第二章 变压器

如OSFPSZ-250000/220表明自耦三相强迫油循环风冷三绕组铜线有载 调压，额定容量250000kVA，高压额定电压220kV电力变压器。
二、额定值
额定值是制造厂对变压器在指定工作条件下 运行时所规定的一些量值。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：
1.额定容量SN (kVA) 指规定的额定使用条件下所能输出 的视在功率。
大小：与电源电压和频率、线圈匝数、磁路材质 及几何尺寸有关，用空载电流百分数I0%来表示：
I0 I0 % 100% IN
注：实际空载电流不是正弦波，但为了分析、计 算和测量的方便，在相量图和计算式中常用正弦 的电流代替实际的空载电流。
5、空载损耗 变压器空载时，一次侧从电源吸收少量的有功功 2 率 P0 ，用来供给铁损 PFe和绕组铜损 I 0 R1 。由于 R1 和 I 0 均很小，所以 P0 PFe ，即空载损耗近似等 于铁损。 对于已制成变压器，铁损与磁通密度幅值的平方 成正比，与电流频率的1.3次方成正比，即
0 与 I 0 成非线性关系； 1 与 I 0 成线性关系； 1）性质上：
2）数量上： 占99%以上，
0
仅占1%以下；
1 3）作用上： 起传递能量的作用， 起漏抗压降作用。 1 0
二、各电磁量参考方向的规定 在电机方向的学科中通常按习惯方式规定正方向，称 为惯例。 正方向规定的原则如下： 1）在一次绕组，电流的正方向与电源电压正方向 一致；在二次绕组，电流正方向与电压降的正方向一 致。 2 ）磁通的正方向与产生它的电流的正方向符合右 手螺旋定则。 3 ）感应电动势的正方向与产生它的磁通的正方向 符合右手螺旋定则。
则
m
E1 U1 4.44 fN1 4.44 fN1
可见，影响主磁通 m 大小的因素有电源电压 f1 U 电源频率 和一次侧线圈匝数 。 N1
1
、
（2）二次侧电动势平衡方程
E U 20 2
2、变比
定义：一次电动势E1与二次电动势E2之比
U1 N E1 N1 U1 k E2 N 2 U 20 U 2 N
0 I I 同相， 与 90 , I I （2）I 超前 I 0 0 r 0a m 0r 0a 0r
U 1
X jI 0 1
R1I0
E 1
,E 滞后 90 , 超前 900 , E （3）E 1 2 m 1 m
0
I 0 I I 0r
4 ．掌握三相变压器联结组标号的确定。
5．熟知变压器并联运行的条件。
重点· 难点：
变压器的工作原理，单相变压器的运行分析及三相变 压器联结组标号的确定。
2.1 变压器的基本工作原理和结构 2.1.1 基本工作原理和分类 一、基本工作原理
变压器的主要功能是把一种等级的电压与电流变成同 频率另一种等级的电压和电流。
四、空载运行电压方程式 1、电动势平衡方程 （1）一次侧电动势平衡方程
E E I R E I R jI X E Z I U 1 1 1 0 1 1 0 1 0 1 1 1 0
忽略很小的漏阻抗压降，并写成有效值形式，有
U1 E1 4.44 fN1 m
按调压方式分：无励磁调压变压器和有载调压变 压器。 按冷却介质和冷却方式分：干式变压器、油浸式 变压器和充气式变压器。
2.1.2 基本结构
一、铁心
变压器的主磁路，为了提高导磁性能和减少铁损，用0.35mm厚、表面 涂有绝缘漆的硅钢片叠成。
二、绕组
变压器的电路，一般用绝缘铜线或铝线绕制而成。
三、油箱
j 4.44 fN E 1 1 m
相量
可见，当主磁通按正弦规律变化时，所产生的一 次主电动势也按正弦规律变化，时间相位上滞后主磁 通 900 。主电动势的大小与电源频率、绕组匝数及主 磁通的最大值成正比。
同理，二次主电动势也有同样的结论。
2、漏磁通感应的电动势——漏电动势 根据主电动势的分析方法，同样有
根据额定容量和额定电压计算出的线电流称为额定电流。 在三相变压器中指的是线电流。
单相 : S N U1N I1N U 2 N I 2 N 三相 : S N 3U1N I1N 3U 2 N I 2 N
此外，额定值还有额定频率、联结阻标号、效率、 温升等。
三、变压器的发热与温升
温升：变压器中某部分的温度与周围冷却介质温 度之差称为该部分的温升。 决定变压器运行时温度高低的因素有二：一是变 压器产生的总损耗；另外是变压器的散热能力。 我国规定了环境最高温度为４０℃。温升都是指 比环境温度４０℃高出的温度值
变压器作用能使电能经济地传输、合理地分配以及安 全地使用。
变压器组成：它是由绕在同一个铁心上的两个或两个 以上的绕组组成的。 一次绕组：接到交流电源的绕组称为一次绕组。 二次绕组：接到负载的绕组称为二次绕组。
高压绕组：电压高的绕组叫高压绕组
低压绕组：电压低的绕组叫低压绕组
d 在一次绕组中加上交变电压， e1 N1 dt 产生交链一、二次绕组的交变磁通， d 在两绕组中分别感应电动势。 e2 N 2
0a
m
（4） 画出R1I0 , jI0 X1
E 2
（5） U1 E1 R1I0 jI0 X1
E 1
七、变压器空载运行的等效电路 变压器空载运行的等效电路，从一次边看进去的 等效阻抗 Z0 那么
U1 E1 Z0 Z1 Z m Z1 I0 I0
Zm
油浸式变压器的器身浸在变压器油的油箱中。油是冷却介质，又是绝 缘介质。油箱侧壁有冷却用的管子（散热器或冷却器）。
四、绝缘套管
将线圈的高、低压引线引到箱外，是引线对地的绝缘，担负着固定的 作用。 此外，还有储油柜、吸湿器、安全气道、净油器和气体继电器。
２.1.3 型号与额定值 一、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，表示方法为
2.2 单相变压器的空载运行 空载运行：变压器一次绕组接在交流电源上，二 次绕组开路的运行方式。 注：对单相变压器电磁关系的分析结论完全适合 对称负载情况下的三相变压器的每一相。 主磁通：同时链着一、二次绕组的磁通称为主磁 通。
漏磁通：只链一次绕组或二次绕组本身的磁通称 为漏磁通
一、空载运行时的物理情况
（单相）
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
U1 N k 3U 2 N
D，y接线
k
3U1N U2N
五、 空载电流和空载损耗
1、铁心饱和对空载电流的影响
由于磁路饱和，空载电流 i0 与由它产生的主磁通 0呈 非线性关系。
当磁通按正弦规律变化 时，空载电流呈尖顶波 形。 当空载电流按正弦规律 变化时，主磁通呈平顶 波形。
Rm , X
m
E1 Rm jX m I0
,Z
m
分别为励磁电阻、励磁电抗、励磁阻抗。
m m m
由于磁路具有饱和特性，所以 Z R jX 是常数，随磁路饱和程度增大而减小。
不
一次侧的电动势平衡方程为
E I Z U 1 1 0 1 ( R jX ) I ( Rm jX m ) I 0 1 1 0

t
i0
3
2
1 1 2
i0
3
2、铁损耗对空载电流的影响
磁滞损耗：由于磁滞现象在铁心中引起的损耗。
涡流损耗：交变的磁通在铁心中产生涡流损耗。
铁损耗：磁滞损耗和涡流损耗统称为铁损耗。
铁耗角：由于铁损耗的存在，使励磁电流波形超 前主磁通波形的角度称铁耗角。
3、空载电流的作用与组成
空载电流 I0 包含两个分量，一个是励磁分量，作 用是建立磁场，产生主磁通——无功分量 I0r ；另一 个是铁损耗分量，作用是供变压器铁心损耗——有 I 功分量 。 0a 4、性质和大小 性质：由于空载电流的无功分量远大于有功分量，所 以空载电流主要是感性无功性质——也称励磁电流；
2 PFe Bm f 1.3
空载损耗约占额定容量的0.2%~1%，而且随 变压器容量的增大而下降。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。
六、变压器空载运行的相量图 根据前面所学的方程，可作出变 压器空载时的相量图：
为参考相量 （1）以 m
强调：规定正方向只起坐标作用，不能与该量瞬时 实际方向混为一谈。 三、感应电动势分析 1、主磁通感应的电动势——主电动势
设 则
0 m sin t
e1 N1 d0 2 fN1 m sin(t 900 ) E1m sin(t 900 ) dt
有效值
E1 4.44 fN1m
2.3 单相变压器的负载运行 变压器一次侧接在额定频率、额定电压的交流电 源上，二次侧接上负载的运行状态，称为负载运行。
一、负载时磁动势及一、二次电流关系
变压器带负载时，负载上电压方程为
U2 I 2 ZL I 2 (RL jX L )
式中，I 2是二次电流，又称负载电流。
0 ,负载时产 空载时,由一次磁动势 F 产生主磁通 F F 生 的磁动势为一、二次的合成磁动势 。 1 2
m
m
0
m
0
结论：
（1）一次侧主电动势与漏阻抗压降总是与外施电压平衡, 若忽略漏阻抗压降，则一次主电势的大小由外施电压决定. （2）主磁通大小由电源电压、电源频率和一次线圈匝数决 定，与磁路所用的材质及几何尺寸基本无关。
（3）空载电流大小与主磁通、线圈匝数及磁路的磁阻有关，
铁心所用材料的导磁性能越好，空载电流越小。 （4）线性磁路中，电抗为常数，非线性电路中，电抗的大 小随磁路的饱和而减小。