1、第三章 变压器,张若凤,变压器,变压器-利用电磁感应原理，从一个电路向另一个电路传递电能或传输信号的一种电器.是电力系统中 生产，输送，分配和使用电能的中的重要装置也是电力拖动系统和自动控制系统中 电能传递或作为信号传输的重要元件,第一节 变压器的结构、分类和工作原理,一、变压器的结构： 变压器主要由： 1. 铁心 用硅钢片叠成。 2. 绕组（线圈）高压绕组和低压绕组同心地套在铁心上。 3. 其他 油箱、油、油枕、绝缘导管、保护设备等。,第一节 变压器的结构、分类和工作原理,1、铁芯：铁芯是变压器的主磁路，同时又是绕组的支撑骨架。铁芯分铁心柱和铁轭两部分，铁心柱上套有绕组，铁轭的作用是使磁路闭
2、合。,心式变压器,铁芯用硅钢片叠加而成,适用于容量大电压高的变压器,壳式变压器,机械强度高，散热好,小型干式变压器,由心柱和铁轭两部分组成，心柱用来套装绕组，铁轭将心柱连接 起来，使之形成闭合磁路为减少铁心损耗，铁心用厚0.300.50mm的硅钢片叠成，片上涂以绝缘漆，以避免片间短路。,心柱,铁轭,2、绕组： 定义：变压器的电路部分，用纸包或纱包的绝缘扁线或圆线绕成。 一次绕组输入电能的绕组 二次绕组输出电能的绕组 同异点：一次和二次绕组具有不同的匝数、电压和电流，其中电压较高的绕组称为高压绕组，电压较低的称为低压绕组。,从高低压绕组的相对位置来看，变压器绕组可以分为同心式和交叠式两类。,同心
3、式：高低压绕组同心的套在铁心柱上。为了便于与铁心绝缘，一般低压绕组在里面高压绕组在外面。 交叠式：又称饼式，将高压绕组及低压绕组分成若干个线饼，沿着铁心柱的高度交替排列着。为了便于绝缘，最上层和最下层安放低压绕组。,（3）油箱,油浸式变压器的器身浸在变压器油的油箱中。油是冷却介质，又是绝缘介质。油箱侧壁有冷却用的管子（散热器或冷却器）。 机械支撑、冷却散热,当变压器出现故障时，产生的热量使变压器油汽化，气体继电器动作，发出报警信号或切断电源。 如果事故严重，变压器油大量汽化，油气冲破安全气道管口的密封玻璃，冲出变压器油箱，避免油箱爆裂。,（4）绝缘套管,将线圈的高、低压引线引到箱外，是引线对地
4、的绝缘，担负着固定的作用。（瓷质） 套管外形常做成伞形，电压愈高、级数愈多。,二、变压器的分类：1、用途分类： 电力变压器，电力系统传输电能 电炉变压器，专给炼钢炉供电 整流变压器，直流电力机车供电 仪用变压器、控制变压器 无线电变压器，仅传输信号。,第一节 变压器的结构、分类和工作原理,电力变压器,变压器的总容量大致相当于发电机容量的三倍。输电过程中，通常将电压升高，通过高压输电线传送到远方的城市，经过降压变压器降为10kv电压，再经过配电降压变压器分配给用户。 输送同样的功率，电压低则电流大，一方面由于大电流在输电线路上引起损耗，另一方面大电流在线路阻抗上产生大的压降，受电端电压很低，电能
5、传送不出去。只有高电压能将电能输送到远方。,（中间一般要经过45次，甚至是89次变压器的升降压）,配电变压器,输电变压器,2、变压器类别-变压方式,升压变压器升高电压的变压器 降压变压器降低电压的变压器 特殊变压器 ，如试验用高压变压器、电炉用变压器、电焊用变压器、晶闸管线路中的变压器、用于测量仪表的电压互感器和电流互感器等等,3、按绕组构成不同变压器分为：双绕组、三绕组、多绕组和自耦变压器,双绕组变压器，在铁芯中有两个绕组，一个为初级绕组，一个为次级绕组 自耦变压器，初级、次级绕组合为一个 三绕组变压器，三个绕组连接三种不同电压的线路 多绕组变压器，如分裂变压器,4、按铁心结构分为：心式变压
6、器和壳式变压器,4、按相数分：单相变压器三相变压器多相变压器,5、按调压压方式： 无励磁调压变压器和有载调压变压器 6、按冷却方式： 油浸式变压器铁芯和绕组都一起浸入灌满了变压器油的油箱中，可以加强绝缘和改善冷却散热条件 干式变压器 ，能满足特殊要求，如安全 油浸风冷变压器、强迫油循环变压器、充气式变压器等,三、变压器的工作原理, u2 ,电磁关系, u1 ,一次绕组,二次绕组,用图形符号表示 的变压器电路,规定U1 = U1N 时， U20 = U2N 。 如铭牌上标注： 10 000 / 230 V U1N / U2N,I2 = 0 I1 = I010% I1N U2 = U20 = E2
7、 U1E1,1、. 电压变换原理,变压器空载时,一般取高压绕组的 电压与低压绕组的电 压之比，即 k1。, 一般 U2N 比满载时的 电压高 5% 10% 。,2、电流变换原理,U1NE1 = 4.44 f N1m,N1i1 N2i2,N1i0 ,磁动势平衡方程：,忽略空载电流：,(1) i1 与 i2 反相位i10 时，i2 0，即 i2 是去磁的。 (2) i1 与 i2 的大小关系, 电流变换, 变压器的额定电流标注在铭牌上（ I1N / I2N）。,3、阻抗变换原理,U1,U2,U1,等 效,忽略 Z1、Z2 、I0 ，则,= k,|Ze | = k2 | ZL |,解,例5.3.3
8、一只电阻为 8 的扬声器 (喇叭)，需要 把电阻提高到 800 才可以接入半导体收音机的输出端， 问应该利用电压比为多大的变压器才能实现这一阻抗匹 配。,变压器的应用,降压测高压： 升压测大电流： 实现阻抗匹配,一、电压互感器,= ku,国产互感器： U2N = 100 V 2. 使用注意 (1) 二次绕组禁止短路。 (2) 二次绕组与铁心必须接地。,1. 工作原理 空载运行的降压变压器。, E2,二、电流互感器,1. 工作原理短路运行的升压变压器。,= ki,国产互感器： I2N = 5 A2. 使用注意 (1) 二次绕组禁止开路。开路时：I2 = 0，I1 不变, ,(2) 一次绕组工作电
9、压较高时，二次绕组与铁心必须接地。,N1 N2,1 2 匝,自耦变压器,一、结构,手柄,接线柱,可调式自耦变压器（调压器）,二、工作原理,降压自耦变压器,升压自耦变压器,忽略漏阻抗，则,有三个绕组和三个电压等级。,三绕组变压器,= k12,= k13,= k23,各绕组间的电压关系,4、变压器的功率关系,1. 一次绕组的视在功率 S1 = U1I1 2. 二次绕组的视在功率S2 = U2I2 3. 输入功率P1 = U1I1cos1 4. 输出功率P2 = U2I2cos2 5. 变压器的损耗P = PFePCu,可变损耗,(1) 铜损耗PCu = R1I12 + R2I22 (2) 铁损耗P
10、Fe = PhPe 6. 效率,不变损耗,5、变压器的主要参数 （1）、额定容量SN：额定视在功率 SUI 双绕组变压器，一、二次侧额定容量S1N=S2N ； 三绕组变压器三侧容量不一定相等。 三相变压器指三相的总容量。 单位：VA、KVA、MVA。 容量在630kVA以下的为小型电力变压器； 8006300kVA的为中型电力变压器； 800063000kVA为大型电力变压器； 90000kVA及以上的为特大型电力变压器。,（2）、额定电压UN一次侧额定电压U1N：根据变压器的绝缘强度和允许发热等条件规定二次侧额定电压U2N：一次侧外加额定电压U1N时的二次侧空载电压。额定电压均指线电压。 单
11、位：V、KV,4、额定频率fN ：我国规定为50HZ。,单相变压器三相变压器,（3）、额定电流IN：一次侧额定电流I1N，二次侧额定电流I2N。 额定电流均指线电流。 单位：A,了解：变压器铭牌数据正确地使用变压器的依据,每台变压器都有一铭牌，上面标注着型号、额定值及其它数据，便于用户了解变压器的运行性能。,电力变压器 产品型号 SL7315/10 产品编号 额定容量 315kVA 使用条件 户外式 额定电压 10000/400V 冷却条件 ONAN 额定电流 18.2/454.7A 短路电压 4% 额定频率 50 Hz 器身吊重 765kg 相 数 三相 油 重 380kg 联接组别 Yyn
12、o 总 重 1525kg 制 造 厂 生产日期 图 电力变压器铭牌示意图,型号说明,（5）温升 温升是指变压器在额定状态下运行时，变压器内部温度允许超过环境温度的数值。它的大小取决于变压器所用绝缘材料的等级。如A级绝缘容许温升为65度。,3.2 三相变压器,一、三相变压器的种类及磁路 1. 三相组式变压器,U1 U2,u1 u2,V1 V2,v1 v2,W1 W2,w1 w2,特点：三相之间只有电的联系，没有磁的联系。,2. 三相心式变压器,U1U2u1 u2,V1V2v1 v2,W1W2w1 w2,特点：三相之间既有电的联系，又有磁的联系。,联结方式 高压绕组 低压绕组星形有中性线 YN y
13、n星形无中性线 Y y 三角形 D d GB: Yyn、Yd、YNd、Yy、YNy,3、三相绕组的联结方式,最常用的三种,三相变压器,8.1 磁路系统,一、组式磁路变压器,二、心式磁路变压器,特点是：三相磁路彼此无关联。,特点是：三相磁路彼此有关联。,8.2 电路系统,一、变压器的端头标号,二、单相变压器的极性,一、二次绕组的同极性端同标志时，一、二次绕组的电动势同相位。,一、二次绕组的同极性端异标志时，一、二次绕组的电动势反相位。,三、三相变压器的连接组别,连接组别：反映三相变压器连接方式及一、二次线电动势（或线电压）的相位关系。,三相变压器的连接组别不仅与绕组的绕向和首末端标志有关，而且还
14、与三相绕组的连接方式有关。,理论和实践证明，无论采用怎样的连接方式，一、二次侧线电动势（可电压）的相位差总是300的整数倍。因此可以采用时钟表示法 作为时钟的分针，指向12点， 作为时钟的时针，其指向的数字就是三相变压器的组别号。组别号的数字乘以300，就是二次绕组的线电动势滞后于一次侧电动势的相位角。,连接组别可以用相量图来判断：,若高压绕组三相标志不变，低压绕组三相标志依次后移，可以得到Y,y4、Y,y8连接组别。,1、Y，y连接,同名端在对应端，对应的相电动势同相位，线电动势 和 也同相位，连接组别为Y，y0。,同理，若异名端在对应端，可得到Y，y6、Y,y10和Y,y2连接组别。,若高
15、压绕组三相标志不变，低压绕组三相标志依次后移，可以得到Y,d3、Y,d7连接组别。,2、Y，d连接,同理，若异名端在对应端，可得到Y，d5、Y,d9和Y,d1连接组别。,同名端在对应端，对应的相电动势同相位，线电动势 和 相差3300，连接组别为Y，d11。,同名端在对应端，对应的相电动势同相位，线电动势 和 相差300，连接组别为Y，d1。,若高压绕组三相标志不变，低压绕组三相标志依次后移，可以得到Y,d5、Y,d9连接组别。,同理，若异名端在对应端，可得到Y，d7、Y,d11和Y,d3连接组别。,总之，对于Y，y（或D，d）连接，可以得到0、2、4、6、8、10等六个偶数组别；而Y，d（或
16、D，y）连接，可以得到1、3、5、7、9、11等六个奇数组别。,变压器的连接组别很多，为了便于制造和并联运行，国家标准规定，Y，yn0、Y，d11、YN，d11、YN，y0和Y，y0连接组为三相双绕组电力变压器的标准连接组别。,其中前三种最为常用：Y,yn0 连接的二次绕组可以引出中线，成为三相四线制，用作配电变压器时可兼供动力和照明负载。Y,d11连接用于低压侧电压超过400V的线路中。YN,d11连接主要用于高压输电线路中，使电力系统的高压侧可以接地。,8.5变压器的并联运行,并联运行的理想条件,并联运行的优点：1、提高供电的可靠性；2、提高供电的经济性。,并联运行是指将几台变压器的一、二
17、次绕组分别接在一、二次侧的公共母线上，共同向负载供电的运行方式。,并联运行的理想情况是： 1、空载时各变压器绕组之间无环流； 2、负载后，各变压器的负载系数相等； 3、负载后，各变压器的负载电流与总的负载电流同相位。,为了达到上述理想运行情况，并联运行的变压器需满足以下条件：,1、各变压器一、二次侧的额定电压分别相等，即变比相同； 2、各变压器的连接组别相同； 3、各变压器的短路阻抗（短路电压）的标么值相等，且短路阻抗角也相等。,一、变比不等时并联运行,变比不等的两台变压器并联运行时，二次空载电压不等。折算到二次侧的等效电路如图所示。,由等效电路可以列出方程式：,当变压器的变比不等时，在空载时
18、，环流 就存在。变比差越大，环流越大。由于变压器的短路阻抗很小，即使变比差很小，也会产生很大的环流。环流的存在，既占用了变压器的容量，又增加了变压器的损耗，这是很不利的。,为了保证空载时环流不超过额定电流的10%，通常规定并联运行的变压器的变比差不大于1%。,三、短路阻抗标么值不等时并联运行,由等效电路可知：,等效电路如图所示。,可见，各台变压器所分担的负载大小与其短路阻抗标么值成反比。,为了充分变压器的容量，理想的负载分配，应使各台变压器的负载系数相等，而且短路阻抗标值相等。,二、连接组别不同时并联运行,连接组别不同时，二次侧线电压之间至少相差300，则二次线电压差为线电压的51.8%，由于
19、变压器的短路阻抗很小,这么大的电压差将产生几倍于额定电流的空载环流，会烧毁绕组，所连接 组别不同绝不允许并联。,变压器运行规程规定：在任何一台变压器不过负荷的情况下，变比不同和短路阻抗标么值不等的变压器可以并联运行。又规定：阻抗标么值不等的变压器并联运行时，应适当提高短路阻抗标么值大的变压器的二次电压，以使并联运行的变压器的容量均能充分利用。,为了使各台变压器所承担的电流同相位，要求各变压器的短路阻抗角相等。一般来说，变压器容量相差越大，短路阻抗角相差也越大，因此要求并联运行的变压器的最大容量之比不超过3：1。,二、变压器绕组的极性,U1 U2,(a) 绕向相同,U1 与 u1 是同极性端 (
20、同名端) U1 与 u2 是异极性端 (异名端),u1u2,U1 U2,(b) 绕向相反,U1 与 u2 是同极性端 (同名端) U1 与 u1 是异极性端 (异名端),u1u2,E1,E2,组别12,E1,E2,组别6,(a) 绕向相同,(b) 绕向相反,绕组极性的标注方法,110V,110V,220V,(a) 绕组的串联,110V,(b) 绕组的并联,绕组的正确接法,110V,110V,u1,U2,V1,V2,三相变压器,8.1 磁路系统,一、组式磁路变压器,二、心式磁路变压器,特点是：三相磁路彼此无关联。,特点是：三相磁路彼此有关联。,8.2 电路系统,一、变压器的端头标号,连接组别可以
21、用相量图来判断：,若高压绕组三相标志不变，低压绕组三相标志依次后移，可以得到Y,y4、Y,y8连接组别。,1、Y，y连接,同名端在对应端，对应的相电动势同相位，线电动势 和 也同相位，连接组别为Y，y0。,同理，若异名端在对应端，可得到Y，y6、Y,y10和Y,y2连接组别。,若高压绕组三相标志不变，低压绕组三相标志依次后移，可以得到Y,d3、Y,d7连接组别。,2、Y，d连接,同理，若异名端在对应端，可得到Y，d5、Y,d9和Y,d1连接组别。,同名端在对应端，对应的相电动势同相位，线电动势 和 相差3300，连接组别为Y，d11。,同名端在对应端，对应的相电动势同相位，线电动势 和 相差3
22、00，连接组别为Y，d1。,若高压绕组三相标志不变，低压绕组三相标志依次后移，可以得到Y,d5、Y,d9连接组别。,同理，若异名端在对应端，可得到Y，d7、Y,d11和Y,d3连接组别。,总之，对于Y，y（或D，d）连接，可以得到0、2、4、6、8、10等六个偶数组别；而Y，d（或D，y）连接，可以得到1、3、5、7、9、11等六个奇数组别。,变压器的连接组别很多，为了便于制造和并联运行，国家标准规定，Y，yn0、Y，d11、YN，d11、YN，y0和Y，y0连接组为三相双绕组电力变压器的标准连接组别。,其中前三种最为常用：Y,yn0 连接的二次绕组可以引出中线，成为三相四线制，用作配电变压器
23、时可兼供动力和照明负载。Y,d11连接用于低压侧电压超过400V的线路中。YN,d11连接主要用于高压输电线路中，使电力系统的高压侧可以接地。,8.5变压器的并联运行,并联运行的理想条件,并联运行的优点：1、提高供电的可靠性；2、提高供电的经济性。,并联运行是指将几台变压器的一、二次绕组分别接在一、二次侧的公共母线上，共同向负载供电的运行方式。,并联运行的理想情况是： 1、空载时各变压器绕组之间无环流； 2、负载后，各变压器的负载系数相等； 3、负载后，各变压器的负载电流与总的负载电流同相位。,为了达到上述理想运行情况，并联运行的变压器需满足以下条件：,1、各变压器一、二次侧的额定电压分别相等
24、，即变比相同； 2、各变压器的连接组别相同； 3、各变压器的短路阻抗（短路电压）的标么值相等，且短路阻抗角也相等。,一、变比不等时并联运行,变比不等的两台变压器并联运行时，二次空载电压不等。折算到二次侧的等效电路如图所示。,由等效电路可以列出方程式：,当变压器的变比不等时，在空载时，环流 就存在。变比差越大，环流越大。由于变压器的短路阻抗很小，即使变比差很小，也会产生很大的环流。环流的存在，既占用了变压器的容量，又增加了变压器的损耗，这是很不利的。,为了保证空载时环流不超过额定电流的10%，通常规定并联运行的变压器的变比差不大于1%。,三、短路阻抗标么值不等时并联运行,由等效电路可知：,等效电
25、路如图所示。,可见，各台变压器所分担的负载大小与其短路阻抗标么值成反比。,为了充分变压器的容量，理想的负载分配，应使各台变压器的负载系数相等，而且短路阻抗标值相等。,二、连接组别不同时并联运行,连接组别不同时，二次侧线电压之间至少相差300，则二次线电压差为线电压的51.8%，由于变压器的短路阻抗很小,这么大的电压差将产生几倍于额定电流的空载环流，会烧毁绕组，所连接 组别不同绝不允许并联。,变压器运行规程规定：在任何一台变压器不过负荷的情况下，变比不同和短路阻抗标么值不等的变压器可以并联运行。又规定：阻抗标么值不等的变压器并联运行时，应适当提高短路阻抗标么值大的变压器的二次电压，以使并联运行的变压器的容量均能充分利用。,为了使各台变压器所承担的电流同相位，要求各变压器的短路阻抗角相等。一般来说，变压器容量相差越大，短路阻抗角相差也越大，因此要求并联运行的变压器的最大容量之比不超过3：1。,
