第二章-变压器
第2章 变压器的运行原理和特性
仅
E U 20 2
Y，d接线 D，y接线
U 1N k 3U 2 N
k
3U1N U2N
由于 R m R1 , X m X 1 ，所以有时忽略漏阻抗，空载等效电路只是一 个Z m元件的电路。在 U1一定的情况下，I 0大小取决于Z m的大小。从运行角度 讲，希望 I 0 越小越好，所以变压器常采用高导磁材料，增大 Z m，减小 I 0 ， 提高运行效率和功率因数。
使
用
1 与 I 0成线性关系； 1）性质上： 0 与 I 0 成非线性关系；
– 变压器各电磁量正方向
• 由于变压器中各个电磁量的大小和方向都随时间以 电源频率交变的，为了用代数式确切的表达这些量 的瞬时值，必须选定各电磁量的正方向，才能列式 子。 • 当某一时刻某一电磁量的瞬时值为正时，说明它与 实际方向一致； 当某一时刻某一电磁量的瞬时值为负时，说明它与 实际方向相反。 • 注：正方向是人为规定的有任选性，而各电磁量的 实际方向则由电磁定律决定。
习
（2）二次侧电动势平衡方程
U1
I 0
0
) (I 2
用
E U 20 2
（3）变比
U 1
U2
E 1
使
E 1
1
E 2
U 20
u2
仅
对三相变压器，变比为一、二次侧的相电动势之比，近似为 额定相电压之比，具体为 Y，d接线
U1N k 3U 2 N
8
供
22
仅
F F F 1 2 0 N I 或 N1 I 1 2 2 N1 I 0 N I I ( 2 ) I I ( 2 ) I I 用电流形式表示 I 2 0 0 1L 1 0 N1 k
第二章 变压器的运行原理
Electric Machinery
本章节重点和难点： 重点: (1)变压器空载运行时磁动势、电动势平衡关系，等值电路和相 量图； (2)变压器负载运行时磁动势、电动势平衡关系，等值电路和相 量图； (3)绕组折算前后的电磁关系； (4)变压器空载实验和短路实验，变压器各参数的物理意义； (5)变压器的运行特性。 难点: (1)变压器绕组折算的概念和方法; (2)变压器的等值电路和相量图； (3)励磁阻抗Zm与漏阻抗Z1的区别； (4)励磁电流与铁芯饱和程度的关系； (5)参数测定、标么值。
空载损耗约占额定容量的（0.2~1）%，随 容量的增大而减小。这一数值并不大，但因为 电力变压器在电力系统中用量很大，且常年接 在电网上，因而减少空载损耗具有重要的经济 意义。工程上为减少空载损耗，改进设计结构 的方向是采用优质铁磁材料：优质硅钢片、激 光化硅钢片或应用非晶态合金。
Electric Machinery
漏电动势 : E1
2 2
fN 1 1
2 fN 1 1
Electric Machinery
E 1 j 2 f
N 1 1
I 0 j 2 fL 1 I 0 j I 0 x 1
I0
x 1 2 f
N1
2
为一次侧漏抗，反映漏磁通的作用。
第二章主变压器
4.8 分接开关：为了使变压器的输出电压控制在允许变化的范围内，而在变压器 的一次绕组侧装接的开关。它可与一次绕组的不同分接头连接，从而改变一次绕组 的匝数，达到调节输出电压的目的。分无励磁(以前称无载)和有载调压.
有载调压：变压器出线侧电压的波动来自两个方面，一是进线电源的电压波动， 二是负载变化使压降变化。若电网中没有调压措施，则线路末端电压波动可达20％ 以上。负载的变化直接影响变压器出线端侧的电压。负载小，变压器出线端的电压 偏高（变压器容量不变的情况下）；负载大，变压器出线端电压偏低。当电压太低 时，变压器便不能正常工作，严重者造成停电事故。有载调压的目的就是当负荷波 动时，在一定范围内进行调压，以维持电压平衡，保证供电质量。
4.9 绝缘套管：由瓷套和导电杆组成。其作用是使高、低压绕组的引出线与变 压器的箱体绝缘。
4.10 测温装置：测量装置用于监视变压器运行时变压器油的温度。中小型变 压器一般采用水银温度计，大型变压器通常采用压力式温度计。当油温达到指定值 时，发出信号或起动冷却系统工作。
4.11 变压器油：变压器油主要有绝缘、散热和消弧作用。要求油的介质强度 高，粘度低，发火点高，凝固点低，不含酸、碱、硫、灰尘和水分等杂质。
电机学-变压器
2、磁滞电流分量Ih ：Ih与-E1同相位，
是有功分量电流。
3、涡流电流分量Ie： Ie与-E1同相位
Ie由涡流引起的，与涡流损耗对应，
所以：又由于Ih和Ie同相位，合并称为铁耗电流分量，用IFe表示。
空载时励磁电流
❖ Iu——磁化电流，无功性质，为主要分量 ❖ Ife——铁耗电流，有功性质，产生磁滞（Ih）
e2有效值E2 E2m / 2 2f N2 m
图2-8
2、电压变比
❖ 变比——初级电压与次级空载时端点电压之比。 ❖ 电压变比k 决定于初级、次级绕组匝数比。 ❖ 略去电阻压降和漏磁电势
k U1 E1 N1 U 20 E2 N2
四、励磁电流的三个分量
❖ 忽略电阻压降和漏磁电势，则U1＝E1＝4.44fN1m。 m∝U1即：当外施电压U1为定值，主磁通m也 为一定值
k＝N1/N2＝1
一)次级电流的归算值
归算前后磁势应保持不变
I
' 2
N
' 2
I2N2
I
' 2
I2
N2
N
' 2
I2
N2 N1
I2 / k
❖ 物加理 了k意倍义。：为当保用持N磁2＝势N不1替变代。了次N级2电，流其归匝算数值增 减小到原来的1／k倍。
二)次级电势的归算值
归算前后次级边电磁功率应不变 ❖ E2I2＝E2I2
❖ 励磁电流的值决定于主磁通 m，即决
定于E1。
u1≈E1=4.44fN1Φm
电磁现象
返回
2、基本方程式
返回
3、归算
❖ 绕组归算——用一假想的绕组替代其中一个 绕组使成为k＝1的变压器。
第2章 变压器的基本作用原理与理论分析
3、油枕 4、高低压绝缘套管 5、油标` 6、起吊孔
1、油箱
2、散热管
7、铭牌
18
大型电力变压器
19
五、变压器的额定值
1 额定容量S N (kVA) : 、
指铭牌规定的额定使用条件下所能输出的视在功率。
2 额定电流I1N 和I 2 N ( A) : 、
指在额定容量下，允许长期通过的额定电流。在三相 变压器中指的是线电流
铁轭
铁芯柱
铁芯叠片
装配实物
11
铁芯各种截面
充分利用空间
提高变压器容量
减小体积。
12
㈡、绕组
变压器的电路，一般用绝缘铜线或铝线绕制而成。
按照绕组在铁芯中的排列方法分为：铁芯式和铁壳式两类 按照变压器绕组的基本形式分为：同芯式和交叠式两种．
1、铁芯式:
（1）、每个铁芯柱上都套有
高压绕组和低乐绕组。为了绝
3 额定电压U1N 和U 2 N (kV ) : 、
指长期运行时所能承受的工作电压（ 线电压）
U1N是指加在一次侧的额定 电压,U 2 N 是指一次侧加 U1N时二次的开路电压对三相变压器指的是线 . 电压.
20
三者关系：
单相 : S 三相 : S
N N
U 1 N I1 N U 2 N I 2 N 3U1N I1N 3U 2 N I 2 N
同理，二次侧感应电动势也有同样的结论。
则:
e2 N 2 d 0 2fN 2 m sin(t 90 0 ) E2 m sin(t 90 0 ) dt
有效值: E2 4.44 fN2m
相量:
E2 j 4.44 fN2m
25
⒉ E1﹑E2在时间相位上滞后于磁通 0 900. 其波形图和相量图如图2—8所示
第2章 变压器的工作原理和运行分析
SN SN ，I 2 N 3U 1 N 3U 2 N
注意！对于三相系统，额定值都是指线间值。
第二节 变压器空载运行
空载：一次侧绕组接到电源，二次侧绕组开路。 一、电磁现象
u1
Φm
i0
Φ 1σ
e1 e1σ
N1
N2
e2
u20
i
二、参考方向的规定
e
i i
e
e
三、变压原理、电压变比
对于变压器的原边回路，根据电路理论有：
u1 i0 r1 e1 e1
空载时 i0r1 和 e1σ 都很小，如略去不 计，则 u1 = - e1 。设外加电压 u1 按 正弦规律变化，则 e1 、Φ 和e2 也都 按正弦规律变化。 设主磁通 m sin t ，则：
u1
Φm
u1
Φm
e1
e2
ωt 0 180° 360°
现在的问题是，要产生上述大小的主磁通 Φm ，需 要多大（什么样）的激磁电流 Im ？
励磁电流的大小和波形受磁路饱和、磁滞及涡 流的影响。
1、磁路饱和对励磁电流的影响
mm mm
i0 tt
00
i0i0 tt
00
i0 i0
tt
tt
磁路不饱和时，i0 ∝φ，其波形为正弦波。
磁路饱和时，i0与φ 不成线性关系，φ越大，磁路 越饱和，i0/φ比值越大，励磁电流的波形为尖顶波。
六、漏抗 漏电势的电路模型与励磁特性的电路模型类似， 只是漏磁通所经路径主要为空气，磁阻大，磁通量 小，磁路不饱和，因此可以忽略漏磁路的铁耗，即 漏电势的电路模型中的等效电阻为零，即漏电势
第二章 变压器习题及其答案
第二章 变压器2-1 什么叫变压器的主磁通，什么叫漏磁通？空载和负载时，主磁通的大小取决于哪些因素？答：变压器工作过程中，与原、副边同时交链的磁通叫主磁通，只与原边或副边绕组交链的磁通叫漏磁通。
由感应电动势公式Φ=1144.4fN E 可知，空载或负载情况下11E U ≈，主磁通的大小取决于外加电压1U 、频率f 和绕组匝数1N 。
2-2 一台50Hz 的变压器接到60Hz 的电源上运行时，若额定电压不变，问激磁电流、铁耗、漏抗会怎样变化答：（1）额定电压不变，则'1'11144.444.4Φ=Φ=≈N f fN E U N又5060'=f f ⇒6050'=ΦΦ， 即Φ=Φ5'磁通降低，此时可认为磁路为线性的，磁阻sl R m μ=不变，励磁磁势m m R N I Φ=⋅1，∴m m I I 65'=； （2）铁耗：βαf B p m Fe ∝，βα> 铁耗稍有减小；（3）σσσπ11''1562x L f x =⋅=， σσσπ22''2562x L f x =⋅= 2-3 在导出变压器的等效电路时，为什么要进行归算？归算是在什么条件下进行的？ 答：因为变压器原、副边只有磁的联系，没有电的联系，两边电压21E E ≠、电流不匹配，必须通过归算，才能得到两边直接连接的等效电路；归算原则：保持归算前后副边的磁动势不变。
2-4 利用T 型等效电路进行实际问题计算时，算出的一次和二次侧电压、电流和损耗、功率是否为实际值，为什么？答：一次侧没有经过归算，所以为实际值；二次侧电压、电流不是实际值，因为归算前后绕组匝数不同，但损耗、功率为实际值。
2-5 变压器的激磁阻抗和等效漏阻抗如何测定？答：激磁阻抗由空载试验测量；等效漏阻抗由短路试验测量。
（具体测量方法略）2-14 有一台三相变压器，额定容量kKA S N 5000=，额定电压kV kV U U N N 3.61021=，Y ,d 联结，试求：（1）一次、二次侧的额定电流；（2）一次、二次侧的额定相电压和相电流。
第二章变压器运行规程
第十五条 运行中的变压器每1小时应进行一次外部检查，检查项目如下：
1、变压器的油温和温度计应正常，各部位无渗油、漏油。
2、油枕充油正常，油色透明，油枕油色介于清和浅棕色之间。
3、套管外部无破损裂纹、无严重油污、无放电痕迹及其它异常现象。
第八条 变压器的并列运行
1、高压或低压厂用变压器不能长期并列运行，以防止电压不等产生环流。
2、厂用变压器充电应在装有保护装置的高压侧进行。厂用变压器在并列前应尽可能将高压侧电源联络起来或调整一次电压接近以减少环流。
3、变压器并列时应符合下列条件：
a.绕组接线组别相同
b.电压比相同（相差不超过±5%）
7、高压侧装有断路器，低压侧装有闸刀开关的变压器，拉闸时，先拉闸刀开关，合闸时，先合断路器，即用闸刀开关拉合环流。（变压器并列运行时）
8、新安装或大修后的变压器，以及因内部故障使保护动作跳闸的变压器，在投运前应用发电机做零起升压试验。
第四条 变压器的充电应由高压电源侧用开关进行。停电时应先停负载侧，后停电源侧。严禁变压器从低压侧向高压侧倒充电。变压器在投运前应先投入其冷却装置。
第二章 变压器运行规程
第三章 变压器概况
我厂#1、2、3主变高备变为双绕组变压器，油浸风冷方式，低厂变、电除尘变、3号励磁变、输煤变为干式变压器。各铭牌参数如下:
#1、2主变 #3主变 高备变
型号 SF9-31500/38.5 SF9-75000/38.5 SFZ10-10000/35GY
3、变压器投入运行前的外部检查项目如下：
（1）油枕和充油套管油位正常，油色应透明，油枕的油色应介于清与浅棕色之间，各处不漏油。
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第二章 变压器2-1 什么叫变压器的主磁通，什么叫漏磁通？空载和负载时，主磁通的大小取决于哪些因素？答：变压器工作过程中，与原、副边同时交链的磁通叫主磁通，只与原边或副边绕组交链的磁通叫漏磁通。
由感应电动势公式Φ=1144.4fN E 可知，空载或负载情况下11E U ≈，主磁通的大小取决于外加电压1U 、频率f 和绕组匝数1N 。
2-2 一台50Hz 的变压器接到60Hz 的电源上运行时，若额定电压不变，问激磁电流、铁耗、漏抗会怎样变化答：（1）额定电压不变，则'1'11144.444.4Φ=Φ=≈N f fN E U N又5060'=f f ⇒6050'=ΦΦ， 即Φ=Φ5'磁通降低，此时可认为磁路为线性的，磁阻sl R m μ=不变，励磁磁势m m R N I Φ=⋅1，∴m m I I 65'=； （2）铁耗：βαf B p m Fe ∝，βα>Θ铁耗稍有减小；（3）σσσπ11''1562x L f x =⋅=， σσσπ22''2562x L f x =⋅= 2-3 在导出变压器的等效电路时，为什么要进行归算？归算是在什么条件下进行的？ 答：因为变压器原、副边只有磁的联系，没有电的联系，两边电压21E E ≠、电流不匹配，必须通过归算，才能得到两边直接连接的等效电路；归算原则：保持归算前后副边的磁动势不变。
2-4 利用T 型等效电路进行实际问题计算时，算出的一次和二次侧电压、电流和损耗、功率是否为实际值，为什么？答：一次侧没有经过归算，所以为实际值；二次侧电压、电流不是实际值，因为归算前后绕组匝数不同，但损耗、功率为实际值。
2-5 变压器的激磁阻抗和等效漏阻抗如何测定？答：激磁阻抗由空载试验测量；等效漏阻抗由短路试验测量。
（具体测量方法略）2-14 有一台三相变压器，额定容量kKA S N 5000=，额定电压kV kV U U N N 3.61021=，Y ,d 联结，试求：（1）一次、二次侧的额定电流；（2）一次、二次侧的额定相电压和相电流。
解：（1）A A U S I N N N 68.2881035000311=⨯==A A U S I N N N 21.4583.635000322=⨯==（2）原边Y 联结：kV kV U U N N 77.5310311===Φ A I I N N 68.28811==Φ 副边∆联结：kV U U N N 3.611==Φ A A I I N N 55.264321.458311===Φ 2-16 有一台单相变压器，已知参数为：Ω=19.21R ，Ω=4.151σX ，Ω=15.02R ，Ω=964.02σX ，Ω=1250m R ，Ω=12600m X ，26087621=N N 。
当二次侧电压V U 60002=，电流A I 1802=，且8.0cos 2=ϕ（滞后）时：（1）画出归算到高压侧的T 型等效电路；（2）用T 型等效电路和简化等效电路求1•U 和1•I ，并比较其结果。
解：（1）归算到高压侧：Ω=19.21R Ω=4.151σX Ω=1250m R Ω=12600m XΩ=Ω⎪⎭⎫⎝⎛==70.115.0260876222'2R k RΩ=Ω⎪⎭⎫ ⎝⎛==94.10964.0260876222'2σσX k X（2）T 型等效电路如图示： 设V U k U ο0202152'2∠==•• 则A k I I ο88.3642.53'2-∠==••()Vj A V Z I U E E οοο15.14.2064294.1070.188.3642.53020215'2'2'2'21∠=Ω+⋅-∠+∠=+=-=-••••()A j V Z E I mm οο18.8363.112600125015.14.206421-∠=Ω+∠=-=•••&''LZ ''&A A A I I I m οοο12.3856.5488.3642.5318.8363.1'21-∠=-∠+-∠=+=•••V Z I E U ο70.24.212791111∠=⋅+-=•••简化等效电路如右图：Ω=+=89.3'21R R R kΩ=+=34.26'21σσX X X kA I I ο88.3642.53'21-∠==••V Z I U U k ο80.20.21254121∠=⋅+=•••由于在满载的情况下1I I m 〈〈，励磁支路可以忽落不计，所以两种方法计算的结果相差不大，在误差允许的范围之内。
2-17 在图中，各铅垂线上对应的高、低压绕组绕于同一铁心柱上。
已知A 、B 、C 为正相序，试判断联结组a 和b 的组号。
由图可以看出两组均为Y,d72-19 有一台1000kV A ，10kV/6.3kV 的单相变压器，额定电压下的空载损耗为4900W ，空载by E &E &E &abE &AE &BE &C E &ABE &BCE &CAE &A BCaybzcxI &''LZ ''I &AE &BE &C E &ABE &BCE &CAE &A BCazbxcyabE &电流为0.05（标幺值），额定电流下c ο75时的短路损耗为14000W ，短路电压为5.2%（百分值）。
设归算后一次和二次绕组的电阻相等，漏抗亦相等，试计算：（1）归算到一次侧时T 型等效电路的参数；（2）用标幺值表示时近似等效电路的参数；（3）负载功率因数为0.8（滞后）时，变压器的额定电压调整率和额定效率；（4）变压器的最大效率，发生最大效率时负载的大小（8.0cos 2=ϕ）。
解：（1）归算到一次侧等效电路的参数：空载试验在低压侧进行V U U N 630020==， A A I I I N 94.73.610005.0200=⋅=⋅=*折算到高压侧：Ω=Ω⋅⎪⎭⎫ ⎝⎛=⋅=19694.749003.610222002I P k R mΩ=Ω⋅⎪⎭⎫ ⎝⎛==200094.763003.6102002I U k Z mΩ=Ω-=-=4.199019620002222m m m R Z X短路试验在高压侧进行V kV U U U N k k 52010%2.5%1=⋅=⨯= A A U S I I N N N k 10010100011==== 所以：Ω=Ω==4.110014000227575k c k c k I P R οο Ω=Ω==2.5100520k k k I U Z Ω=Ω-=-=0.54.12.5222752c k k k R Z X ο即：Ω===70.0275'21c k R R R ο，Ω===5.22'21kX X X σσ （2）标幺值：高压侧的电阻基准值Ω===10012111NNN N b S U I U Z∴96.1==*b m mZ R R ， 9.19==*b m m Z X X 014.0==*b k k Z R R ， 05.0==*bk k Z X X（3）变压器额定电压调整率和额定效率：()%12.4%100)6.005.08.0014.0(1%100sin cos 22=⨯⨯+⨯⨯=⨯+=∆***ϕϕk k N X R I U%69.97%100100=⨯⎪⎪⎭⎫⎝⎛+++-=P P P P P N k N η（4）变压器效率最大时，可变损耗等于不变损耗5916.01400049000===*k P P I 最大效率：%97.97cos 1020max =⋅++⋅+-=***kNN kNP I P I S P I P ϕη2-20 有一台三相变压器，kKA S N 5600=，kV kV U U N N 3.61021=，Y ,d11联结组。
变试求一次侧加额定电压时：（1）归算到一次侧时近似等效电路的参数（实际值和标幺值）；（2）满载且8.0cos 2=ϕ（滞后）时，二次侧电压2•U 和一次侧电流1•I ；（3）满载且8.0cos 2=ϕ（滞后）时的额定电压调整率和额定效率。
解：（1）归算到一次侧时近似等效电路的参数916.03.631021===NphNph U U k 空载试验在低压侧，折算到高压侧：()Ω=Ω⨯⋅=⋅=19.10434.736800916.03222002phm I P k RΩ=Ω⋅==26.123734.76300916.02002I U kZ m Ω=Ω-=-=8.123219.10426.12372222m m m R Z X短路试验在高压侧进行 所以：Ω=Ω⨯==058.0323318000322kph k k I P RΩ=++=069.0255.234755.23475k c k R R οΩ=Ω==9831.03233550kphkph k I U Z Ω=-=981.02752c k k k R Z X ο标幺值：高压侧的电阻基准值Ω===857.173121111N Nph NphNph N S U I U Z∴84.51==*N m mZ R R ， 10.691==*N m m Z X X 00325.01==*N k k Z R R ， 0549.01==*Nk k Z X X (3) 电压调整率和效率：()036.0%100)6.00549.08.000325.0(1%100sin cos 22=⨯⨯+⨯⨯=⨯+=∆***ϕϕk k N N X R I U%45.99%100cos 1020=⨯⎪⎪⎭⎫⎝⎛+++-=P P S P P N k N ϕη（2）()()V V U U U N ph 2.6073036.016300122=-=∆-= 满载时A A U S I I N N N 32.32310356003111=⨯=== 设V U ο02.60732∠=•，则由简化等效电路可知V I I ο88.3632.323'21-∠==••2-23 某变电所有两台组号为Y ,yn0的三相变压器并联运行，其数据为第一台：kKA S N 180=，kV kV U U N N 4.03.621=，07.0=*k Z ； 第二台：kKA S N 320=，kV kV U U N N 4.03.621=，065.0=*k Z 。