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第三章 变压器第一节第一节 变压器的工作原理、分类及结构变压器的工作原理、分类及结构一、变压器的工作原理一、变压器的工作原理 变压器的主要部件变压器的主要部件铁心和套在铁心上的两个绕铁心和套在铁心上的两个绕组。两绕组只有磁耦合没电组。两绕组只有磁耦合没电联系。在一次绕组中加上交联系。在一次绕组中加上交变电压，产生交链一、二次变电压，产生交链一、二次绕组的交变磁通，在两绕组绕组的交变磁通，在两绕组中分别中分别感应电动势感应电动势。1K匝比匝比忽略铁心中的损耗，根据能量守恒定律，有：忽略铁心中的损耗，根据能量守恒定律，有：二、变压器的分类二、变压器的分类二、变压器的分类二、变压器的分类 按用途分：按用途分：电力变压器电力变压器和和特种变压器特种变压器。按绕组数目分：单绕组（自耦）变压器、双绕组变压器、三绕组按绕组数目分：单绕组（自耦）变压器、双绕组变压器、三绕组变压器和多绕组变压器。变压器和多绕组变压器。按相数分：单相变压器、三相变压器和多相变压器。按相数分：单相变压器、三相变压器和多相变压器。按铁心结构分：芯式变压器和壳式变压器。按铁心结构分：芯式变压器和壳式变压器。按调压方式分：无励磁调压变压器和有载调压变压器。按调压方式分：无励磁调压变压器和有载调压变压器。按冷却介质和冷却方式分：干式变压器、油浸式变压器和充气按冷却介质和冷却方式分：干式变压器、油浸式变压器和充气式变压器。式变压器。2电源变压器电源变压器电力变压器电力变压器控制变压器控制变压器接触调压器接触调压器三相干式变压器3三、变压器的结构简介三、变压器的结构简介三、变压器的结构简介三、变压器的结构简介铁心铁心变压器中主要的磁路部分，分为铁心柱与铁轭两部分。变压器中主要的磁路部分，分为铁心柱与铁轭两部分。三相芯式变压器三相芯式变压器11铁心柱铁心柱 2 2铁轭铁轭33高压线圈高压线圈 4 4低压线圈低压线圈单相芯式变压器单相芯式变压器4单相壳式变压器单相壳式变压器11铁心柱铁心柱 2 2铁轭铁轭 3 3绕组绕组绕组绕组变压器中的电路部分。变压器中的电路部分。11低压绕组低压绕组 2 2高压绕组高压绕组交叠式绕组交叠式绕组5油浸式电力变压器油浸式电力变压器11信号式温度计信号式温度计22吸湿器吸湿器33储油柜储油柜44油位计油位计55安全气道安全气道66气体继电器气体继电器77高压套管高压套管88低压套管低压套管99分接开关分接开关1010油箱油箱1111铁心铁心1212线圈线圈1313放油阀门放油阀门6变压器的额定值变压器的额定值额定容量为变压器的额定容量为变压器的视在功率视在功率（用（用SN 表示，单位表示，单位 kVA，VA）额定电压（一次和二次绕组上分别为额定电压（一次和二次绕组上分别为U1N 和和U2N ，单位单位V,kV）额定电流（一次和二次绕组上分别为额定电流（一次和二次绕组上分别为I1N 和和I2N ，单位单位 A,kA）单相变压器单相变压器三相变压器三相变压器额定频率额定频率fN 我国的规定为我国的规定为50Hz7 例例3-13-1 有一台三相油浸自冷式铝线电力变压器，有一台三相油浸自冷式铝线电力变压器，试求一次、二次绕组的额定电流。试求一次、二次绕组的额定电流。解解：8第二节 单相变压器的空载运行一、空载运行时的物理情况一、空载运行时的物理情况变压器匝数为变压器匝数为N1的一次绕组加上的一次绕组加上交流电压，变压器匝数为交流电压，变压器匝数为N2的二的二次绕组开路，这种情况即为变压次绕组开路，这种情况即为变压器的空载运行。器的空载运行。一次绕组和二次绕组的电动势平衡方程式一次绕组和二次绕组的电动势平衡方程式其中，其中，i0 空载电流；空载电流；u20 二次绕组的空载电压；二次绕组的空载电压；r1 一次绕组一次绕组的电阻。的电阻。m 主磁通；主磁通；1 一次绕组漏磁通。一次绕组漏磁通。91 1、感应电动势与主磁通、感应电动势与主磁通空载运行时，忽略空载运行时，忽略i0r1和和e1 设：设：感应电动势感应电动势e1 和和e2 均滞后于均滞后于m 的电角度的电角度90，其有效值为其有效值为E1和和E2的相量表达式的相量表达式102 2、空载电流、空载电流空载电流包含两个分量，空载电流包含两个分量，一个是一个是励磁分量励磁分量，作用是建立磁场，作用是建立磁场，产生主磁通产生主磁通无功分量；另一个是无功分量；另一个是铁耗分量铁耗分量，作用是供变，作用是供变压器铁心损耗压器铁心损耗有功分量。有功分量。性质：性质：由于空载电流的无功分量远大于有功分量，所以空载电流由于空载电流的无功分量远大于有功分量，所以空载电流主要是感性无功性质主要是感性无功性质也称励磁电流；也称励磁电流；大小：大小：与电源电压和频率、线圈匝数、磁路材质及几何尺寸有与电源电压和频率、线圈匝数、磁路材质及几何尺寸有关，用空载电流百分数关，用空载电流百分数I I0 0%来表示：来表示：3 3、漏磁通和漏电抗、漏磁通和漏电抗漏电动势漏电动势E 1漏电抗漏电抗x 1 是一次绕组的一个参数。是一次绕组的一个参数。11titit1t1t2t3t2t3图变压器空载电流的波形图变压器空载电流的波形12mE1空载时相量图空载时相量图二、空载运行时的电动势平衡方程式、相量图及等效电路二、空载运行时的电动势平衡方程式、相量图及等效电路其中，其中，Z 1 一次绕组漏阻抗一次绕组漏阻抗 Zm 变压器的励磁阻抗变压器的励磁阻抗 xm 变压器的励磁电抗变压器的励磁电抗 rm 变压器的励磁电阻变压器的励磁电阻并且有并且有-E1ImIFeIr1Imjx1ImU11013r r1 1,x,x1 1是常量，是常量，r rm m,x,xm m因铁心中存因铁心中存在发热现象，故都是在发热现象，故都是变量变量，它，它们是们是虚拟值虚拟值，且，且x xm mrrm m,x,xm m是代是代表铁心磁化性能的一个综合参表铁心磁化性能的一个综合参数，并随铁心的饱和程度而减数，并随铁心的饱和程度而减小；小；r rm m是表征铁心发热而消耗是表征铁心发热而消耗有功功率的一个参数。有功功率的一个参数。14第三节第三节 单相变压器的基本方程式单相变压器的基本方程式 变压器一次侧接在额定频率、额定电压的交流电源上，二次侧变压器一次侧接在额定频率、额定电压的交流电源上，二次侧接上负载的运行状态，称为负载运行接上负载的运行状态，称为负载运行。一、负载运行时的物理情况一、负载运行时的物理情况由于电源电压恒定，即由于电源电压恒定，即U1=常数，则常数，则E1常数，常数，m常数常数。因此，。因此，达到新的电动势平衡的条件是使一次绕组的电流增量所产生的磁动达到新的电动势平衡的条件是使一次绕组的电流增量所产生的磁动势与二次绕组电流所产生的磁动势相抵消，以势与二次绕组电流所产生的磁动势相抵消，以维持主磁通基本不变维持主磁通基本不变，以及由主磁通所产生的以及由主磁通所产生的感应电动势基本不变感应电动势基本不变。15二、负载运行时的基本方程式二、负载运行时的基本方程式二、负载运行时的基本方程式二、负载运行时的基本方程式1 1、磁动势平衡方程式、磁动势平衡方程式2 2、电动势平衡方程式、电动势平衡方程式和漏电抗。和漏电抗。分别为一次和二次绕组的漏阻抗、电阻分别为一次和二次绕组的漏阻抗、电阻16第四节第四节 变压器的等效电路及相量图变压器的等效电路及相量图一、绕组归算一、绕组归算归算：将变压器的二次（或一次）绕组用另一个绕组来等效，同时，归算：将变压器的二次（或一次）绕组用另一个绕组来等效，同时，对该绕组的电磁量作相应的变换，以保持两侧的电磁关系不变。对该绕组的电磁量作相应的变换，以保持两侧的电磁关系不变。归算原则：归算原则：1 1）保持二次侧磁动势不变；保持二次侧磁动势不变；2 2）保持二次侧各功率或损耗不变。）保持二次侧各功率或损耗不变。二次绕组归算后，变压器一次和二次绕组具有同样的匝数，即二次绕组归算后，变压器一次和二次绕组具有同样的匝数，即（一）电动势和电压的归算（一）电动势和电压的归算则则17（二）电流的归算（二）电流的归算（三）阻抗的归算（三）阻抗的归算阻抗归算的原则：归算前后电阻铜耗及漏感中无功功率不变。阻抗归算的原则：归算前后电阻铜耗及漏感中无功功率不变。阻抗归算的原则：归算前后电阻铜耗及漏感中无功功率不变。阻抗归算的原则：归算前后电阻铜耗及漏感中无功功率不变。归算后变压器负载运行时的基本方程式变为如下形式：归算后变压器负载运行时的基本方程式变为如下形式：归算后变压器负载运行时的基本方程式变为如下形式：归算后变压器负载运行时的基本方程式变为如下形式：18二二 、等效电路、等效电路图中图中a a、b b和和c c、d d分别是等电位点，分别是等电位点，可连接起来而不改变运行情况。可连接起来而不改变运行情况。于是作出变压器的于是作出变压器的T T形等效电路。形等效电路。（由前述的基本方程式也可得出（由前述的基本方程式也可得出该等效电路）该等效电路）下图中，二次绕组各量均已经归算到一次绕组，即下图中，二次绕组各量均已经归算到一次绕组，即19三三 、相量图、相量图根据根据T T形等效电路，可以画出相应的相量图。形等效电路，可以画出相应的相量图。20四四 、近似等效电路图、近似等效电路图 rs、xs和和Zs分别称为短路电阻、短路电抗和短路阻抗。分别称为短路电阻、短路电抗和短路阻抗。21第五节第五节 等效电路的参数测定等效电路的参数测定一、空载试验一、空载试验通过测量空载电流和一、二次电压通过测量空载电流和一、二次电压及空载功率来计算及空载功率来计算变比变比、空载电、空载电流百分数、流百分数、铁耗铁耗p pFe和和励磁阻抗励磁阻抗Z Zm。变压器空载运行时，可以认为输入功率变压器空载运行时，可以认为输入功率p0完全用来抵偿铁耗。即完全用来抵偿铁耗。即从空载运行的等效电路得出从空载运行的等效电路得出22二、负载试验二、负载试验(短路试验短路试验)通过测量短路电流、短路电压及通过测量短路电流、短路电压及短路功率来计算变压器的短路功率来计算变压器的短路电短路电压百分数压百分数、铜损铜损和和短路阻抗短路阻抗。高压侧加电压，低压侧短路；由于外加电压很小，主磁通很少，铁高压侧加电压，低压侧短路；由于外加电压很小，主磁通很少，铁损耗很少，忽略铁损。损耗很少，忽略铁损。折算到折算到7575时的数值时的数值23标么值标么值指某一物理量的实际值与选定的同一单位的基准值的比指某一物理量的实际值与选定的同一单位的基准值的比值（通常以额定值为基准值）值（通常以额定值为基准值）,即即阻抗电压阻抗电压负载试验时，当绕组中电流达到额定值，加在一次绕负载试验时，当绕组中电流达到额定值，加在一次绕组上的短路电压。用一次侧额定电压的百分值表示。组上的短路电压。用一次侧额定电压的百分值表示。阻抗电压阻抗电压的标么值的标么值其中其中,为短路阻抗的相对值为短路阻抗的相对值24第六节第六节 三相变压器三相变压器一、三相变压器的电路系统一、三相变压器的电路系统联结组联结组1 1、联结法、联结法a)星形联结星形联结 b)三角形联结三角形联结252 2、联结组、联结组a)I/I-0联结组联结组 b)I/I-6联结组联结组26Y,y0 Y,y0 联结组联结组AXCZBYabc27Y,d11 Y,d11 联结组联结组AXCZBYacb30o注意：注意：注意：注意：y y联结共有、六个偶数时钟序数。联结共有、六个偶数时钟序数。d dy y联结共有、六个奇数的时钟序数。联结共有、六个奇数的时钟序数。28二、三相变压器的磁路系统二、三相变压器的磁路系统 铁心的结构形式铁心的结构形式a)a)单相芯式铁心的合并单相芯式铁心的合并c)c)三相芯式铁心三相芯式铁心b)b)铁心的演变铁心的演变29 不考虑铁耗时励磁电流波形确定不考虑铁耗时励磁电流波形确定三、三相变压器的电路系统和磁路系统对电动势波形影响三、三相变压器的电路系统和磁路系统对电动势波形影响励磁电流中无三次励磁电流中无三次谐波的主磁通波形谐波的主磁通波形30第七节第七节 变压器的稳态运行变压器的稳态运行1 1、变压器的电压调整率、变压器的电压调整率变压器二次侧的端电压随变压器二次侧的端电压随负载变化的程度用电压调负载变化的程度用电压调整率整率 u u来表示。来表示。电压调整率电压调整率 u u规定为：一规定为：一次侧加次侧加额定负载电压额定负载电压、负负载功率因数为一定值载功率因数为一定值，空，空载与负载时二次侧端电压载与负载时二次侧端电压之差，用二次侧额定电压之差，用二次侧额定电压的百分值表示，即的百分值表示，即31电压变化率是表征变压器运行性能的重要指标之一电压变化率是表征变压器运行性能的重要指标之一,它大小反映了它大小反映了供电电压的稳定性。供电电压的稳定性。式中式中 为负载系数为负载系数 可见电压变化率的大小与负载大小、性质及变压器的本身参数有关。可见电压变化率的大小与负载大小、性质及变压器的本身参数有关。当I2=I2N,=1时322 2、变压器的效率、变压器的效率pp铁耗包括基本铁耗和附加铁耗。铁耗包括基本铁耗和附加铁耗。铁耗包括基本铁耗和附加铁耗。铁耗包括基本铁耗和附加铁耗。基本铁耗基本铁耗分为分为分为分为磁滞损耗磁滞损耗和和和和涡流损涡流损耗耗。附加损耗包括由铁心叠片间绝缘损伤引起的局部涡流损耗、主。附加损耗包括由铁心叠片间绝缘损伤引起的局部涡流损耗、主。附加损耗包括由铁心叠片间绝缘损伤引起的局部涡流损耗、主。附加损耗包括由铁心叠片间绝缘损伤引起的局部涡流损耗、主磁通在结构部件中引起的涡流损耗等。铁耗与外加电压大小有关，磁通在结构部件中引起的涡流损耗等。铁耗与外加电压大小有关，磁通在结构部件中引起的涡流损耗等。铁耗与外加电压大小有关，磁通在结构部件中引起的涡流损耗等。铁耗与外加电压大小有关，而与负载大小基本无关，故也称为不变损耗。而与负载大小基本无关，故也称为不变损耗。而与负载大小基本无关，故也称为不变损耗。而与负载大小基本无关，故也称为不变损耗。pp铜耗也分铜耗也分铜耗也分铜耗也分基本铜耗基本铜耗和和和和附加铜耗附加铜耗。基本铜耗基本铜耗是在电流在一、二次绕是在电流在一、二次绕是在电流在一、二次绕是在电流在一、二次绕组组组组直流电阻上的损耗直流电阻上的损耗；附加损耗附加损耗包括因包括因包括因包括因集肤效应集肤效应引起的引起的引起的引起的损耗损耗以及漏以及漏以及漏以及漏磁场在结构部件中引起的磁场在结构部件中引起的磁场在结构部件中引起的磁场在结构部件中引起的涡流损耗涡流损耗等。铜耗大小与负载电流平方成等。铜耗大小与负载电流平方成等。铜耗大小与负载电流平方成等。铜耗大小与负载电流平方成正比，故也称为可变损耗。正比，故也称为可变损耗。正比，故也称为可变损耗。正比，故也称为可变损耗。pp变压器的效率也是指其输出的有功功率与输入的有功功率之比，变压器的效率也是指其输出的有功功率与输入的有功功率之比，变压器的效率也是指其输出的有功功率与输入的有功功率之比，变压器的效率也是指其输出的有功功率与输入的有功功率之比，用百分值表示。用百分值表示。用百分值表示。用百分值表示。pp变压器的损耗主要是变压器的损耗主要是变压器的损耗主要是变压器的损耗主要是铁耗铁耗和和和和铜耗铜耗两种。两种。两种。两种。33式中式中常用的几个假设：常用的几个假设：、在额定电压下，空载损耗、在额定电压下，空载损耗P P0 0作为铁耗作为铁耗P PFeFe,并认为铁耗不随并认为铁耗不随负载而变化。负载而变化。、额定电流时的负载损耗、额定电流时的负载损耗P Ps s作为额定电流时的铜耗作为额定电流时的铜耗P PCu,Cu,，并认并认为负载铜耗与负载系统为负载铜耗与负载系统 的平方成正比，故有的平方成正比，故有P Pcucu=2 2P Ps s、计算、计算时，怱略了负载运行时的二次电压的变化，即时，怱略了负载运行时的二次电压的变化，即34第八节第八节 自耦变压器与互感器自耦变压器与互感器一、自耦变压器一、自耦变压器自耦变压器仅有一个绕组，其一、二次自耦变压器仅有一个绕组，其一、二次绕组之间既有磁的耦合，又有电的联系。绕组之间既有磁的耦合，又有电的联系。1 1、工作原理、工作原理实质上，自耦变压器就是利用一个绕组实质上，自耦变压器就是利用一个绕组抽头的办法来实现改变电压的一种变压抽头的办法来实现改变电压的一种变压器。器。额定容量额定容量电压比电压比在不计励磁电流的条件下在不计励磁电流的条件下352 2、容量关系、容量关系自耦变压器的通过容量有两部分组成：自耦变压器的通过容量有两部分组成：一部分是通过绕组公共部分的电磁感应作用，由一次侧传递到二一部分是通过绕组公共部分的电磁感应作用，由一次侧传递到二次侧的电磁容量次侧的电磁容量3 3、自耦变压器的优缺点、自耦变压器的优缺点优点：优点：效率高、用料省、重量轻、体积小。效率高、用料省、重量轻、体积小。缺点：缺点：当变比当变比K 较大时。经济效果不显著。内部绝缘和过压保护较大时。经济效果不显著。内部绝缘和过压保护要加强。要加强。一部分是通过绕组串联部分的电流直接传导到负载的传导容量一部分是通过绕组串联部分的电流直接传导到负载的传导容量36二、互感器二、互感器1 1、电压互感器、电压互感器2 2、电流互感器、电流互感器电压互感器电压互感器测量高电压时，使用电压互感器，测量高电压时，使用电压互感器，将电压降低，使测量更加安全。将电压降低，使测量更加安全。电流互感器电流互感器测量高压线路的电流时，或者测测量高压线路的电流时，或者测量大电流时，使用电流互感器测量大电流时，使用电流互感器测量更加安全，更加方便。量更加安全，更加方便。注意：电压互感器的二次侧不能注意：电压互感器的二次侧不能短路短路注意：使用电流互感器，二次侧注意：使用电流互感器，二次侧绝对不能开路，接入拆除仪表绝对不能开路，接入拆除仪表时必须先将二次侧短路，否则它时必须先将二次侧短路，否则它将处于空载状态。将处于空载状态。37课后练习课后练习l ll ll ll l38