圖文詳解變壓器

變壓器是一種靜止電器，它通過線圈間的電磁感應，利用電磁感應定律，將一種電壓等級的交流電能轉換成同頻率的另一種電壓等級的交流電能。

只要(1)磁通有變化量；(2)一、二次繞組的匝數不同，就能達到改變壓的目的。

變壓器的主要部件是鐵心和套在鐵心上的兩個繞組。兩繞組只有磁耦合沒電聯繫。在一次繞組中加上交變電壓，產生交鏈一、二次繞組的交變磁通，在兩繞組中分別感應電動勢。

當原邊繞組接到交流電源時，繞組中便有交流電流流過，並在鐵心中產生與外加電壓頻率相同的磁通，這個交變磁通同時交鏈著原邊繞組和副邊繞組。原、副繞組的感應分別表示為：

則：

變比k：表示原、副繞組的匝數比，也等於原邊一相繞組的感應電勢與副邊一相繞組的感應電勢之比。

改變變壓器的變比，就能改變輸出電壓。但應注意，變壓器不能改變電能的頻率。

電力變壓器的分類：

變壓器的種類很多，可按其用途、相數、結構、調壓方式、冷卻方式等不同來進行分類。

按用途分類：升壓變壓器、降壓變壓器；

按相數分類：單相變壓器和三相變壓器；

按線圈數分類：雙繞組變壓器、三繞組變壓器和自耦變壓器；

按鐵心結構分類：心式變壓器和殼式變壓器；

按調壓方式分類：無載（無勵磁）調壓變壓器、有載調壓變壓器；

按冷卻介質和冷卻方式分類：油浸式變壓器和乾式變壓器等；

按容量大小分類：小型變壓器、中型變壓器、大型變壓器和特大型變壓器。

基本結構：

一、鐵心：

1.鐵心的材料

採用高磁導率的鐵磁材料—0.35～0.5mm厚的硅鋼片疊成。

為了提高磁路的導磁性能，減小鐵心中的磁滯、渦流損耗。變壓器用的硅鋼片其含硅量比較高。硅鋼片的兩面均塗以絕緣漆，這樣可使疊裝在一起的硅鋼片相互之間絕緣。

2.鐵心形式

鐵心是變壓器的主磁路，電力變壓器的鐵心主要採用心式結構 。

二、繞組：

1.繞組的材料

銅或鋁導線包繞絕緣紙以後繞制而成。

2.形式

圓筒式、螺旋式、連續式、糾結式等結構。為了便於絕緣，低壓繞組靠近鐵心柱，高壓繞組套在低壓繞組外面，兩個繞組之間留有油道。變壓器繞組外形如圖所示 。

三、油箱及其他附件：

1.油箱

變壓器油的作用：加強變壓器內部絕緣強度和散熱作用。

要求：用質量好的鋼板焊接而成，能承受一定壓力，某些部位必須具有防磁化性能。

形式：大型變壓器油箱均採用了鐘罩式結構；小型變壓器採用吊器身式。

2.儲油櫃

作用：減少油與外界空氣的接觸面積，減小變壓器受潮和氧化的概率。

在大型電力變壓器的儲油櫃內還安放一個特殊的空氣膠囊，它通過呼吸器與外界相通，空氣膠囊阻止了儲油櫃中變壓器油與外界空氣接觸。。

3.呼吸器

作用：內裝硅膠的乾燥器，與油枕連通，為了使潮氣不能進入油枕使油劣化。

硅膠對空氣中水份具有很強的吸附作用，乾燥狀態狀態為蘭色，吸潮飽和後變為粉紅色。吸潮的硅膠可以再生。

4.冷卻器

作用：加強散熱。

裝配在變壓器油箱壁上，對於強迫油循環風冷變壓器，電動泵從油箱頂部抽出熱油送入散熱器管簇中，這些管簇的外表受到來自風扇的冷空氣吹拂，使熱量散失到空氣中去，經過冷卻後的油從變壓器油箱底部重新回到變壓器油箱內。

5.絕緣套管

作用：使繞組引出線與油箱絕緣。

絕緣套管一般是陶瓷的，其結構取決於電壓等級。1kV以下採用實心磁套管，10～35kV採用空心充氣或充油式套管，110kV及以上採用電容式套管。為了增大外表面放電距離，套管外形做成多級傘形裙邊。電壓等級越高，級數越多。

6.分接開關

作用：用改變繞組匝數的方法來調壓。

一般從變壓器的高壓繞組引出若干抽頭，稱為分接頭，用以切換分接頭的裝置叫分接開關。

分接開關分為無載調壓和有載調壓兩種，前者必須在變壓器停電的情況下切換；後者可以在變壓器帶負載情況下進行切換。分接開關安裝在油箱內，其控制箱在油箱外，有載調壓分接開關內的變壓器油是完全獨立的，它也有配套的油箱、瓦斯繼電器、呼吸器。

7.壓力釋放閥

作用：為防止變壓器內部發生嚴重故障而產生大量氣體，引起變壓器發生爆炸。

8.氣體繼電器（瓦斯繼電器）

作用：變壓器的一種保護裝置，安裝在油箱與儲油櫃的連接管道中，當變壓器內部發生故障時（如絕緣擊穿、匝間短路、鐵芯事故、油箱漏油使油麵下降較多等）產生的氣體和油流，迫使氣體繼電器動作。輕者發出信號，以便運行人員及時處理。重者使斷路器跳閘，以保護變壓器。

變壓器的銘牌數據說明：

一、型號

型號表示一台變壓器的結構、額定容量、電壓等級、冷卻方式等內容。

例如：SL-500/10：表示三相油浸自冷雙線圈鋁線，額定容量為500kVA，高壓側額定電壓為10kV級的電力變壓器。

再如：OSFPSZ-250000/220表明自耦三相強迫油循環風冷三繞組銅線有載調壓，額定容量250000kVA，高壓額定電壓220kV電力變壓器。

二、額定值

額定運行情況：製造廠根據國家標準和設計、試驗數據規定變壓器的正常運行狀態。

表示額定運行情況下各物理量的數值稱為額定值。額定值通常標註在變壓器的銘牌上。變壓器的額定值主要有：

額定容量SN：銘牌規定在額定使用條件下所輸出的視在功率。

原邊額定電壓U1N：正常運行時規定加在一次側的端電壓，對於三相變壓器，額定電壓為線電壓。

副邊額定電壓U2N：一次側加額定電壓，二次側空載時的端電壓。

原邊額定電流I1N：變壓器額定容量下原邊繞組允許長期通過的電流，對於三相變壓器，I1N為原邊額定線電流。

副邊額定電流I2N：變壓器額定容量下原邊繞組允許長期通過的電流，對於三相變壓器，I2N為副邊額定線電流。

單相變壓器額定值的關係式：

三相變壓器額定值的關係式：

額定頻率fN：我國工頻：50Hz；還有額定效率、溫升等額定值。

變壓器的空載運行：

變壓器空載運行是指變壓器原邊繞組接額定電壓、額定頻率的交流電源，副邊繞組開路時的運行狀態。

主磁通與漏磁通的區別：

各電磁量參考方向的規定：

一次側遵循電動機慣例，二次側遵循發電機慣例。

強調：磁通與產生它的電流之間符合右手螺旋定則；電動勢與感應它的磁通之間符合右手螺旋定則。

一、空載時各物理量產生的因果關係

電勢與磁通的大小和相位關係

設主磁通按正弦規律變化,根據電磁感應定律可推導出原繞組感應電勢：

同理可得：

所以，變壓器原、副繞組的感應電勢大小與磁通成正比，與各自的匝數成正比，感應電勢在相位上滯後磁通90°。

三、原邊漏電抗和激磁電抗

1.原邊漏電抗

2.激磁電抗

3.漏磁通感應的電動勢—漏電動勢

根據主電動勢的分析方法，同樣有：

漏電動勢也可以用漏抗壓降來表示，即

由於漏磁通主要經過非鐵磁路徑,磁路不飽和,故磁阻很大且為常數,所以漏電抗X1很小且為常數,它不隨電源電壓負載情況而變。

空載電流和空載損耗：

一、空載電流：

1. 作用與組成：空載電流i0包含兩個分量，一個是勵磁分量i0r，作用是建立磁場，另一個是鐵損耗分量i0a，主要作用是供鐵損耗。

2、性質和大小

性質：由於空載電流的無功分量遠大於有功分量，所以空載電流主要是感性無功性質——也稱勵磁電流；

大小：與電源電壓和頻率、線圈匝數、磁路材質及幾何尺寸有關，用空載電流百分數I0%來表示：

3、空載電流波形：

由於磁路飽和，空載電流與由它產生的主磁通呈非線性關係。由於磁路飽和，空載電流與由它產生的主磁通呈非線性關係。當空載電流按正弦規律變化時，主磁通呈尖頂波形。

實際空載電流為非正弦波，但為了分析、計算和測量的方便，在相量圖和計算式中常用正弦的電流代替實際的空載電流。

對於已製成變壓器，鐵損與磁通密度幅值的平方成正比，與電流頻率的1.3次方成正比，即：

空載損耗約佔額定容量的0.2%~1%，而且隨變壓器容量的增大而下降。為減少空載損耗，改進設計結構的方向是採用優質鐵磁材料：優質硅鋼片、激光化硅鋼片或應用非晶態合金。

空載時的等效電路：

Z1＜＜Zm、rm＜＜xm 。

空載時電路功率因數都很小，空載電流I0主要是無功性質，由於鐵磁材料的磁飽和性，引起空載電流I0的波形是尖頂波。

希望空載電流越小越好，因此變壓器採用高導磁率的鐵磁材料，以增大Zm減少I0 。

變壓器空載時既吸收無功功率，也吸收有功功率，無功功率主要用於建立主磁通，有功功率主要用於鐵耗。

空載運行小結：

（1）一次側主電動勢與漏阻抗壓降總是與外施電壓平衡,若忽略漏阻抗壓降，則一次主電勢的大小由外施電壓決定。

（2）主磁通大小由電源電壓、電源頻率和一次線圈匝數決定，與磁路所用的材質及幾何尺寸基本無關。

（3）空載電流大小與主磁通、線圈匝數及磁路的磁阻有關，鐵心所用材料的導磁性能越好，空載電流越小。

（4）電抗是交變磁通所感應的電動勢與產生該磁通的電流的比值，線性磁路中，電抗為常數，非線性電路中，電抗的大小隨磁路的飽和而減小。

單相變壓器的負載運行：

變壓器一次側接在額定頻率、額定電壓的交流電源上，二次接上負載的運行狀態，稱為負載運行。

負載運行時的電磁關係：

用圖示負載運行時的電磁過程：

基本方程：

一、磁動勢平衡方程

電磁關係將一、二次聯繫起來,二次電流增加或減少必然引起一次電流的增加或減少。

表明，一、二次電流比近似與匝數成反比。可見，匝數不同，不僅能改變電壓，同時也能改變電流。

二、電動勢平衡方程

根據基爾霍夫電壓定律可寫出一、二次側電動勢平衡方程：

等效電路及相量圖：

一、折算

折算：將變壓器的二次（或一次）繞組用另一個繞組(N2=N1)來等效，同時對該繞組的電磁量作相應的變換，以保持兩側的電磁關係不變,用一個等效的電路代替實際的變壓器。

折算原則：1）保持二次側磁動勢不變；2）保持二次側各功率或損耗不變。

方法：（將二次側折算到一次側)

折算後的方程式為：

二、等效電路

根據折算後的方程，可以作出變壓器的等效電路。

簡化等效電路：

由簡化等效電路可知，短路阻抗起限制短路電流的作用，由於短路阻抗值很小，所以變壓器的短路電流值較大，一般可達額定電流的10~20倍。

三、相量圖：

作相量圖的步驟—對應T型等效電路， 假定變壓器帶感性負載。

作相量圖的步驟（假定帶感性負載）——對應簡化等效電路

變壓器的參數測定：

空載實驗：

1.目的：通過測量短路電流、短路電壓及短路功率來計算變壓器的短路電壓百分數、銅損和短路阻抗。

標么值：

標么值,就是指某一物理量的實際值與選定的同一單位的基準值的比值,即：

二、基準值的確定

1、通常以額定值為基準值。

2、各側的物理量以各自側的額定值為基準；

線值以額定線值為基準值，相值以額定相值為基準值；

單相值以額定單相值為基準值，三相值以額定三相值為基準值；

3.

三、優點：

1、額定值的標么值為1。

2、百分值=標么值×100% ；

3、折算前、後的標么值相等。線值的標么值=相值的標么值；單相值的標么值=三相值的標么值；

4、某些意義不同的物理量標么值相等

四、缺點：標么值沒有單位，物理意義不明確。

變壓器的運行特性：

1 電壓變化率

定義：是指一次側加50Hz額定電壓、二次空載電壓與帶負載後在某功率因數下的二次電壓之差，與二次額定電壓的比值，即：

電壓變化率是表徵變壓器運行性能的重要指標之一,它大小反映了供電電壓的穩定性。

用相量圖可以推導出電壓變化率的表達式：

由表達式可知，電壓變化率的大小與負載大小、性質及變壓器的本身參數有關。

電壓調整：為了保證二次端電壓在允許範圍之內,通常在變壓器的高壓側設置抽頭,並裝設分接開關,調節變壓器高壓繞組的工作匝數,來調節變壓器的二次電壓。

中、小型電力變壓器一般有三個分接頭，記作UN±5%。大型電力變壓器採用五個或多個分接頭,例UN±2x2.5%或UN±8×1.5%。

分接開關有兩種形式：一種只能在斷電情況下進行調節，稱為無載分接開關--這種調壓方式稱為無勵磁調壓；另一種可以在帶負荷的情況下進行調節，稱為有載分接開關--這種調壓方式稱為有載調壓。

損耗、效率及效率特性：

一、變壓器的損耗

變壓器的損耗主要是鐵損耗和銅損耗兩種。

鐵損耗包括基本鐵損耗和附加鐵損耗。基本鐵損耗為磁滯損耗和渦流損耗。附加損耗包括由鐵心疊片間絕緣損傷引起的局部渦流損耗、主磁通在結構部件中引起的渦流損耗等。

鐵損耗與外加電壓大小有關，而與負載大小基本無關，故也稱為不變損耗。

銅損耗分基本銅損耗和附加銅損耗。基本銅損耗是在電流在一、二次繞組直流電阻上的損耗；附加損耗包括因集膚效應引起的損耗以及漏磁場在結構部件中引起的渦流損耗等。

銅損耗大小與負載電流平方成正比，故也稱為可變損耗。

二、效率及效率特性

效率是指變壓器的輸出功率與輸入功率的比值。

效率表達式：

變壓器效率的大小與負載的大小、功率因數及變壓器本身參數有關。

效率特性：在功率因數一定時，變壓器的效率與負載電流之間的關係η=f(β),稱為變壓器的效率特性。

三相變壓器：

磁路系統：

電路系統：

一、變壓器的端頭標號

二、單相變壓器的極性

三、三相變壓器的連接組別

連接組別：反映三相變壓器連接方式及一、二次線電動勢（或線電壓）的相位關係。

三相變壓器的連接組別不僅與繞組的繞向和首末端標誌有關，而且還與三相繞組的連接方式有關。

理論和實踐證明，無論採用怎樣的連接方式，一、二次側線電動勢（可電壓）的相位差總是300的整數倍。因此可以採用時鐘表示法—

作為時鐘的分針，指向12點，

作為時鐘的時針，其指向的數字就是三相變壓器的組別號。組別號的數字乘以300，就是二次繞組的線電動勢滯後於一次側電動勢的相位角。

變壓器的連接組別很多，為了便於製造和並聯運行，國家標準規定，Y，yn0、Y，d11、YN，d11、YN，y0和Y，y0連接組為三相雙繞組電力變壓器的標準連接組別。

變壓器的並聯運行：

並聯運行是指將幾台變壓器的一、二次繞組分別接在一、二次側的公共母線上，共同向負載供電的運行方式。

並聯運行的優點：

1、提高供電的可靠性；

2、提高供電的經濟性。

並聯運行的理想條件：

並聯運行的理想情況是：

1、空載時各變壓器繞組之間無環流；

2、負載後，各變壓器的負載係數相等；

3、負載後，各變壓器的負載電流與總的負載電流同相位。

為了達到上述理想運行情況，並聯運行的變壓器需滿足以下條件：

1、各變壓器一、二次側的額定電壓分別相等，即變比相同；

2、各變壓器的連接組別相同；

3、各變壓器的短路阻抗（短路電壓）的標么值相等，且短路阻抗角也相等。

其中，第二條必須絕對滿足。

為了保證空載時環流不超過額定電流的10%，通常規定並聯運行的變壓器的變比差不大於1%。

二、連接組別不同時並聯運行

連接組別不同時，二次側線電壓之間至少相差30°，則二次線電壓差為線電壓的51.8%，由於變壓器的短路阻抗很小,這麼大的電壓差將產生幾倍於額定電流的空載環流，會燒毀繞組，所以連接 組別不同絕不允許並聯。

三、短路阻抗標么值不等時並聯運行

等效電路如圖所示。

由等效電路可知：

可見，各台變壓器所分擔的負載大小與其短路阻抗標么值成反比。

為了充分變壓器的容量，理想的負載分配，應使各台變壓器的負載係數相等，而且短路阻抗標值相等。

為了使各台變壓器所承擔的電流同相位，要求各變壓器的短路阻抗角相等。一般來說，變壓器容量相差越大，短路阻抗角相差也越大，因此要求並聯運行的變壓器的最大容量之比不超過3：1。

變壓器運行規程規定：在任何一台變壓器不過負荷的情況下，變比不同和短路阻抗標么值不等的變壓器可以並聯運行。又規定：阻抗標么值不等的變壓器並聯運行時，應適當提高短路阻抗標么值大的變壓器的二次電壓，以使並聯運行的變壓器的容量均能充分利用。

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