变压器基本工作原理
第1章 变压器的基本知识和结构
1.1变压器的基本原理和分类
一、变压器的基本工作原理
变压器是利用电磁感应定律把一种电压等级的交流电能转换成同频率的另一种电压等级的交流电能。
变压器工作原理图
当原边绕组接到交流电源时，绕组中便有交流电流流过，并在铁心中产生与外加电压频率相同的磁通，这个交变磁通同时交链着原边绕组和副边绕组。原、副绕组的感应分别表示为
则 k N N e e u u ==≈2
12121 变比k ：表示原、副绕组的匝数比，也等于原边一相绕组的感应电势与副边一相绕组的感应电势之比。
改变变压器的变比，就能改变输出电压。但应注意,变压器不能改变电能的频率。
二、电力变压器的分类
变压器的种类很多，可按其用途、相数、结构、调压方式、冷却方式等不同来进行分类。
按用途分类：升压变压器、降压变压器；
按相数分类：单相变压器和三相变压器；
按线圈数分类：双绕组变压器、三绕组变压器和自耦变压器；
按铁心结构分类：心式变压器和壳式变压器；
按调压方式分类：无载（无励磁）调压变压器、有载调压变压器；
按冷却介质和冷却方式分类：油浸式变压器和干式变压器等；
按容量大小分类：小型变压器、中型变压器、大型变压器和特大型变压器。
三相油浸式电力变压器的外形,见图1，铁心和绕组是变压器的主要部件，称为器身见图2，器身放在油箱内部。
1.2电力变压器的结构
一、铁心
1.铁心的材料
采用高磁导率的铁磁材料—0.35～0.5mm厚的硅钢片叠成。
为了提高磁路的导磁性能，减小铁心中的磁滞、涡流损耗。变压器用的硅钢片其含硅量比较高。硅钢片的两面均涂以绝缘漆，这样可使叠装在一起的硅钢片相互之间绝缘。
2.铁心形式
铁心是变压器的主磁路，电力变压器的铁心主要采用心式结构
。
二、绕组
1.绕组的材料
铜或铝导线包绕绝缘纸以后绕制而成。
2.形式
圆筒式、螺旋式、连续式、纠结式等结构。为了便于绝缘，低压绕组靠近铁心柱，高压绕组套在低压绕组外面，两个绕组之间留有油道。变压器绕组外形如图所示
。
三、油箱及其他附件
1.油箱
变压器油的作用：加强变压器内部绝缘强度和散热作用。
要求：用质量好的钢板焊接而成，能承受一定压力，某些部位必须具有防磁化性能。
形式：大型变压器油箱均采用了钟罩式结构；小型变压器采用吊器身式。
2.储油柜
作用：减少油与外界空气的接触面积，减小变压器受潮和氧化的概率。
在大型电力变压器的储油柜内还安放一个特殊的空气胶囊，它通过呼吸器与外界相通，空气胶囊阻止了储油柜中变压器油与外界空气接触。。
3.呼吸器
作用：内装硅胶的干燥器，与油枕连通，为了使潮气不能进入油枕使油劣化。
硅胶对空气中水份具有很强的吸附作用，干燥状态状态为兰色，吸潮饱和后变为粉红色。吸潮的硅胶可以再生。
4.冷却器
作用：加强散热。
装配在变压器油箱壁上，对于强迫油循环风冷变压器，电动泵从油箱顶部抽出热油送入散热器管簇中，这些管簇的外表受到来自风扇的冷空气吹拂，使热量散失到空气中去，经过冷却后的油从变压器油箱底部重新回到变压器油箱内。
5.绝缘套管
作用：使绕组引出线与油箱绝缘。
绝缘套管一般是陶瓷的，其结构取决于电压等级。1kV以下采用实心磁套管，10～35kV采用空心充气或充油式套管，110kV及以上采用电容式套管。为了增大外表面放电距离，套管外形做成多级伞形裙边。电压等级越高，级数越多。
6.分接开关
作用：用改变绕组匝数的方法来调压。
一般从变压器的高压绕组引出若干抽头，称为分接头，用以切换分接头的装置叫分接开关。
分接开关分为无载调压和有载调压两种，前者必须在变压器停电的情况下切换；后者可以在变压器带负载情况下进行切换。分接开关安装在油箱内，其控制箱在油箱外，有载调压分接开关内的变压器油是完全独立的，它也有配套的油箱、瓦斯继电器、呼吸器。
7.压力释放阀
作用：为防止变压器内部发生严重故障而产生大量气体，引起变压器发生爆炸。
8.气体继电器（瓦斯继电器）
作用：变压器的一种保护装置，安装在油箱与储油柜的连接管道中，当变压器内部发生故障时（如绝缘击穿、匝间短路、铁芯事故、油箱漏油使油面下降较多等）产生的气体和油流，迫使气体继电器动作。轻者发出信号，以便运行人员及时处理。重者使断路器跳闸，以保护变压器。
1.3变压器的名牌数据
一、型号
型号表示一台变压器的结构、额定容量、电压等级、冷却方式等内容。
例如：SL-500/10：表示三相油浸自冷双线圈铝线，额定容量为500kVA，高压侧额定电压为10kV级的电力变压器。
二、额定值
额定运行情况：制造厂根据国家标准和设计、试验数据规定变压器的正常运行状态。
表示额定运行情况下各物理量的数值称为额定值。额定值通常标注在变压器的铭牌上。变压器的额定值主要有：
额定容量S N ：铭牌规定在额定使用条件下所输出的视在功率。
原边额定电压U 1N ：正常运行时规定加在一次侧的端电压，对于三相变压器，额定电压为线电压。
副边额定电压U 2N ：一次侧加额定电压，二次侧空载时的端电压。
原边额定电流I 1N ：变压器额定容量下原边绕组允许长期通过的电流，对于三相变压器，I 1N 为原边额定线电流。
副边额定电流I 2N ：变压器额定容量下原边绕组允许长期通过的电流，对于三相变压器，I 2N 为副边额定线电流。
单相变压器额定值的关系式： N N N N N I U I U S 2211==
三相变压器额定值的关系式：N
N N N N I U I U S 221133==
额定频率f N ：我国工频：50Hz ；
还有额定效率、温升等额定值。 2.1变压器的空载运行
变压器空载运行是指变压器原边绕组接额定电压、额定频率的交流电源，副边绕组开路时的运行状态。
变压器空载运行图
一、 空载时各物理量产生的因果关系
二、电势与磁通的大小和相位关系
设主磁通按正弦规律变化,根据电磁感应定律可推导出原绕组感应电势
同理可得
所以，变压器原、副绕组的感应电势大小与磁通成正比，与各自的匝数成正比，感应电势在相位上滞后磁通90°。
三、原边漏电抗和激磁电抗
1.原边漏电抗
2.激磁电抗
四、原副边回路方程和等效电路
1.电动势平衡方程
变压器空载运行时，各物理量的正方向通常按上图标定，根据基尔霍夫电压定律，原边回路方程为
对于电力变压器，空载时原绕组的漏阻抗压降I0Z1很小，其数值不超过U1的0.2%，将
I0Z1忽略，则有
副边回路方程
2.空载时的等效电路
Z1＜＜Z m、r m＜＜x m 。
空载时电路功率因数都很小，空载电流I0主要是无功性质，由于铁磁材料的磁饱和性，引起空载电流I0的波形是尖顶波。
希望空载电流越小越好，因此变压器采用高导磁率的铁磁材料，以增大Z m减少I0。
变压器空载时既吸收无功功率，也吸收有功功率，无功功率主要用于建立主磁通，有功功率主要用于铁耗。
2.2变压器负载运行
变压器负载运行是指变压器原边绕组接额定电压、额定频率的交流电源，副边绕组接负载时的运行状态。
变压器负载运行图
一、负载时电磁关系
1.磁动势平衡关系
从空载到负载，由于变压器所接的电源电压U1不变，且U1≈E1 ，所以主磁通不变，负载时的磁动势等于与空载时的磁动势相等。即磁动势平衡关系
这表明，变压器原、副边电流与其匝数成正比，当负载电流I2增大时，原边电流I1将随着增大，即输出功利增大时，输入功率随之增大。所以变压器是一个能量传递装置，它在变压的同时也在改变电流的大小。
2.原、副边回路方程式
按上图所规定的正方向，根据基尔霍夫电压定律，可写出原、副边回路方程式
二、折算
折算的目的：由于原、副边回路只有磁路的耦合，没有电路的直接联系，为了得到变压器的等效电路，需对变压器进行绕组折算。
折算：就是把副边绕组匝数看成与原边绕组匝数相等时，对副边回路各参数进行的调整。折算原则是折算前后副边磁动势不变、副边各部分功率不变，以保持变压器内部电磁关系不变。
副边各物理量的折算方法：
折算后的基本方程式为
三、负载时的等效电路
1.T形等效电路
根据折算后的基本方程式可以构成变压器的T形等效电路
2.较准确等效电路
由于Z m＞＞Z1，可把“T”形等效电路中的激磁支路移到电源端，便得变压器的较准确等效电路，较准确等效电路的误差很小。
3.简化等效电路
在电力变压器中，I0＜＜I N ，因此，在工程计算中可忽略I0，即去掉激磁支路，将原、副边的漏阻抗合并，而得到变压器的简化等效电路。
对于简化等效电路，可写出变压器的方程组
简化等效电路所对应的相量图
在工程上，简化等效电路及其方程式、相量图给变压器的分析和计算带来很大的便利，得到广泛应用。
2.3 变压器参数的测定
一、空载试验
1.变压器的空载试验目的：求出变比k、空载损耗p k和激磁阻抗Z m。
2.空载试验的接线
通常在低压侧加电压，将高压侧开路
3.空载试验的过程
电源电压由零逐渐升至1.2U1N，测取其对应的U1、I0、p0。
变压器原边加不同的电压，建立的磁通不同，磁路的饱和程度不同，激磁阻抗不同，由于变压器正常运行时原边加额定电压，所以，应取额定电压下的数据来计算激磁阻抗。
由变压器空载时等效电路可知，因Z1＜＜Z m、r1＜＜r m，所以
式中 p0—空载损耗，可作为额定电压时的铁耗。
若要得到以高压侧为原边的激磁参数，可将所测得的激磁参数乘以k2，k等于变压器高压侧一相的电压除以低压侧一相的电压。
对于三相变压器，试验中测定的数据是线电压、线电流和三相总功率，只要换算成一相的数据，就可直接代入上式计算。
二、短路试验
1.短路试验的目的：可测出短路阻抗Z k和变压器的铜耗p k。
2.短路试验的接线:
通常在高压侧加电压，将低压侧短路
3.短路试验的过程
电源电压由零逐渐升高，使短路电流由零逐渐升高至1.2I1N，测取其对应的U k、I k、p k。
注意：由于变压器短路阻抗很小，如果在额定电压下短路，则短路电流可达（9.5～20）I1N，将损坏变压器，所以做短路试验时，外施电压必须很低，通常为（0.05～0.15）U1N，以限制短路电流。
取额定电流点计算，因所加电压低，铁心中的磁通很小，铁耗和励磁电流可以忽略，使用简化等效电路进行分析
p kN：短路损耗，指短路电流为额定电流时变压器的损耗，p kN可作为额定电流时的铜耗。
一般认为：r1=r2′=0.5r k；x1=x2′=0.5x k
将室温下测得的短路电阻换算到标准工作温度75℃时的值，而漏电抗与温度无关。
短路试验在任何一方做均可，高压侧参数是低压侧的k2倍，k等于变压器高压侧一相的电压除以低压侧一相的电压。
对于三相变压器，试验中测定的数据是线电压、线电流和三相总功率，只要换算成一相的数据，就可直接按单相变压器计算。
三、短路电压
短路电压：在短路试验中，当短路电流为额定电流时，原边所加的电压与额定电压之比的百分值，即
短路电压是变压器一个很重要的参数，其大小反映了变压器在额定负载时漏阻抗压降的大小。
从运行角度来看，希望U k小一些，使变压器输出电压随负载变化波动小一些。但U k太小，变压器由于某种原因短路时短路电流太大，可能损坏变压器。一般中、小型电力变压器的U k=4%～10.5%，大型电力变压器的U k=12.5%～17.5%。
四、标么值
标么值：实际值与该物理量某一选定的同单位的基值之比
通常取各物理量对应的额定值作为基值。
取一、二次侧额定电压U1N、U2N作为一、二次侧电压的基值；
取一、二次侧额定电流I1N、I2N作为一、二次侧电流的基值；
一、二次侧阻抗的基值分别为U1N/I1N、U2N/I2N。
在各物理量原来的符号上加上一上标“*”来表示该物理量的标么值。例如，U1*=U1/U1N。
一、外特性和电压变化率
1.外特性
外特性：指原边加额定电压，负载功率因数一定时，副边电压U2随负载电流变化的关系，即U2=f(I2)。
变压器在纯电阻和感性负载时，副边电压U2随负载增加而降低，容性负载时，副边电压随负载增加而可能升高。
2.电压变化率
用变压器的简化相量图可推导出电压变化率的参数表达式
电压变化率的大小与负载的大小成正比。在一定的负载系数下，短路阻抗的标么值越大，电压变化率也越大。当负载为感性时，△U为正值,说明副边电压比空载电压低；当负载为容性时△U有可能为负值。当△U为负值时，说明副边电压比空载电压高。
为了保证变压器的副边波动在±5%范围内，通常采用改变高压绕组匝数的办法来调节副边电压。
二、变压器的损耗和效率
1.变压器的损耗
变压器的损耗包括铁耗和铜耗两大类。铁耗不随负载大小变化，也称为不变损耗；铜耗随负载大小变化，也称为可变损耗。
2.变压器的效率
通过变压器的空载试验和短路试验，测出变压器的空载损耗和短路损耗，就可以方便的计算出任意负载下的效率。
变压器效率大小与负载大小、性质及空载损耗和短路损耗有关。对已制成的变压器，效率与负载大小、性质有关。当负载功率因数一定时，效率特性的效率曲线。
当铁耗（不变损耗）等于铜耗（可变损耗）时效率最大。
由于变压器总是在额定电压下运行，但不可能长期满负载。为了提高运行的经济性，设计时，铁损应设计得小些，一般取βm=0.5～0.6，对应的铜耗与铁耗之比为3～4。变压器额定时的效率比较高，一般在（95～98）%之间，大型可达99%以上。