中職《電機與變壓器》第1章-變壓器基礎(chǔ)知識

第1章

變壓器基礎(chǔ)知識【學(xué)習(xí)目標(biāo)】熟悉變壓器，掌握變壓器的定義了解變壓器的用途，掌握變壓器的基本工作原理了解變壓器的分類和基本結(jié)構(gòu)了解變壓器的型號，熟悉并掌握變壓器的主要參數(shù)1.1變壓器的用途及基本工作原理1.1變壓器的用途及基本工作原理變壓器是一種靜止的電磁裝置，它根據(jù)電磁感應(yīng)的原理，將某一電壓等級的交流電能轉(zhuǎn)換成同頻率的另一電壓等級的交流電能。1.1.1變壓器的主要用途電能是現(xiàn)代工業(yè)中最重要的能源，電能的產(chǎn)生、傳輸和應(yīng)用是自工業(yè)時代起一直研究的問題。電能重要能源！1.1.1變壓器的主要用途

現(xiàn)實生活中，發(fā)電廠發(fā)出的電能，在傳輸過程中，當(dāng)功率恒定時，傳輸電壓越高，電流越小，線路損耗越小。然而，要制造輸出電壓很高的發(fā)電機，目前技術(shù)很困難，成本也很高，所以需要用專門的設(shè)備將發(fā)電機端的電壓升高之后再傳輸出去，這種電氣設(shè)備就是變壓器。

同時，由于受電端所需要的電壓也不同，這時就需要用變壓器將高電壓降低到合適的值以供利用。1.1.1變壓器的主要用途（1）在電力系統(tǒng)中實現(xiàn)電能的經(jīng)濟傳輸、靈活分配和合理使用，如電力變壓器、配電變壓器。（2）在控制系統(tǒng)中實現(xiàn)信號的傳輸，如無線電變壓器。（3）供給特殊電源專用，如電焊變壓器。

（4）用于電工測量，如儀用變壓器。1.1.2變壓器的基本工作原理

變壓器的主要部件是鐵心和繞組。在鐵心柱上繞制兩個絕緣線圈，其匝數(shù)分別為N1、N2。其中，電源側(cè)的繞組稱為一次繞組（又稱初級繞組或原繞組），負載側(cè)的繞組稱為二次繞組（又稱次級繞組或副繞組）。1.1.2變壓器的基本工作原理當(dāng)一次繞組接通交流電源時，繞組中有電流i1通過，鐵圈中將產(chǎn)生交變磁通Φ。根據(jù)電磁感應(yīng)原理，其一、二次繞組將分別產(chǎn)生感應(yīng)電動勢e1、e2。若二次繞組與負載連接，則負載回路中將產(chǎn)生電流i2，如此便完成電能的傳遞。1.1.2變壓器的基本工作原理此時：因為所以即一、二次繞組的電壓之比等于其線圈匝數(shù)之比。由此可見，只要改變變壓器的匝數(shù)比，就能達到改變電壓的目的。

若N1>N2，變壓器起降壓作用；若N1<N2，變壓器起升壓作用。

變壓器只能傳遞交流電能，而不能產(chǎn)生電能；它只能改變交流電壓或電流的大小，而不能改變頻率；鐵心中產(chǎn)生的磁通為電壓變換的主要橋梁，傳遞過程中電壓與電流的乘積(即功率P)基本不變。1.2變壓器的分類按用途分類名稱外形圖簡單介紹電力變壓器用作電能的傳輸和分配，是目前生產(chǎn)數(shù)量最多、使用最廣泛的變壓器

自耦變壓器是輸出和輸入共用一組線圈的特殊變壓器，常用于工業(yè)和實驗室中調(diào)節(jié)電壓，體積小，效率高儀用互感器是專門用于測量的設(shè)備，分為電流互感器和電壓互感器按用途分類名稱外形圖簡單介紹電焊變壓器常用在焊接各類鋼鐵材料的弧焊機上，結(jié)構(gòu)簡單，成本低廉，制造容易，維護方便電爐變壓器專供大功率電爐使用按相數(shù)分類名稱外形圖簡單介紹單相變壓器常用于單相交流電路中的隔離、阻抗變換、電壓等級變換、相位變換等，結(jié)構(gòu)簡單，維護方便三相變壓器常見的為三相電力變壓器，用于在輸配電系統(tǒng)中變換電壓和傳輸電能按冷卻方式分類名稱外形圖簡單介紹干式變壓器安全，防火，無污染，可直接運行于負荷中心；廣泛用于局部照明、高層建筑等箱式變壓器將傳統(tǒng)變壓器集中設(shè)計在箱式殼體中，具有體積小、重量輕、低噪聲、低損耗、高可靠性的特點；主要應(yīng)用于住宅小區(qū)、學(xué)校等場所油浸式變壓器

在正常運行內(nèi)不需要換油，大大降低了變壓器的維護成本，同時延長了變壓器的使用壽命；常用于大、中型變壓器按鐵心結(jié)構(gòu)分類名稱外形圖簡單介紹殼式變壓器

用于大電流的特殊變壓器，如電爐變壓器、電焊變壓器；或用于電子儀器及電視、收音機等的電源變壓器心式變壓器

繞組和鐵心的絕緣處理比較方便，廣泛用于電力變壓器疊片式變壓器

磁路短、空間利用率高，有效降低了鐵心的重量、空載損耗和制造成本1.3變壓器的基本結(jié)構(gòu)變壓器的基本結(jié)構(gòu)油浸式電力變壓器1—油位計；2—升高座；3—高壓引線；4—散熱器；5—變壓器油；6—油箱；7—鐵心；8—繞組；9—低壓引線；10—低壓套管；11—氣體繼電器；12—高壓套管；13—儲油柜1.3.1鐵心鐵心是變壓器的機械骨架，它構(gòu)成了變壓器的磁路系統(tǒng)。

鐵心由鐵心柱和鐵軛兩部分組成。其中，套繞組的部分稱為鐵心柱，不套繞組只起閉合磁路作用的部分稱為鐵軛。鐵軛鐵心柱鐵心材料

硅鋼片在軟磁材料中運用最為廣泛，它主要分為熱軋硅鋼片和冷軋硅鋼片兩類。在小型變壓器中，多采用0.35mm或0.55mm厚的熱軋硅鋼片，其片間涂敷絕緣漆，優(yōu)點是工藝性好、損耗小、導(dǎo)磁性能高。大中型變壓器的鐵心中多使用冷軋硅鋼片。與熱軋硅鋼片相比，冷軋硅鋼片性能更好，但由于其工藝性差，價格昂貴，所以使用受限。

鐵心的作用是建立較大的磁通量，構(gòu)成變壓器的磁路系統(tǒng)。因此，鐵心要有良好的導(dǎo)磁性能，鐵心內(nèi)的磁滯損耗與渦流損耗要盡量小。所以，鐵心通常采用0.35mm厚表面絕緣的硅鋼片制成。磁滯損耗是指鐵磁材料在磁化過程中由磁滯現(xiàn)象引起的能量損耗，磁滯是指鐵磁材料的磁性狀態(tài)變化時磁化強度滯后于磁場強度；渦流損耗是指導(dǎo)體在非均勻磁場中移動或處在隨時間變化的磁場中時，導(dǎo)體內(nèi)的感生電流導(dǎo)致的能量損耗。所謂工藝性好，是指在現(xiàn)有工藝條件下，既能方便制造，又有較低的制造成本；所謂工藝性差，是指在現(xiàn)有工藝條件下制造困難，制造成本較高。心式結(jié)構(gòu)

在兩側(cè)的兩個鐵心柱上放置繞組，繞組包圍鐵心。結(jié)構(gòu)簡單，易裝配，省導(dǎo)線，常用于大容量、高電壓的變壓器中。鐵心結(jié)構(gòu)殼式結(jié)構(gòu)

中間的鐵心柱上放置繞組，鐵心包圍繞組。用線量較多，工藝較復(fù)雜，但散熱性好，適用于小型干式變壓器。鐵心繞組鐵心繞組常見變壓器鐵心的疊片形狀心式口形心式斜口形殼式E形殼式F形

C形變壓器

卷制式鐵心由冷軋鋼帶卷繞而成，鐵心端面加工精確，大大減小了氣隙，提高了變壓器的效率。1.3.2繞組1．繞組材料小型變壓器一般用由絕緣漆包圍的銅線繞制而成；容量稍大的變壓器則用扁銅線或扁鋁線繞制。2．繞組命名與電源側(cè)連接的繞組稱為一次繞組，與負載側(cè)連接的繞組稱為二次繞組；而按照繞組所接電壓的高低，還可分為高壓繞組和低壓繞組。

繞組是電流的載體，用來產(chǎn)生磁通和感應(yīng)電動勢，它是變壓器的電路部分。繞組結(jié)構(gòu)1、同心式繞組

它是將高、低壓繞組同心套在鐵心柱上。一般情況下，高壓繞組在外側(cè)，低壓繞組在內(nèi)側(cè)。當(dāng)?shù)蛪豪@組通過大電流時，由于繞組引出線較粗，也可把它放到外側(cè)。同心式繞組結(jié)構(gòu)簡單，繞制方便，廣泛應(yīng)用于控制變壓器、小型電源變壓器和國產(chǎn)變壓器中。鐵心高壓繞組低壓繞組繞組結(jié)構(gòu)2、交疊式繞組

它是將高、低壓繞組繞成多個線餅，沿鐵心軸向交疊放置，也稱餅式繞組。在繞制過程中，為了便于繞線和鐵心絕緣，一般在最上層和最下層放置低壓繞組。交疊式繞組漏抗小，機械強度好，多用于殼式、干式變壓器中。鐵心高壓繞組低壓繞組1.3.3其他結(jié)構(gòu)變壓器結(jié)構(gòu)1—油位計；2—升高座；3—高壓引線；4—散熱器；5—變壓器油；6—油箱；7—鐵心；8—繞組；9—低壓引線；10—低壓套管；11—氣體繼電器；12—高壓套管；13—儲油柜

分接開關(guān)

變壓器運行時，輸出電壓會隨著輸入電壓和負載電流的變化而變化。為了保證輸出電壓在合理范圍內(nèi)變動，一般通過調(diào)節(jié)分接開關(guān)來改變一次或二次繞組的匝數(shù)，從而改變輸出電壓。

分接開關(guān)分為無勵磁調(diào)壓和有載調(diào)壓兩種。無勵磁調(diào)壓又稱無載調(diào)壓，是指在變壓器一次側(cè)脫離電源后進行調(diào)壓，其調(diào)節(jié)范圍一般是輸出電壓的±5%；有載調(diào)壓是指在不停電帶負載的情況下進行調(diào)壓。

分接開關(guān)有載調(diào)壓原理

有載調(diào)壓是指可在帶負荷的情況下進行分接頭的切換。為了防止可動觸頭在切換過程中產(chǎn)生電弧，從而使變壓器絕緣油劣化，甚至燒毀有載分接開關(guān)，調(diào)壓繞組通過并聯(lián)觸頭Q1、Q2與高壓主繞組串聯(lián)。

安全氣道

早期的變壓器安裝的是安全氣道（防爆管），它由一根長鋼筒構(gòu)成，上端裝有一定厚度的防爆膜，下端與油箱連接。當(dāng)變壓器發(fā)生故障時，油流沖破防爆膜，可以防止變壓器油箱爆裂。

壓力釋放閥

近年來，壓力釋放閥逐漸取代安全氣道。壓力釋放閥的基本原理與安全氣道相同，但它能夠自動開啟和自動關(guān)閉，動作精度高，延時時間短，克服了停電更換安全氣道的缺點。油箱是油浸式變壓器的外殼。箱內(nèi)注滿變壓器油，以保證同在箱內(nèi)的鐵心和繞組有散熱和絕緣能力。同時，為了增大散熱面積，減少變壓器損耗，一般在油箱四周加裝冷卻裝置。油浸式電力變壓器的冷卻方式有油浸自冷式、油浸風(fēng)冷式、強迫油循環(huán)風(fēng)冷式、強迫油循環(huán)水冷式等。冷卻系統(tǒng)會根據(jù)變壓器運行時的溫度或負載高低等參數(shù)，手動或自動控制投入或退出冷卻裝置，來保證變壓器的安全高效運行。

油箱和冷卻裝置儲油柜

儲油柜俗稱油枕，它位于油箱上部，通過連接管與油箱相通。當(dāng)變壓器油的體積隨溫度的升降而膨脹或收縮時，儲油柜會隨之儲油或補油，保證油始終充滿油箱。儲油柜還能使空氣與油接觸面減少，防止潮氣侵入。很多儲油柜上裝有油位計，用以監(jiān)測變壓器油位的變化。絕緣套管

絕緣套管是變壓器外部的主要絕緣裝置，由外部的瓷套和中間的導(dǎo)電桿組成。它穿過油箱蓋，將變壓器內(nèi)部的高、低壓引線引出，與變壓器箱體絕緣。根據(jù)電壓等級不同，絕緣套管有不同的結(jié)構(gòu)。在變壓器中，電壓低于10kV的，多采用純瓷套管；電壓在10～35kV之間的，多采用充油套管；電壓高于110kV的，多采用電容式套管。

氣體繼電器

氣體繼電器裝在油箱和儲油柜之間，是變壓器的主要保護裝置。當(dāng)變壓器發(fā)生故障時，內(nèi)部絕緣物會分解產(chǎn)生氣體，進入繼電器中。若故障輕微，當(dāng)繼電器內(nèi)的氣體達到一定容積后，會使繼電器的上接點動作，發(fā)出報警信號。若故障嚴(yán)重，產(chǎn)生的油氣流會沖擊下?lián)醢?，接通跳閘回路，從而斷開電源。

測溫裝置

變壓器運行的溫度決定了變壓器的壽命，因此檢測變壓器的油面溫度十分重要。通常變壓器使用的溫度計有三種：用于遠距離監(jiān)測的電阻溫度計、能發(fā)出溫度報警信號的信號溫度計、計量精確的酒精溫度計。1.4變壓器的型號及主要參數(shù)1.4.1變壓器的型號及其含義1、電力變壓器銘牌

變壓器的銘牌上標(biāo)注了其型號及各種額定數(shù)據(jù)，以便用戶正確使用。1.4.1變壓器的型號及其含義2、電力變壓器的型號及含義

例如，“SF11—600/10”為三相電力變壓器，冷卻方式為風(fēng)冷式，設(shè)計序號為11，額定容量為600kV?A，高壓繞組電壓等級為10kV。1.4.2變壓器的額定值1．額定電流

額定電流是指變壓器在正常工作情況下，繞組允許長期連續(xù)通過的最大工作電流，記作I1N、I2N（I1N為一次繞組的額定電流，I2N為二次繞組的額定電流）。在三相變壓器中，額定電流是指線電流，即三相電源中每根導(dǎo)線中通過的電流。1.4.2變壓器的額定值2．額定電壓

變壓器的額定電壓包含一次繞組額定電壓和二次繞組額定電壓，分別記作U1N和U2N。在三相變壓器中，額定電壓均指線電壓，即三相電源中三根導(dǎo)線相互之間的電壓。

變壓器額定運行時，在二次側(cè)接入負載，二次繞組的輸出電壓U2會隨之減小。例如，某變壓器銘牌標(biāo)明二次側(cè)額定電壓為380V，一次側(cè)額定電壓為1000V。為保證輸出值為380V，考慮到電壓調(diào)整率為5%，此時變壓器實際U2N應(yīng)為400V。1.4.2變壓器的額定值3．額定容量

額定容量是指變壓器在額定運行情況下所能輸出的視在功率，記作SN，其大小為

單相變壓器：

三相變壓器：單位為伏安（V?A）。

額定容量是變壓器所能輸出的最大功率，而非變壓器實際輸出的功率。1.4.2變壓器的額定值4．溫升

溫升是指在額定運行情況下，變壓器發(fā)熱產(chǎn)生的溫度與環(huán)境溫度之差，記作T。溫升可分為繞組溫升和油面溫升，其大小取決于變壓器的絕緣等級。例如，油浸式變壓器的絕緣材料為A級絕緣，國家規(guī)定其繞組溫升為65℃，油面溫升為55℃。當(dāng)周圍環(huán)境溫度為40℃時，油浸式變壓器的繞組溫度不可超過105℃，油面溫度不可超過95℃。1.4.2變壓器的額定值5．額定頻率

額定頻率的符號為fN。我國規(guī)定工業(yè)用交流電額定