72变压器工作原理

变压器的基本作用原理与理论分析变压器的负载运行4标幺值5参数的测定6变压器的运行性能71变压器的类别和结构2变压器的发热和冷却3变压器的空载运行一、变压器的类别和结构变压器的主要类别一种静止的电机将一种电压的电能转换为另一种电压的电能。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。电力变压器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。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。配电变压器电力变压器类别-变压方式升压变压器——升高电压的变压器降压变压器——降低电压的变压器特殊变压器，如试验用高压变压器、电炉用变压器、电焊用变压器、晶闸管线路中的变压器、用于测量仪表的电压互感器和电流互感器等等电力变压器类别-线圈数目双绕组变压器，在铁芯中有两个绕组，一个为初级绕组，一个为次级绕组自耦变压器，初级、次级绕组合为一个三绕组变压器，三个绕组连接三种不同电压的线路多绕组变压器，如分裂变压器电力变压器类别-冷却方式油浸式变压器——铁芯和绕组都一起浸入灌满了变压器油的油箱中，可以加强绝缘和改善冷却散热条件干式变压器，能满足特殊要求，如安全电力变压器类别-相数单相变压器三相变压器电力变压器的基本结构铁芯铁芯带有绝缘的绕组绕组变压器油油油箱油箱绝缘套管套管铁芯——变压器的磁路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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可以避免涡流在钢片之间流通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变压器铁心柱的横切面返回绕组——变压器的电路变压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。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。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基本型式：同芯式，交叠式单相芯式变压器铁心及绕组绕组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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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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。绕组的基本型式同芯式——铁芯式变压器常用。高压绕组和低压绕组均做成圆筒形，然后同芯地套在铁芯柱上交叠式——铁壳式变压器常用。高压绕组和低压绕组各分为若干个线饼，沿着铁芯柱的高度交错地排列着返回变压器油——冷却、绝缘电力变压器绕组与铁心装配完后用夹件紧固，形成变压器的器芯。变压器器芯装在油箱内，油箱内充满变压器油。变压器油是一种矿物油，具有很好的绝缘性能。变压器油起两个作用：①绝缘：绕组与绕组、绕组与铁心及油箱之间②散热：热量通过油箱壳散发，油箱有许多散热油管，以增大散热面积。采用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油箱——机械支撑、冷却散热、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。——呼吸保护作用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。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，避免油箱爆裂。返回绝缘套管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。在瓷套和导电杆间留有一道充油层——充油套管当电压等级更高时，在瓷套内腔中常环绕着导电杆包上几层绝缘纸简，在每个绝缘纸简上贴附有一层铝箔，则沿着套管的径向距离，绝缘层和铝箔层构成串联电容器，使资套与导电杆间的电场分布均匀套管外形常做成伞形，电压愈高、级数愈多。返回变压器的额定值额定容量SN——制造厂所规定的在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量。由于效率高，原、副方的额定容量设计得相等，与体积、用铜量有关。额定电压——由制造厂所规定的变压器在空载时额定分接头上的电压保证值。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。对三相变压器，铭牌上的额定电压指线电压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。电力变压器的额定频率是50Hz变压器的额定值额定值的关系单相变压器三相变压器NNNNNNUSIUSI2211NNNNNNUSIUSI221133返回二、变压器的发热和冷却假定：铁芯和各个绕组都是独立的发热单位。即认为铁芯的发热仅来源于铁芯损耗，各绕组的发热来源于各自的铜耗，它们相互间并没有热量交换。由于油的对流作用，油在受热后将上升、而在冷却后又将下降。油浸变压器中，沿着油箱高度，上部的温度要比下部的温度略高油浸变压器的绕组均用A级绝缘。根据我国的气候情况，国家标准规定以+40℃作为周围环境空气的最高温度，并据此规定变压器各部分的容许温升•绕组最高允许温度为105℃变压器的冷却常用冷却介质——油（油浸式）、空气（干式）冷却方式——油浸自冷式；油浸风冷式(人工通风)；强制油循环冷却式油箱形式平滑油箱：50kVA波形油箱管形油箱：~200kVA散热器油箱：2500—6300kVA返回作业2-12-2•讲解星形，三角形连接变压器电路理论及其运行特性版权所有，2000©SoutheastUniversityElectricalEngineeringDepartment.以单相双绕组电力变压器为例，分析其基本原理，导出基本方程式、等效电路和相量图。在此基础上分析其稳态特性。三、空载运行空载指一侧绕组接到电源（初级1），另一侧绕组（次级2）开路。1电磁物理现象2感应电动势3电压变比4激磁电流5励磁特性的电路模型6漏抗7电路方程等效电路相量图1、电磁物理现象空载电流i0，i1＝i0。全部用以激磁——激磁电流im，i0＝im激磁电流产生激磁磁势imN1，建立交变磁场空载运行：原边接额定电压u1n的电源，副边开路原边绕组电流i0为空载电流，产生空载励磁磁势F0=I0×N1,F0产生磁通磁通分为两部分主磁通Φ流径闭合铁心，磁阻小，同时匝链了原边和副边绕组,并感应出电势e1和e2。是变压器传递能量的主要媒介原边绕组漏磁通Ф1σ，仅与原边绕组匝链，通过变压器油或空气形成闭路，磁阻大，不传递功率变压器铁心由高导磁材料硅钢片制成（导磁系数μr2000)，大部分磁通都在铁心中流动，主磁通约占总磁通的99％强，漏磁通占总磁通的1％弱。磁场的磁通分为主磁通和漏磁通两部分①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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。②功能不同。主磁通通过互感作用传递功率，漏磁通不传递功率。磁场的磁通与1都是交变磁通在绕组中感应交变电势2、感应电势箭头方向表示正方向规定电流的正方向与该电流所产生的磁通正方向符合“右手螺旋”定则，规定磁通的正方向与其感应电势的正方向符合“右手螺旋”定则。电流正方向与电势正方向一致。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的正方向与电流同方向。这样e1=－N1dФ/dt成立。例如正在增加，dФ/dt为正，e1＝－N1dФ/dt＜0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Ф′，与Ф方向相反，起阻止Ф增加的作用，即符合楞次定律。磁通，电势，电压的关系公式推导mmmmmmmmmmmmmmmmfNEEefNEEefNNEefNNEetNtNdtdNetNtNdtdNet22221111222211112222111122/22/22)90sin(cos)90sin(cossin有效值有效值幅值幅值磁通幅值主磁通图2-8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3、电压变比2121201NNEEUUk4、激磁电流的三个分量忽略电阻压降和漏磁电势，则U1＝E1＝4.44fN1m。m∝U1即：当外施电压U1为定值，主磁通m也为一定值问题：一台结构已定的变压器当外施电压为已知，需要电源提供多大的激磁电流呢?激磁电流包括哪些成分呢?答：决定于变压器的铁芯材料及铁芯几何尺寸。因为铁芯材料是磁性物质，激磁电流的大小和波形将受磁路饱和、磁滞及涡流的影响。(一)磁路饱和影响当Bm＜0.8T，磁路末饱和状态、磁化曲线＝f(i)呈线性，导磁率是常数。当按正弦变化，i亦按正弦变化。磁路饱和影响如Bm＞0.8T，磁路开始饱和，＝f(i)呈非线性，随i增大导磁率逐渐变小。磁通为正弦波，i为尖顶波，尖顶的大小取决于饱和程度。对尖顶波进行波形分析，除基波分量外，包含有各奇次谐波。其中以3次谐波幅值最大。用等效正弦波电流替代实际尖顶波电流。等效原则：令等效正弦波与尖顶波有相同的有效值，与尖顶波的基波分量有相同频率且同相位。磁路饱和影响磁化电流I，I与m同相位。I滞后于-E190，I具有无功电流性质，它是激磁电流的主要成分。(二)磁滞现象的影响激磁电流是不对称尖顶波，把它分解成两个分量。（1）对称的尖顶波，它是磁路饱和所引起的，即磁化电流分量i。（2）近似正弦波，电流分量ih，频率为基波频率，磁滞电流分量，Ih与-E1同相位，是有功分量电流。磁滞现象的影响(三)涡流对激磁电流的影响交变磁通在铁芯中感应电势，在铁芯中产生涡流及涡流损耗。涡流电流分量Ie由涡流引起的，与涡流损耗对应，Ie与-E1同相位。由于磁路饱和、磁滞和涡流三者同时存在，激磁电流实际包含I、Ih和Ie三个分量；又由于Ih和Ie同相位，合并称为铁耗电流分量，用IFe表示。空载时激磁电流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）和涡流损耗（Ie）)(ehFemIIIIII5、激磁特性的电路模型强调：rm并非实质电阻、是为计算铁耗引进的模拟电阻。由于磁化曲线呈非线性，参数Zm随电压而变化，不是常数。但变压器正常运行时，外施电压等于或近似等于额定电压，且变动范围不大,可把Zm看成常数。Xm是主磁通Φ引起的电抗，为励磁电抗6、漏抗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）、E2•E1与U2方向一致•Φm超前E190度•Im超前Φm一个角度•U1作业2-32-4重点理解各参数的物理意义及相互间关系返回四变压器负载运行负载运行是指一侧绕组接电源，另一