第二讲变压器结构及空载运行

第二章变压器的基本工作原理学习目的：熟悉变压器的作用、基本结构及工作原理。掌握变压器的运行原理、等效电路及平衡方程式。熟悉变压器参数确定方法。变压器的运行性能第一节电力变压器的基本结构和额定值一、概述：变压器是一种常见的静止电气设备，它利用电磁感应原理，将某一数值的交变电压变换为同频率的另一数值的交变电压。变压器不但用在输配电系统中，而且还广泛应用于电气控制领域、电子技术领域、测试技术领域以及焊接技术领域等等。根据统计资料显示，在输配电系统中，1kW的发电设备需8～8.5kV·A变压器容量与之配套，由此可见，在电力系统中变压器是容量最多最大的电气设备。我们知道电能在传输过程中会有能量的损耗，主要是输电线路的损耗及变压器的损耗，它占整个供电容量的5％～9％，这是一个相当可观的数字。例如我国2000年发电设备的总装机容量约为3.16亿千瓦，则输电线路及变压器损耗的部分约为1600～2800万千瓦，它相当于目前我国10到20个装机容量最大的火力发电厂的总和。在这个能量损耗中，变压器的损耗最大，约占60％左右，因此变压器效率的高低成为输、配电系统中一个突出的问题，我国从20世纪70年代末期开始研制高效节能变压器，其换代过程为SJ→S5→S7→S9→SCB→SHll。目前大批量生产的是S9低损耗节能变压器，同时要求逐步淘汰正在使用中的旧型号变压器，据初步估算采用低损耗变压器所需的投资费用可在4～5年时间内从节约的电费中收回。变压器可用于改变电压、电流、阻抗和相位等。电力系统组实体示意图二、变压器的分类变压器种类很多，通常可按其用途、绕组结构、铁心结构、相数、冷却方式等进行分类。1．按用途分类（1）电力变压器。用作电能的输送与分配，上面介绍的即属于电力变压器，这是生产数量最多、使用最广泛的变压器。按其功能不同又可分为升压变压器、降压变压器、配电变压器等。电力变压器的容量从几十千伏安到几十万千伏安，电压等级从几百伏到几百千伏。（2）特种变压器。在特殊场合使用的变压器，如作为焊接电源的电焊变压器；专供大功率电炉使用的电炉变压器；将交流电整流成直流电时使用的整流变压器等。（3）仪用互感器。用于电工测量中，如电流互感器、电压互感器等。（4）控制变压器。容量一般比较小，用于小功率电源系统和自动控制系统。如电源变压器、输入变压器、输出变压器等。（5）其他变压器。如试验用的高压变压器；输出电压可调的调压变压器；产生脉冲信号的脉冲变压器等。2．按绕组构成分类有双绕组变压器、三绕组变压器、多绕组变压器和自耦变压器等。3．按铁心结构分类有叠片式铁心、卷制式铁心、非晶合金铁心。2．按相数分类有单相变压器、三相变压器、多相变压器。3．按铁心结构分类有叠片式铁心、卷制式铁心、非晶合金铁心。4．按相数分类有单相变压器、三相变压器、多相变压器。5．按冷却方式分类有干式变压器、油浸自冷变压器、油浸风冷变压器、强迫油循环变压器、充气式变压器等。三、单相变压器的基本结构（一）铁心铁心构成变压器磁路系统，并作为变压器的机械骨架。铁心由铁心柱和铁轭两部分组成，铁心柱上套装变压器绕组，铁轭起连接铁心柱使磁路闭合的作用。对铁心的要求是导磁性能要好，磁滞损耗及涡流损耗要尽量小，因此均采用0.35mm厚的硅钢片制作。目前国产硅钢片有热轧硅钢片、冷轧无取向硅钢片、冷轧晶粒取向硅钢片。20世纪60～70年代我国生产的电力变压器主要用热轧硅钢片，由于其铁损耗较大，导磁性能相应地比较差，且铁心叠装系数低（因硅钢片两面均涂有绝缘漆），现已不用。目前国产低损耗节能变压器均用冷轧晶粒取向硅钢片，其铁损耗低，且铁心叠装系数高（因硅钢片表面有氧化膜绝缘，不必再涂绝缘漆）。根据变压器铁心的结构形式可分为心式变压器和壳式变压器两大类。心式变压器是在两侧的铁心柱上放置绕组，形成绕组包围铁心的形式。壳式变压器则是在中间的铁心柱上放置绕组，形成铁心包围绕组的形状。单相小容量变压器铁心形式（二）绕组1．同心式绕组2．交叠式绕组四、变压器的铭牌和额定值（一）、铭牌为了使变压器安全、经济、合理地运行，同时让用户对变压器的性能有所了解，制造厂家对每一台变压器都安装了一块铭牌，上面标明了变压器型号及各种额定数据，只有理解铭牌上各种数据的含义，才能正确地使用变压器。电力变压器产品型号S7-500／10标准代号XXXX额定容量500kV·A产品代号XXXX额定电压10kV出厂序号XXXX额定频率50Hz3相联结组标号Y，yn0阻抗电压4％冷却方式油冷使用条件户外开关位置高压低压电压／V电流／A电压／V电流/AⅠ1050027．5Ⅱ1000028．9400721．7Ⅲ950030．4XX变压器厂XX年XX月电力变压器铭牌（二）、额定值下图所示的变压器是配电站用的降压变压器，将10kV的高压降为400V的低压，供三相负载使用。铭牌中的主要参数说明如下：1．型号2．额定电压U1N和U2N高压侧（一次绕组）额定电压U1N是指加在一次绕组上的正常工作电压值。它是根据变压器的绝缘强度和允许发热等条件规定的。高压侧标出的三个电压值，可以根据高压侧供电电压的实际况额定值的±5％范围内加以选择，当供电电压偏高时可调至10500V，偏低时则调至9500V，以保证低压侧的额定电压为400V左右。低压侧（二次绕组）额定电压U2N是指变压器在空载时，高压侧加上额定电压后，二次绕组两端的感应的电压值。变压器接上负载后，二次绕组的输出电压U2将随负载电流的增加而下降，为保证在额定负载时能输出380V的电压，考虑到电压调整率为5％，故该变压器空载时二次绕组的额定电压U2N为400V。在三相变压器中，额定电压均指线电压。10002N2NNIUS100032N2NNIUS3．额定电流I1N和I2N额定电流是指根据变压器允许发热的条件而规定的满载电流值。在三相变压器中额定电流是指线电流。4．额定容量SN额定容量是指变压器在额定工作状态下，二次绕组的视在功率，其单位为kV·A。单相变压器的额定容量为三相变压器的额定容量为kV·AkV·A5．联结组标号指三相变压器一、二次绕组的连接方式。Y（高压绕组作星形联结）、y（低压绕组作星形联结）；D（高压绕组作三角形联结）、d（低压绕组作三角形联结）；N（高压绕组作星形联结时的中性线）、n（低压绕组作星形联结时的中性线）。6．阻抗电压阻抗电压又称为短路电压标么值或短路阻抗标么值。五、变压器的基本工作原理变压器是利用电磁感应原理工作的，变压器的主要部件是铁心和绕组。两个互相绝缘且匝数不同的绕组分别套装在铁心上，两绕组间只有磁的耦合而没有电的联系，其中接电源u1的绕组称为一次绕组，用于接负载的绕组称为二次绕组。电动势e1和e2分别为：由上式可知，一、二次绕组感应电动势的大小（近似于各自的电压ul及u2）与绕组匝数成正比，故只要改变一、二次绕组的匝数，就可达到改变电压的目的，这就是变压器的基本工作原理。变压器基本工作原理图第二节单相变压器的空载运行一、空载运行时各物理量正方向的规定变压器一次绕组接在额定频率和额定电压的电网上，而二次绕组开路，即2I=0的工作方式称变压器的空载运行。按照“电工惯例”来规定参考方向：（1）电压的参考方向：在同一支路中，电压的参考方向与电流的参考方向一致。（2）磁通的参考方向：磁通的参考方向与电流的参考方向之间符合右手螺旋定则。（3）感应电动势的参考方向：由交变磁通产生的感应电动势E，其参考方向与产生该磁E与产生它的磁通之间符合右手螺旋定则），通的电流参考方向一致（即感应电动势。单相变压器空载运行图按此参考方向列出的电磁感应定律方程为二、感应电动势和变比1U1E2E空载时，在外加交流电压作用下，一次绕组中通过的电流称为空载电流i0。在电流i0的作用下，（称为主磁通），主磁通同时穿过一、二次绕组，分别在其中产生感和铁心中产生交变磁通应电动势dtdNedtdNedtdNe1112211e1：主磁通在原绕组内感应电动势的瞬时值e2：主磁通在副绕组内感应电动势的瞬时值；e1：漏磁通1在原绕组内感应电动势的瞬时值主磁通按正弦规律，tmsin)90sin()90sin(cos)sin(01011111tEtNtNtdtdNdtdNemmmmm：主磁通的幅值；E1m：原绕组感应电动势的幅值。)90sin(011tEem当主磁通按正弦规律变化时，原绕组中感应电动势也按正弦规律变化，但相位比主磁通落后900。mmNE11原边电动势幅值：mmNfEE11m111144.42/Nf22/有效值：mNfjE11144.4相量表示：原边电势分析副边电势分析副边绕组链接同一磁链，副边电动势幅值：mmNE22mmNfEE212244.42/有效值：相量表示：mNfjE1244.4原边漏电势由原边绕组链接漏磁链得到，mNfjEdtdNe110m111111144.4)90-tsin(N相量表示：漏电势分析：漏磁通1通过的磁路是线性的，漏磁链1与产生漏磁链的电流i0呈线性关系，漏电势可表示为：dtdiLdtddtdNe011111若励磁电流i0按正弦规律变化，即tsin200Ii10101LXIjIjE结论：（1）L1为原绕组的漏感系数；X1是原绕组的漏电抗。表征漏磁通对电流的电磁效应。两者与匝数和几何尺寸有关，均为常数。（2）漏电感电动势与电流同频率，相位上落后I0900。mNfjEU111144.4（3）空载时，漏阻抗压降小，（4）主磁通大小，取决于电网电压、频率和匝数。三、变压器的空载电流和空载损耗0I0I变压器空载运行时，空载电流一方面用来产生主磁通，另一方面用来补偿变压器空载时的分解成两部分，损耗。为此，将空载电流主要用来建立主磁通，故近似称作励磁电流。变压器空载时没有输出功率，它从电源获取的全部功率都消耗在其内部，称为空载损耗。空载损耗绝大部分是铁心损耗P0，即磁滞损耗与流损耗，只有极少部分是一次绕组电阻上的铜损耗I02R，，它只占空载损耗的2％，故可认为变压器的空载损耗就是变压器的铁心损耗。0Iiu建立空载运行时的磁场空载电流iFe引起损耗变压器中磁性材料的磁化曲线为非线性，在一定电压下，空载电流大小、波形取决于饱和度。•忽略空载损耗：（1）当主磁通为正弦波时，磁路越饱和，电流波形畸变严重。（2）空载电流与主磁通同相位。•不考虑空载损耗时空载电流的波形：I0IFeIm0I空载电流（考虑空载损耗）•考虑空载损耗时：（1）考虑铁耗（包含磁滞、涡流），将磁化曲线改为磁滞回线。因此，将激磁电流分解为两个分量：（1）与同相的磁化电流iu；（2）导前900有功分量iFeIIIFe0m（2）激磁电流不再与主磁通同相，而是导前一个磁滞角四、电压平衡式变压器中，原、副绕组电动势E1和E2之比称为变压器的变比k.21m12m112144.444.4NNfNfNEEk由于.2211EUEU212121NNUUEEkNN对于三相变压器，变比指相电势之比。考虑漏磁通，变压器空载运行时相量形式表示的电压平衡方程式：22011011101101011101)()()()()()(EUEZIEjxrIExIjrIEErIUr1：原绕组电阻；Z1＝r1＋jx1为原绕组漏阻抗五、空载运行的等效电路和相量图根据相量形式的电压平衡式，)(1101EZIU把和之间的关系直接用参数形式反映，可把写成流过一个阻抗引起的阻抗压降。1E0I1E0I)(001mmmjxrIZIErm：变压器的励磁电阻，反映铁耗；xm:变压器的励磁电抗，反映励磁过程；Zm：变压器的励磁阻抗。222001;/;/mmmFemmrZxIprIEZ等