī)定參考方向：（1）電壓的參考方向：在同一支路中，電壓的參考方向與電流的參考方向一致。（2）磁通的參考方向：磁通的參考方向與電流的參考方向之間符合右手螺旋定則。（3）感應(yīng)電動勢的參考方向：由交變磁通Ф產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢e，其參考方向與產(chǎn)生該磁通的電流參考方向一致（即感應(yīng)電動勢e與產(chǎn)生它的磁通

Ф之間符合右手螺旋定則）。參考方向的規(guī)定按此參考方向列出的電磁感應(yīng)定律方程：第26頁/共85頁3.感應(yīng)電動勢和變比設(shè)Φ＝Φmsinωte滯后于Φ900結(jié)論：第27頁/共85頁有效值：E1=4.44fN1ФmE2=4.44fN2Фm略去一次繞組中的阻抗不計(jì)U1≈E1＝4.44fN1Фm

U2＝E2=4.44fN2Фm

變壓比，簡稱變比U1恒定時，變壓器鐵心中的磁通Фm基本上保持不變第28頁/共85頁4.變壓器的空載電流和空載損耗空載電流（2～10）％IN

無功分量Iq，用來建立磁場，起勵磁作用有功分量Id，用來供給變壓器鐵心損耗<10％I0

第29頁/共85頁4.變壓器的空載電流和空載損耗空載損耗絕大部分是鐵心損耗P0，即磁滯損耗與渦流損耗，只有極少部分是一次繞組電阻上的銅損耗I02R

?？烧J(rèn)為變壓器的空載損耗就是變壓器的鐵心損耗

第30頁/共85頁5.空載運(yùn)行時相量圖單相變壓器電路原理圖理想變壓器空載運(yùn)行相量圖第31頁/共85頁

例1—2：如圖所示，低壓照明變壓器一次繞組匝數(shù)N1＝660匝，一次繞組電壓Ul＝220V，現(xiàn)要求二次繞組輸出電壓U2＝36V，求二次繞組匝數(shù)N2及變比Ku解：降壓變壓器：Ku>1升壓變壓器:Ku<1第32頁/共85頁單相變壓器的負(fù)載運(yùn)行單相變壓器負(fù)載運(yùn)行二次繞組中有電流一次繞組中電流變?yōu)閕1

1．磁動勢平衡方程及變流比第33頁/共85頁變壓器負(fù)載運(yùn)行時的磁通勢平衡方程式:因?yàn)殡娫措妷翰蛔儯守?fù)載時的磁勢和空載時相同：N1I1≈N2I2忽略I0:變壓器的變流比變壓器的高壓繞組匝數(shù)多，而通過的電流小，因此繞組所用的導(dǎo)線細(xì)；反之低壓繞組匝數(shù)少，通過的電流大，所用的導(dǎo)線較粗。結(jié)論：1．磁動勢平衡方程及變流比第34頁/共85頁外特性:一次繞組電壓U1和負(fù)載的功率因數(shù)cosφ2一定時，二次繞組電壓U2與負(fù)載電流I2的關(guān)系.滯后的無功電流產(chǎn)生去磁作用使電壓下降超前的無功電流產(chǎn)生增磁作用使電壓上升用標(biāo)么值表示，便于不同變壓器之間比較2．變壓器的外特性及電壓變化率第35頁/共85頁電壓變化率：用ΔU％來表示

二次側(cè)空載電壓額定負(fù)載時二次側(cè)電壓ΔU％反映供電電壓的穩(wěn)定性。ΔU％越小，說明變壓器二次繞組輸出的電壓越穩(wěn)定。常用變壓器ΔU％為3％～5％

第36頁/共85頁例1—3：某臺供電電力變壓器將U1N=10000V的高壓降壓后對負(fù)載供電，要求該變壓器在額定負(fù)載下的輸出電壓為U2=380V，該變壓器的電壓變化率ΔU％＝5％，求該變壓器二次繞組的額定電壓U2N及變比K。

解：U2N=400VK=U1N/U2N=10000/400=25第37頁/共85頁3.變壓器的損耗及效率P1=U1I1COSφ1P2=U2I2COSφ2損耗ΔP

＝P1-P2=Pcu+PFe（1）．鐵損耗PFe基本鐵損耗附加鐵損耗與U1有關(guān)，與負(fù)載電流無關(guān)，當(dāng)U1不變時，鐵耗基本不變。故鐵耗稱為不變損耗。第38頁/共85頁（2）．銅損耗PCu基本銅損耗附加銅損耗電流在一次、二次繞組電阻上產(chǎn)生的損耗漏磁通產(chǎn)生的集膚效應(yīng)使電流在導(dǎo)體內(nèi)分布不均勻而產(chǎn)生的額外損耗銅損耗與負(fù)載電流的平方成正比，所以銅損耗又稱為“可變損耗”（3）．效率中小型電力變壓器效率在95％以上，大型電力變壓器效率可達(dá)99％以上.第39頁/共85頁例1－4：S9－500/10低損耗三相電力變壓器額定容量500kV·A，設(shè)功率因素為1,二次電壓U2N=400V，鐵損耗PFe=0.98KW，額定負(fù)載時銅損耗PCu＝4.1kW，求二次額定電流I2N及變壓器效率η。P2=SNCOSφ=500kW解：第40頁/共85頁（4）．效率特性效率η也隨負(fù)載電流I2的變化而變化的關(guān)系負(fù)載系數(shù)不變損耗等于可變損耗時，變壓器的效率最高。通常最高效率位于β=0.5∽0.6之間第41頁/共85頁相當(dāng)于直接接在一次繞組上的等效阻抗變壓器的阻抗變換作用第42頁/共85頁輸出變壓器、線間變壓器阻抗匹配作用：如使音響設(shè)備輸出的阻抗與揚(yáng)聲器的阻抗盡量相等，以獲得最大的輸出功率。第43頁/共85頁例1—5：某晶體管收音機(jī)輸出電路的輸出阻抗為Z/=392Ω，接入的揚(yáng)聲器阻抗為Z=8Ω，現(xiàn)加接一個輸出變壓器使兩者實(shí)現(xiàn)阻抗匹配，求該變壓器的變比K；若該變壓器一次繞組匝數(shù)N1=560匝，問二次繞組匝數(shù)N2為多少?解：第44頁/共85頁1.4三相變壓器

三相變壓器組三相變壓器磁路結(jié)構(gòu)

第45頁/共85頁三相心式變壓器三相繞組接入對稱的三相交流電源時，三相繞組中產(chǎn)生的主磁通也是對稱的，故三相磁通之和等于零，因此中間鐵心柱可以省略第46頁/共85頁1.變壓器的極性同極性端或同名端：變壓器的一、二次繞組繞在同一個鐵心上，當(dāng)同時交鏈的磁通Ф交變時，兩個繞組中感應(yīng)出電動勢，當(dāng)一次繞組的某一端點(diǎn)瞬時電位為正時，二次繞組也必有一電位為正的對應(yīng)端點(diǎn)。這兩個對應(yīng)的端點(diǎn)，稱為同極性端或同名端，通常用符號“·”表示。三相變壓器的極性與連接組第47頁/共85頁變壓器繞組的正確連接圖繞組的錯誤連接繞組電壓為110V，電源電壓為220V時的連接方法繞組電壓為110V，電源電壓為110V時的連接方法無感應(yīng)電動勢，將燒毀繞組第48頁/共85頁2.變壓器極性的判定(1)對兩個繞向已知的繞組繞向不同時，同名端不同第49頁/共85頁2.變壓器極性的判定(2)對一臺已經(jīng)制成的變壓器

交流法測定同名端U13＝U12—U34，則說明N1、N2組為反極性串聯(lián)，故1和3為同名端。如果U13＝U12＋U34，則1和4為同名端。第50頁/共85頁2.變壓器極性的判定(2)對一臺已經(jīng)制成的變壓器直流法測定同名端開關(guān)S合上的一瞬間，如毫伏表指針向正方向擺動，則接直流電源正極的端子與接直流毫伏表正極的端子為同名端。第51頁/共85頁（1）三相變壓器繞組的連接方法

繞組名稱

單相變壓器

三相變壓器

中性點(diǎn)

首端

末端

首端

末端

高壓繞組U1U2U1、V1、W1U2、V2、W2N

低壓繞組U1U1U1、v1、w1U2、v2、w2n

中壓繞組U1mU2mU1m、V1m、WlmU2m、V2m、W2mNm

繞組的首端和末端的標(biāo)記3.三相變壓器的連接組第52頁/共85頁三相繞組連接方法字母表示：舊標(biāo)準(zhǔn)：Y和△高壓Y，D，N低壓y,d，n新標(biāo)準(zhǔn)：第53頁/共85頁聯(lián)結(jié)組別表示一次繞組線電壓與二次繞組線電壓之間的相位關(guān)系。一、二次繞組線電動勢的相位差總是300的整數(shù)倍。因此，國際上規(guī)定，標(biāo)志三相變壓器一、二次繞組線電動勢的相位關(guān)系用時鐘表示法。第54頁/共85頁規(guī)定一次繞組線電勢為長針，永遠(yuǎn)指向鐘面上的“12”，二次繞組線電勢為短針，它指向鐘面上的哪個數(shù)字，該數(shù)字則為該三相變壓器聯(lián)結(jié)組別的標(biāo)號。聯(lián)結(jié)組別標(biāo)號為3123第55頁/共85頁三相變壓器一、二次繞組不同接法的組合形式有：Y，y；YN，d；Y，d；Y，yn；D，y；D，d等，其中最常用的組合形式有三種，即Y，yn；YN，d和Y，d

。大容量的變壓器通常采用Y，d或YN，d聯(lián)結(jié)。容量不太大而且需要中性線的變壓器，廣泛采用Y，yn聯(lián)結(jié)，以適應(yīng)照明與動力混合負(fù)載需要的兩種電壓。

相電壓只有線電壓的1／，當(dāng)中性點(diǎn)引出接地時，繞組對地的絕緣要求降低了.第56頁/共85頁Y,y0聯(lián)結(jié)組（2）Y，y聯(lián)結(jié)組第57頁/共85頁Y,y6聯(lián)結(jié)組（2）Y，y聯(lián)結(jié)組第58頁/共85頁Y,d11聯(lián)結(jié)組（3）Y，d聯(lián)結(jié)組第59頁/共85頁Y,d1聯(lián)結(jié)組（3）Y，d聯(lián)結(jié)組第60頁/共85頁為了制造及運(yùn)行方便的需要，國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了三相電力變壓器只采用五種標(biāo)準(zhǔn)聯(lián)結(jié)組，即Y，yn0、YN，d11、YN，y0、Y，y0和Y，dll。常用，它用于容量不大的三相配電變壓器，低壓側(cè)電壓為400～230V，用以供給動力和照明的混合負(fù)載。一般這種變壓器的最大容量為1800kV·A，高壓側(cè)的額定電壓不超過35kVY，yn0第61頁/共85頁并聯(lián)運(yùn)行：幾臺三相變壓器的高壓繞組及低壓繞組分別連接到高壓電源及低壓電源母線上，共同向負(fù)載供電的運(yùn)行方式。在變電站中，總的負(fù)載經(jīng)常由兩臺或多臺三相電力變壓器并聯(lián)供電三相變壓器并聯(lián)運(yùn)行第62頁/共85頁（1）一、二次繞組電壓應(yīng)相等，即變比應(yīng)相等。（2）聯(lián)結(jié)組別必須相同。（3）短路阻抗（即短路電壓）應(yīng)相等。并聯(lián)運(yùn)行的變壓器必須滿足以下條件：第63頁/共85頁電流大，可能超過額定值1.變比不等時的并聯(lián)運(yùn)行K1<K2E1>E2

兩個二次繞組之間形成環(huán)流Ic，這個電流稱為平衡電流。短路阻抗小平衡電流大電流小于額定值變壓比誤差不允許超過±0.5％第64頁/共85頁2.聯(lián)結(jié)組別不同時變壓器的并聯(lián)運(yùn)行線電壓的相位差至少為300，因此會產(chǎn)生很大的電壓差ΔU2

如Y，y0和Y，dll兩臺變壓器并聯(lián)，二次繞組中產(chǎn)生比額定電流大得多的空載環(huán)流，導(dǎo)致變壓器損壞。后果：第65頁/共85頁3.短路阻抗（短路電壓）不等時變壓器的并聯(lián)運(yùn)行ZS1I1=Zs2I2E2相等，U2相等

容量相同、變比相等、聯(lián)結(jié)組別也相同，但短路阻抗不等：負(fù)載電流的分配與各臺變壓器的短路阻抗成反比.并聯(lián)運(yùn)行的變壓器其短路電壓比不應(yīng)超過10％。為合理分配負(fù)載，防止小容量的變壓器過載，大容量的變壓器得不到充分利用，要求投入并聯(lián)運(yùn)行的各變壓器，最大容量與最小容量之比不宜超過三比一第66頁/共85頁1.5特殊用途變壓器自耦變壓器1.結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及用途一二次繞組不僅有磁耦合還有電的直接連接第67頁/共85頁2.電壓、電流及容量關(guān)系U1≈E1＝4.44fN1ФmU2＝E2＝4.44fN2Фm負(fù)載時的磁勢平衡方程式：忽略空載磁通勢，則自耦變壓器一、二次繞組中的電流大小與匝數(shù)成反比，在相位上互差1800.結(jié)論:第68頁/共85頁流經(jīng)公共繞組中的電流I的大小為:I=I2－I1當(dāng)變比K接近于1時，I很小，這部分繞組可用截面積較小的導(dǎo)線繞制，以節(jié)約用銅量，并減小自耦變壓器的體積與重量。結(jié)論：2.電壓、電流及容量關(guān)系第69頁/共85頁2.電壓、電流及容量關(guān)系S2=U2I2=U2（I+I1）=U2I+U2I1自耦變壓器輸出的視在功率為：I1只在一部分繞組的電阻上產(chǎn)生銅損耗，因此自耦變壓器的損耗比普通變壓器要小，效率較高，因而較為經(jīng)濟(jì)。K一般介于1.2～2間，此時變壓器優(yōu)勢較明顯。應(yīng)用舉例：電力系統(tǒng)中，用自耦變壓器把110kV、150kV、220kV和330kV的高壓電力系統(tǒng)連接成大規(guī)模的動力系統(tǒng)。第70頁/共85頁自耦變壓器的缺點(diǎn)：高壓側(cè)的電氣故障會波及到低壓側(cè)，很不安全。因此自耦變壓器在使用時必須正確接線，且外殼必須接地，并規(guī)定安全照明變壓器不允許采用自耦變壓器結(jié)構(gòu)形式。2.電壓、電流及容量關(guān)系第71頁/共85頁自耦調(diào)壓器輸出電壓可調(diào)，可稍高于一次繞組電壓例：實(shí)驗(yàn)室中常用的單相調(diào)壓器，一次繞組輸入電壓U1＝220V，二次繞組輸出電壓U2＝0～250V第72頁/共85頁電流互感器在電工測量中用來按比例變換交流電流的儀器串在電路中，流過被測電流匝數(shù)少，導(dǎo)線粗。第73頁/共85頁量程及讀數(shù)：二次電流表量程一般為5A。實(shí)際中已換算成一次電流，其標(biāo)度尺即按一次電流分度，這樣可以直接讀數(shù)，不必再進(jìn)行換算。第74頁/共85頁電流互感器使用注意事項(xiàng)：二次繞組絕對不允許開路電流互感器的鐵心及二次繞組一端必須可靠接地第75頁/共85頁鉗形電流表利用電流互感器原理如被測電流過小，可將被測導(dǎo)線在鉗口內(nèi)多繞幾圈，然后將讀數(shù)除以所繞匝數(shù)第76頁/共85頁用電流互感器進(jìn)行電流測量時存在一定的誤差，根據(jù)誤差的大小，電流互感器分下列各級：0.2、0.5、1.0、3.0、10.0。如0.5級的電流互感器表示在額定電流時，測量誤差最大不超過±0.5％精度：第77頁/共85頁電壓互感器在電工測量中用來按比例變換交