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1、电力变压器,一、变压器概述,变压器是一种常见的电气设备,在电力系统和电子线路中应用广泛。它是一种静止的电气设备,利用电磁感应原理将一种电压、电流的交流电能转换成同频率的另一种电压、电流的电能。换句话说,变压器就是实现电能在不同等级之间进行转换。,在能量传输过程中,当输送功率P =UI cos 及负载功率因数cos 一定时:,电能损耗小,节省金属材料(经济),U I,P = I r,I S,所以远距离输电采用高电压是最为经济的。,发电机的输出电压一般有3.15kV、6.3kV、10.5 kV、 15.75 kV、18 kV、20 kV等几种,因此必须用升压变压器将电压升高才能实现远距离经济输送。
2、电力工业中常采用高压输电低压配电,实现节能并保证用电安全。目前,我国交流输电的电压最高已达750kV。,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。,二、变压器的分类,按用途分类:电力变压器(升压、降压)、仪用变压器(电压互感器、电流互感器)、整流变压器;,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
3、。,1、变压器的原理模型 接交流电源的绕组称为原绕组或称一次绕组,该侧是通入交流电流侧,即吸收电能侧,输入电能侧,也称一次侧。接负载的绕组称为副绕组或称二次绕组,该侧是接负载侧,即输出电能侧,也称二次侧。,三、变压器的工作原理,2、工作原理 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(主磁通),这个交变磁通同时交链着原边绕组和副边绕组。并且在一、二次绕组中分别产生感应电动势。,其感应电动势大小可分别表示为: 式中 、 一、二次绕组的匝数; 磁通变化率。 一次、二次绕组互不相连,能量的传递靠磁耦合。,(1)空载运行情况,3. 电磁关系,一次侧接交流电
4、源,二次侧开路。,空载时,铁心中主磁通是由一次绕组磁通势产生的。,漏磁通主要经过空气或其他非导磁性物质而闭合。,由于漏磁通不经过铁心,所以励磁电流与漏磁通为线性关系。,铁心线圈是一个非线性电感元件,所以励磁电流与主磁通不是线性关系。,磁动势,(2) 带负载运行情况,一次侧接交流电源,二次侧接负载。,有载时,铁心中主磁通是由一次、二次绕组磁通势共同产生的合成磁通。,4. 电压变换(设加正弦交流电压),有效值:,同 理:,主磁通按正弦规律变化,设为 则,(1) 一次、二次侧主磁通感应电动势,根据KVL:,变压器一次侧等效电路如图,由于电阻 R1 和感抗 X1 (或漏磁通)较小,其两端的电压也较小,
5、与主磁电动势 E1比较可忽略不计, 则,(2) 一次、二次侧电压,式中 R1 为一次侧绕组的电阻; X1=L1 为一次侧绕组的感抗(漏磁感抗,由漏磁产生)。,对二次侧,根据KVL:,结论:一次、二次侧电压与匝数成正比。改变匝数比,就能改变输出电压。,式中 R2 为二次绕组的电阻; X2=L2 为二次绕组的感抗; 为二次绕组的端电压。,变压器空载时:,式中U20为变压器空载电压。,故有,5. 电流变换,(一次、二次侧电流关系),有载运行,即:铁心中主磁通的最大值m在变压器空载和有载时基本是恒定的。,不论变压器空载还是有载,一次绕组上的阻抗压降均可忽略,故有,当U1、 f 不变,则 m 基本不变,
6、近于常数。,空载:,有载:,或,结论:一次、二次侧电流与匝数成反比。,或:,可得磁势平衡式:,空载磁势,有载磁势,一般情况下,由于 ,所以 ,如果忽略一、二次绕组本身的阻抗压降这个次要因素时, , 。则 。这就实现了改变电压等级的目的。若二次绕组接上负载,就有电流流过,变压器就向负载输出电能,从而实现了不同电压等级的电能传递。 由分析显而易见,变压器能够改变电压等级的条件是:(1)由铁芯闭合同时交链于一、二次绕组的磁通必须交变;(2)一、二次绕组的匝数应不相等。,四、变压器的结构,图9-3 油浸式电力变压器结构图 1-绕组;2-铁芯;3-油箱;4-分接开关;5-低压套管;6-高压套管;7-气体
7、继电器;8-安全气道;9-油位计;10-储油柜;11-呼吸器;12-铭牌;13-信号式温度计;14-放油阀门,变压器的结构,变压器的磁路,变压器的电路,铁心和绕组是变压器中最主要的部 件,他们构成了变压器的器身。 1、铁心:构成了变压器的磁路,同时又是套装绕组的骨架。铁心由铁心柱和铁轭两部分构成。铁心柱上套绕组,铁轭将铁心柱连接起来形成闭合磁路。 铁心材料:为了提高磁路的导磁性能,减少铁心中的磁滞、涡流损耗,铁心一般用高磁导率的磁性材料硅钢片叠成。其厚度为0.350.5mm,两面涂以厚0.020.23mm的漆膜,使片与片之间绝缘。,变压器的结构,功率损耗,交流铁心线圈的功率损耗主要有铜损和铁损
8、两种。,1. 铜损(Pcu),在交流铁心线圈中, 线圈电阻R 上的功率损耗称铜损,用Pcu 表示。,Pcu = RI2,式中:R是线圈的电阻;I 是线圈中电流的有效值。,2. 铁损(PFe),在交流铁心线圈中,处于交变磁通下的铁心内的功率损耗称铁损,用PFe 表示。,铁损由磁滞和涡流产生。,(1)磁滞损耗(Ph),由磁滞所产生的能量损耗称为磁滞损耗(Ph ) 。,磁滞损耗转化为热能,引起铁心发热。,减少磁滞损耗的措施: 变压器和电机中选用硅钢等材料制作铁心,降低磁滞损耗。,磁滞性:磁性材料中磁感应强度B的变化总是滞后于 外磁场变化H(磁场强度)的性质。,(2)涡流损耗(Pe),涡流损耗: 由涡
9、流所产生的功率损耗。,涡流:交变磁通在铁心内产生感应电动势和电流,称为涡流。涡流在垂直于磁通的平面内环流。,涡流损耗转化为热能,引起铁心发热。,减少涡流损耗措施:,提高铁心的电阻率(通常由于硅钢片)。铁心用彼此绝缘的钢片叠成,把涡流限制在较小的截面内。,2.变压器的效率(),变压器的损耗包括两部分:,铜损 (PCu) :绕组导线电阻的损耗。与负载大小(正比于电流平方)有关。,铁损(PFe ):,变压器的效率为,一般 95% ,负载为额定负载的(5075)%时,最大。,输出功率,输入功率,2、绕组:绕组是变压器的电路部分,它由铜或 铝绝缘导线绕制而成 。 一次绕组(原绕组):输入电能 二次绕组(
10、副绕组):输出电能 它们通常套装在同一个心柱上,一次和二次绕组具有不同的匝数,通过电磁感应作用,一次绕组的电能就可传递到二次绕组,且使一、二次绕组具有不同的电压和电流。 其中,两个绕组中,电压较高的我们称为高压绕组,相应的电压较低的称为低压绕组。,为了绝缘布置方便,通常低压绕组装得靠近铁芯,高压绕组则套在低压绕组的外面,低压绕组与高压绕组之间,以及低压绕组与铁芯之间都留有一定的绝缘间隙和散热油道,并用绝缘纸筒隔开,使绕组有效地散热。 从高、低压绕组的相对位置来看,变压器的绕组又可分为同心式、交迭式。由于同心式绕组结构简单,制造方便,所以,国产的均采用这种结构,交迭式主要用于特种变压器中。,三、
11、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。 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
12、。 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 (分为高压绝缘套管和低压绝缘套管) 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,1035kV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
13、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。 压力释放装置在变压器油箱顶盖上,压力释放装置在保护电力变压器方面起重要作用。充有变压器油的电力变压器,如果内部出现故障或短路,电弧放电就会在瞬间使油汽化,导致油箱内压力极快升高。如果不能极快释放该压力,油箱就会破裂,将易燃油喷射到很大的区域内
14、,可能引起火灾,造成更大破坏,因而通过压力释放装置使油箱内减压防止上述情况发生。,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、变压器的型号: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。,五、变压器的铭牌和技术数据,2、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
15、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 :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 :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 :一次侧加额定电压时,二次侧空载时的端电压。,原边额定电流 :变压器满载运行时,一次侧绕组允许的电流值。对于三相变压器, 为原边额定线电流。 副边额定电流 :变压器满载运行时,二次侧绕组允许的电流值。对于三相变压器, 为副边额定线电流。 单相变压器额定值的关系式: 三相变压器额定值的关系式: 额定频率 :我国工频:50Hz; 还有额定效率、温升等额定值。,六、三相变压器的极性和连接
16、组别,一、绕组的端点标志与极性 首先,我们来了解一下变压器出线端的标志符号,同极性(名)端:由于变压器高、低压绕组交链着同一主磁通,当某一瞬间高压绕组的某一端为正电位时,在低压绕组上必有一个端点的电位也为正,则这两个对应的端点称为同极性端,并在对应的端点上用符号“”标出。 注意:绕组的极性只决定于绕组的绕向,与绕组首、尾端的标志无关。规定绕组相电动势的正方向为从首端指向末端。如高压A相绕组的相电动势为 (简写为 ),其正方向为从A指向X。规定绕组线电动势的正方向为从下表中第一个字母指向第二个字母,如 即表示A、B两相间线电动势的正方向为从A指向B。,对一相绕组首尾端有两种标志的方法,一种是把高、低压绕组的同极性端都标为首端(或尾端),即当同一铁心柱上高、低压绕组首端的极性相