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1、第一篇 变压器第二章 变压器的基本作用原理与理论分析本章的主要内容：1、 变压器的类别和结构2、 变压器的空载运行3、变压器的负载运行4、标幺值5、参数的测定6、变压器的运行性能电力变压器v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。v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，电能传送不出去。只有高电压能将电能输送到远方只有高电压能将电能输送到远方。 配电变压器配电变压器第一节 电力变压
2、器的基本结构和额定值一、变压器的主要类别一、变压器的主要类别变压器的主要分类：v一种静止的电机静止的电机v将一种电压的电能转换为另一种电压的电能一种电压的电能转换为另一种电压的电能。v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:大型电解电镀、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。v按电压分类：升压变压器、降压变压器；v按相数分类：单相变压器、三相变压器；v按绕组数分类：双绕组变压器、三绕组变压器和自耦变压器；v按铁心结构分类：心式变压器和组式变压器；v按调压方式分类：无载调压变压器、有载调压变压器；v按冷却介质和冷却方式分类：油浸式变压
3、器和干式变压器等；v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。二、电力变压器的基本结构（主要结构部件）v铁芯铁芯 铁芯铁芯v带有绝缘的绕组绕组 绕组绕组v变压器油变压器油 油油v油箱油箱 油箱油箱v绝缘套管绝缘套管 套管（一)、铁芯变压器的磁路v电力变压器的铁心是由0.35mm厚的冷轧硅钢片叠成。减少涡流损耗，提高导磁系数。铁心柱铁轭铁芯的交叠装配v单相变压器铁心叠法，偶数层刚好压着奇数层的接缝，从而减少了磁路和磁阻，使磁路便于流通 接逢处气隙小v可以避免涡流在钢片之间流通v三相芯式变压器的铁心排列法，主要使叠缝相互交叠，从而减少磁路的磁阻 (二)绕组变压器的电路v变压
4、器绕组一般为绝缘扁铜线或绝缘圆铜线在绕线模上绕制而成。v为便于制造、在电磁力作用下受力均匀以及机械性能良好，绕组线圈作成圈形。v按照绕组在铁芯中的排列方法分类，变压器可分为铁芯式和铁壳式两类 v基本型式：同芯式，交叠式同芯式，交叠式 单相芯式变压器铁心及绕组：v绕组同芯同芯套装在变压器铁心柱上，低压绕组在内层，高压绕组套装在低压绕组外层，以便于绝缘。 铁壳式变压器铁壳式变压器 v变压器的铁芯柱在中间，铁轭在两旁环绕，且把绕组包围起来 v结构比较坚固、制造工艺复杂，高压绕组与铁芯柱的距离较近，绝缘也比较困难 v通常应用于电压很低而电流很大的特殊场合，例如，电炉用变压器。这时巨大的电流流过绕组将使
5、绕组上受到巨大的电磁力，铁壳式结构可以加强对绕组的机械支撑，使能承受较大的电磁力。 (三)变压器油冷却、绝缘变压器油起两个作用：v绝缘：绕组与绕组、绕组与铁心及油箱之间v散热: (内部油泵强迫油循环，外部用变压器风扇吹风或用自来水冲淋变压器油箱)v(四)油箱主油箱：机械支撑、冷却散热油箱形式：平滑油箱 50kVA波形油箱管形油箱 200kVA散热器油箱25006300kVA(四)油箱主油箱：机械支撑、冷却散热 保护作用：1、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。2、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
6、免油箱爆裂。返回3、变压器运行时产生热量，使变压器油膨胀，储油柜中变压器油上升，温度低时下降。储油柜使变压器油与空气接触面较少， 减缓了变压器油的氧化过程及吸收空气中的水分的速度。呼吸呼吸(五)绝缘套管 v绝缘套管由中心导电杆与瓷套组成。 (导电杆穿过变压器油箱、在油箱内的一端与线圈的端点联接，在外面的一端与外线路联接。)v在瓷套和导电杆间留有一道充油层充油套管v套管外形常做成伞形，电压愈高、级数愈多电压愈高、级数愈多。返回三、变压器的额定值 v额定容量SN额定条件下使用时输出能力的保证值。单位为VA或kVA。对三相变压器指三相的总容三相变压器指三相的总容量量。v额定电压变压器在空载时额定分接
7、头上的电压在空载时额定分接头上的电压保证值保证值。单位为V或kV。 （当变压器初级侧在额定分接头处接有额定电压U1N，次级侧空载电压即为次级侧额定电压U2N。）注：对三相变压器，铭牌上的额定电压指线电压铭牌上的额定电压指线电压v额定电流额定容量除以各绕组的额定电压所计算出来的线电流值。单位用A或kA。 v电力变压器的额定频率是50Hz 额定值的关系v单相变压器v三相变压器返回变压器电路理论及其运行特性版权所有， 2000 Southeast University Electrical Engineering Department .第二节 变压器空载运行空载运行：空载空载指一侧绕组接到电源（指
8、一侧绕组接到电源（初级初级 1），另一），另一侧绕组（侧绕组（次级次级 2）开路）开路。1 电磁物理现象2励磁电流 4 电路方程 等效电路 相量图3 励磁特性的电路模型一、电磁物理现象空载电流i0，i1i0。全部用以励磁全部用以励磁励磁电流励磁电流im，i0im励磁电流产生励磁磁势imN1，建立交变磁场磁场的磁通磁场的磁通v 与 1 都是交变磁通交变磁通v在绕组中感应交变电势交变电势 磁场的磁通：磁场的磁通：分为主磁通和漏磁通两部分分为主磁通和漏磁通两部分磁路不同，因而磁阻不同磁路不同，因而磁阻不同。主磁通 同时交链初级、次级绕组，又称为互磁通，路径为沿铁芯而闭合的磁路，磁阻较小。漏磁通 1
9、只交链初级绕组，称初级侧漏磁通，它所行经的路径大部分为非磁性物质，磁阻较大。功能不同功能不同。主磁通通过互感作用传递功率主磁通通过互感作用传递功率，漏磁通不传递功率。二、正方向的规定v箭头方向表示正方向箭头方向表示正方向v规定电流的正方向与该电流所产生的磁通正方向符规定电流的正方向与该电流所产生的磁通正方向符合合“右手螺旋右手螺旋”定则，规定磁通的正方向与其感应定则，规定磁通的正方向与其感应电势的正方向符合电势的正方向符合“右手螺旋右手螺旋”定则。定则。v电流正方向与电势正方向一致电流正方向与电势正方向一致。v方向规定：电压u1与电流i0同方向，磁通正方向与电流正方向符合右手螺旋定则，e的正方
10、向与电流同方向。这样e1=N1d/dt成立。v例如正在增加，d/dt为正，e1 N1d/dt0为负，若外电路能使e1产生电流，其电流方向必与i0正方向相反，该电流产生磁通，与方向相反，起阻止增加的作用，即符合楞次定律。三、感应电势，电压变比图2-8v变比变比初级电压初级电压与与次级次级空载时空载时端点电压端点电压之比之比。v电压变比电压变比k 决定于初级、次级绕组匝数比。v略去电阻压降和漏磁电势 2、电压变比四、励磁电流的三个分量v忽略电阻压降和漏磁电势，则U1U1E1E14.44fN4.44fN1 1 m m。mU1即：当外施电压U1为定值，主磁通m也为一定值v问题：一一台台结结构构已已定定
11、的的变变压压器器当当外外施施电电压压为为已已知知，需需要要电电源源提提供供多多大大的的励励磁磁电电流流呢呢? ?励励磁磁电电流流包包括括哪哪些成分呢些成分呢? ?v答答：决决定定于于变变压压器器的的铁铁芯芯材材料料及及铁铁芯芯几几何何尺尺寸寸。因为铁芯材料是磁性物质，励磁电流的大小和波形将受磁路饱和、磁滞及涡流的影响。v励磁电流实际包含I、Ih和Ie三个分量：1、磁化电流、磁化电流I：I与m同相位， I滞后于-E1 90 I具有具有无功电流性质无功电流性质，它是励磁电流的主，它是励磁电流的主要成分要成分。2、磁滞电流分量、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
12、量涡流电流分量Ie： Ie与-E1同相位 Ie由涡流引起的，与涡流损耗对应，所以：所以：又由于Ih和Ie同相位，合并称为铁耗电流分量铁耗电流分量，用IFe表示。空载时励磁电流vIu磁化电流，无功性质，为主要分量vIfe铁耗电流，有功性质，产生磁滞（Ih）和涡流损耗（Ie）五、励磁特性的电路模型Xm是主磁通引起的电抗，为励磁电抗6、漏抗v描述漏磁电势的电路参数描述漏磁电势的电路参数。由于漏磁通所经路径主要为非磁性物质（空气），磁阻为常数。即漏磁通与产生该漏磁通的电流成正比且同相位，漏电感亦为常数。7、空载电路方程等效电路rm+jXm上的压降表示主磁通对变压器的作用（随外施电压的增加而减小由于饱和
13、影响）X1表示漏磁通对电路的影响，近似为常数相量图U2（参考方向）、E2E1与U2方向一致m超前E1 90度Im超前m 一个角度U1第三节 变压器的负载运行变压器负载运行负载运行：指一侧绕组接电源，另一侧负载运行：指一侧绕组接电源，另一侧绕组接负载运行绕组接负载运行。1 负载时的电磁物理过程2 基本方程式3 归算4 归算后的分析返回1、负载时的电磁物理现象v变压器的初级、次级绕组没有电的联系，功率传递依靠互感。在功率传递过程中应满足能量守恒，在在功率传递过程中应满足能量守恒，在电路上需满足电压平衡、磁路上需满足磁势平衡电路上需满足电压平衡、磁路上需满足磁势平衡。mN1N2Next次级电流的影响
14、v次级电流的存在、建立起次级磁势，它也作用在铁芯磁路上。改变了原有的磁势平衡状态，迫使主磁通变化，导致电势也随之改变。电势的改变又破坏已建立的电压平衡，迫使原电流随之改变，直到电路和磁路又达到新的平衡为止。v（磁势平衡式） v负载时作用在主磁路上的全部磁势应等于产负载时作用在主磁路上的全部磁势应等于产生磁通所需的励磁磁势生磁通所需的励磁磁势。初级、次级电流间的约束关系v表明当有负载电流时。初级电流表明当有负载电流时。初级电流I I1 1应包应包含有二个分量。其中含有二个分量。其中ImIm用以激励主磁通。用以激励主磁通。I I1L1L所产生负载分量磁势所产生负载分量磁势I I1L1LN N1 1
15、，用以抵消用以抵消次级磁势次级磁势I I2 2N N2 2对主磁路的影响。对主磁路的影响。v励磁电流的值决定于主磁通 m，即决定于E1。u1E1=4.44fN1m电磁现象返回2、基本方程式返回3、归算v绕组绕组归算归算用一假想的绕组替代其中一个绕组使成为k1的变压器。v归算量在原符号加上标号 区别，归算后的值称为归算值或折算值。v原则：原则：归算不改变实际变压器内部的电磁平归算不改变实际变压器内部的电磁平衡关系衡关系归算方法一次级侧归算到初级侧次级侧归算到初级侧v保持初级绕组匝数N1不变设想有一个匝数为N 2 =N1的次级绕组，用它来取代原有匝数为N2的次级绕组。满足变比：kN1/N 21。归
16、算方法二初级侧归算到次级侧初级侧归算到次级侧v保持次级绕组匝数N2不变，设想有一个匝数为N 1 N2的初级绕组，用它来取代初级有匝数为N1的初级绕组。kN 1/N21一)次级电流的归算值v物理意义：当用N 2N1替代了N2，其匝数增加了k倍。为保持磁势不变。次级电流归算值减小到原来的1k倍。归算前后磁势应保持不变归算前后磁势应保持不变二)次级电势的归算值归算前后次级边电磁功率应不变归算前后次级边电磁功率应不变v E 2I 2E2I2v物理意义：当用N 2替代了N2，其匝数增加到k倍。而主磁通 m及频率f均保持不变，归算后的次级电势应增加k倍。三)电阻的归算值归算前后铜耗应保持不变归算前后铜耗应
17、保持不变v物理意义：当用N 2替代N2后，匝数增加到k倍，次级绕组长度增加到k倍；次级电流减到为原来的l/k倍，归算后的次级绕组截面积应减到原来的lk倍，故归算后的次级电阻应增加到原来的k2倍。（绕组本身没有绕组本身没有变化变化）四)漏抗的归算值归算前后次级漏磁无功损耗应保持不变归算前后次级漏磁无功损耗应保持不变v物理意义：绕组的电抗和绕组的匝数平方成正比。由于归算后次级匝数增加了k倍，故漏抗应增加到k2倍。返回4、归算后的基本方程归算后的T形等效电路相量图v注注意意：相量图的作法必须与方程式的写法一致，而方程式的写法又必须与所规定的正方向一致。v变压器的相量图包括三个部分：次级侧电压相量图；
18、电流相量图或磁势平衡相量图；初级侧电压相量图。相量图作图步骤v首先选定一个参考相量、且只能有一个参考相量。常以U 2为参考相量，根据给定的负载画出负载电流相量I 2。v根据次级侧电压平衡式E 2U 2+I 2Z 2可画出相量E 2，由于E1E 2，因此也可画出相量E1。v主磁通m应超前E1 90，激磁电流又超前m一铁耗角。v由磁势平衡式I1=Im+(-I 2)求得I1。v由初级侧电压平衡式U1=-E2+I1Z1求得I1。变压器的实用相量图近似等效电路v把激磁支路移至端点处。把激磁支路移至端点处。计算时引起的误差不大：变压器的激磁电流(即空载电流)为额定电流的3-8，（大型变压器不到1）。简化等
19、效电路v略去激滋电流略去激滋电流（支路）常用于定性分析注意简化的近似假设注意简化的近似假设返回第四节 标幺值v对各个物理量选一个固定的数值作为基值，取实际值与基值之比称为该物理量的标么值标么值用下标“* *”v基值（基值（采用下标“b b”） 电压基值额定电压 U1b=U1N,U2b=U2N 电流基值额定电流 I1b=I1N,I2b=I2N 功率基值额定容量 SbSN 阻抗基值额定电压与额定电流之商初级、次级侧各物理量应采用不同基值初级、次级侧各物理量应采用不同基值标幺值=实际值/基值 标么值的优点：1计算方便，容易判断计算错误计算方便，容易判断计算错误 因为取额定值作为基值，当实际电压为额定
20、电压和实际电流为额定电流时，用标么值计算就作为1。2采用标么值计算同时也起到了归算作用采用标么值计算同时也起到了归算作用 这是由于初级、次级侧分别采用了不同基值，且已包含有变比关系。3采用标么值更能说明问题采用标么值更能说明问题标幺值=实际值/基值 返回第五节 参数测定方法参数测定方法v空载试验：测定励磁电阻rm和励磁电抗xmv短路试验：计算参数短路电阻rk和短路电抗xk一、空载试验试验可在高压侧测量也可在低压侧测量，视实际测量方便而定。如令高压侧开路，在低压侧进行测量，如令高压侧开路，在低压侧进行测量，测得的数据是低压侧的值，计算的励磁阻抗也是测得的数据是低压侧的值，计算的励磁阻抗也是归归算
21、至算至低压侧的值低压侧的值。 空载特性曲线u0=f(I0)v方法：一侧加压，另一侧开路v通过调压器给变压器供电，调压器输出电压U10, 从1.2UN到0.3UN取8-9点，每点均测出P0，I0，U20v空载试验时电压较高，电流较小故电流要精确测量，电流表及功率表电流接线图中流过的电流为实际空载电流空载试验参数计算v励磁参数值随饱和而变化励磁参数值随饱和而变化。为反映变压器运行时的磁路饱和情况，空载试验时应调整外施电压等于额定电压。v令U0为外施每相电压，I0为每相电流，P0为每相输入功率即等于每相的空载损耗p0。二、短路试验v方法：将变压器一侧短路。外施电压全部降落在内部阻抗方法：将变压器一侧
22、短路。外施电压全部降落在内部阻抗上。上。v短路试验应降低电压进行短路试验应降低电压进行。控制短路电流不超过额定值。v短路试验可以在高压侧测量而把低压侧短路，也可在低压侧测量而把高压侧短路。二者测得的数值不同，用标么值二者测得的数值不同，用标么值计算则相同计算则相同。短路特性曲线uk=f(Ik)v试验开始时应注意调压器输出应调到零，然后从0开始，慢慢调节，并监视电流表，使短路电流Ik1.25IN时停止升压，防止过大电流产生，对变压器不利。v记录数据Uk ，Ik，从1.25IN到0.5IN测56点。由于Uk低，铁心中低，故Pk中所含铁耗较小，可忽略铁耗，故Pk中只含铜耗。短路试验参数计算vUk表示
23、每相电压，Ik表示每相电流，Pk表示每相输入功率即等于每相短路损耗pkv电阻随温度而变化，如短路试验时的室温为 ()，按标准规定应换算到标准温度75时的值。三、短路电压百分数三、短路电压百分数v短路试验时，使短路电流恰为额定电流的外施电压u k，称为u kN。UKN=INZKv以额定电压百分数表示，称为短路电压百分数短路电压百分数v短路电压百分数去掉100符号，就是短路电压短路电压标么值标么值vu uk k不能太小，也不能太大。不能太小，也不能太大。u uk k太大时，变压器空太大时，变压器空载时电压高，负载时电压压降较多。载时电压高，负载时电压压降较多。u uk k太小时，太小时，变压器接额
24、定电压短路时电流太大。变压器接额定电压短路时电流太大。 短路电压的有功与无功分量 u uk k不能太小，也不能太大。不能太小，也不能太大。u uk k太大时，变压器空载时电太大时，变压器空载时电压高，负载时电压压降较多。压高，负载时电压压降较多。u uk k太小时，变压器接额定电太小时，变压器接额定电压短路时电流太大。压短路时电流太大。第六节 变压器的运行性能一、电压变化率v电压变化程度电压变化程度由于变压器内部存在着电阻和漏抗，负载时产生电阻压降和漏抗压降，导致次级侧电压随负载电流变化而变化。v设外施电压为额定电压，取空载与额定负载两种情况下的次级侧电压的算术差与空载电压之比定义为电压变化率
25、(又称电压调整率)电压变化率U%的分析用副边量表示用副边量表示用原边量表示用原边量表示简化计算前提条件：电流为额定电流，即I2N*=1电压变化率与负载大小额定负载额定负载时（感性负载）： 一般负载一般负载时定义负载率电压变化率与负载性质vU与负载电流的功率因数有关v电阻性负载时功率因数等于1，即2O，cos2=1，sin2O，U=ua*。电压降落不大。v电阻电感性负载时功率因数为滞后，2取正值，随着2增大，ua* cos2减小，ur*sin2增大，U随之增大。但不是直线关系。U有一最大值，用d(U)d20求极值条件，求得当U达到最大，当继续增大，U又趋于减小。v电阻电容性负载时功率因数为超前，
26、2取负值，这时 U 为 两 项 之 差 。 当 满 足 条 件ua*cos2=ur*sin2时U=0。当电阻电容性负载功率因数继续减小，则ua*cos2ur*sin2，U变为负值、这时负载电压反而大于空载电压。影响端电压的因素小结负载大小=I1I1N=I2I2N漏阻抗rk，xk负载性质2，容性负载U0，感性负载U0即：输出端电压可能超过额定电压二、变压器的效率二、变压器的效率v效率：输出功率与输入功率之比效率：输出功率与输入功率之比v输入功率是输出功率与全部损耗之和v损耗p初级绕组铜耗pcu1=I12r1次级绕组铜耗pcu2I22r2铁芯损耗pFeIm2rm =P2/P1=P2/(P2+ p)
27、=(P1- p)/P1间接法计算效率_损耗分离法损耗分离法效率曲线v当负载的功率因数保持不变，效率随负载电流而变化的关系称为效率曲线最大效率v不变损耗p0-不随负载电流变化v可变损耗2PkN-随负载电流二次方变化v极值条件：当可变损耗等于不变损耗时效率达到最大当可变损耗等于不变损耗时效率达到最大v一般m=0.50.77返回小 结v变压器磁路中存在着主磁通和漏磁通。主磁通同时键链初级、次级统组。在初级、次级绕组中产生感应电势E1和E2，由于初级、次由于初级、次级绕组的匝数不同，从而实现了电压的变换级绕组的匝数不同，从而实现了电压的变换。v主磁通在传递电磁功率过程中起着媒介作用v漏磁通只键链初级绕
28、组或次级绕组，它对变压器电磁过程的影响是起漏抗压降的作用，而不直接参与能量的传递。能量传递v在变压器中存在着初级绕组和次级绕组各自的电势平衡关系和两绕组之间的磁势平衡关系。当次级侧电流和磁势变化时，将倾向于改变铁芯中的主磁通m及感应电势E1，即破坏初级侧电势平衡关系，此时初级侧会自动增加一电流分量IL和相应的磁势ILw1，以平衡次级侧磁势的作用，使初级侧电势达到新的平衡。v通过电势平衡关系与磁势平衡关系，能量从通过电势平衡关系与磁势平衡关系，能量从初级侧传递至次级侧初级侧传递至次级侧。激磁电流v在铁芯饱和时，为了得到正弦变化的磁通，激磁电流中必须含有高次谐波，尤其是三次谐波。v在变压器分析中常
29、采用等效正弦波电流来等值代替，考虑铁耗后，等效激磁电流超前主磁通一个角度铁耗角。注意点：v把把次次级级侧侧的的量量折折算算至至初初级级侧侧，可以得到初级、次级间有电流联系的等效电路。v基基本本方方程程式式、等等效效电电路路和和相相量量图图是是分分析析变变压压器内部电磁关系的三种方法器内部电磁关系的三种方法v变压器的电抗参数和磁通对应：xm对应主磁通，随饱和程度不同；x1对应初级漏磁通， x2对应次级漏磁通v主主要要性性能能指指标标是是电电压压变变化化率率 U U和和效效率率 ，其数值受变压器参数和负载的大小及性质的影响xm对应主磁通vXm越大，激磁电流Im(I0)越小v增加N1，（U1不变），m将减小，磁路饱和程度下降，磁阻减小，激磁电抗xm将增大；副方绕组匝数N2对m无影响v增加铁芯截面积，如m不变，饱和降低， xm将增大v增加U1大于UN，则 m将增大，磁路饱和上升， xm将减小
