变压器的运行及使用

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1.1 变压器的基本工作原理和结构
• 变化，如果电压变化过 大，将对用户产生不利影响。为了保证二次 端电压的变化在允许范围内，通常在变压器高压侧 设置抽头，并装 设分接开关，用以调节高压绕组的工作匝数，从而调节二次端电压。 分接头之 所以设置在高压侧，是因为高压绕组套在最夕卜面，便于 引出分接头;再者，高压侧电流相对也较 小，分接头的引线及分接开 关载流部分的导体截面积也小，开关触,点也易制造。
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1.2 变压器的运行特性
• 称为“不变损耗”。 • (2)铜损耗 • 变压器的铜损耗也分为基本铜损耗和附加铜损耗两部分。基本铜损耗
是电流在原、副边 绕组直流电阻上的损耗，而附加铜损耗包括因集 肤效应引起导线等效截面积变小而增加的损 耗以及漏磁场在结构部 件中引起的涡流损耗等。附加铜损耗大约为基Biblioteka Baidu铜损耗的0.5%〜 20%。变压器铜损耗的大小与负载电流的平方成正比，所以把铜损 耗称为“可变损耗”。
即通过空载试验和短路试验，求出变压器的铁 损耗PFe和铜损耗PCu， 然后按下式计算效率
• 在功率因数一定时，变压器的效率与负载系数之间的关系η=f(β)称
为变压器的效率特性曲线，如图1.6所示。其中，负载系数
，
I2为变压器运行时的实际电流，I2N为变压器的额定电流。
• 从图1.6可以看出，空载时，β =0，P2=0，η=0;负载增大时，
• 中小型电力变压器一般有三个分接头，记作UN±5%。大型电力变 压器则采用五个或更 多的分接头，例如，UN±2x2.5%或 ±8x1.5%等。
• 分接开关有两种形式:一种是只能在断电的情况下进行调节，称为无 载分接开关;另一种 是可以在带负载的情况下进行调节，称为有载分 接开关。
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• 二次端电压随负载电流变化的规律曲线称为变 压器的外特性。
• 在负载运行时，由于变压器内部存在电阻和 漏抗，故当负载电流流 过时，变压器内部将产生 阻抗压降，使二次端电压随负载电流的变
化而变 化。图1.5表示不同负载性质时，变压器的外特 性曲线。由
图可知，变压器二次电压的大小不仅 与负载电流的大小有关，而且
第1章变压器的使用
• 1.1 变压器的基本工作原理和结构 • 1.2 变压器的运行特性 • 1.3 三相变压器 • 1.4 变压器的并联运行 • 1.5 其他用途的变压器 • 项目1 电力变压器的运行维护 • 小结
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1.1 变压器的基本工作原理和结构
• 1.1.1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，图1.1为其工作原理示意图。变 压器的主要部件是 一个铁芯和套在铁芯上的两个绕组。这两个 绕组 具有不同的匝数且互相绝缘，两绕组间只 有磁的耦合而没有电的联 系。其中，接于电源 侧的绕组称为原绕组或一次绕组;用于接负载 的 绕组称为副绕组或二次绕组。
• (1)铁损耗 • 变压器的铁损耗包括基本铁损耗和附加铁损耗两部分。基本铁损耗为
铁芯中磁滞和涡流 损耗，它取决于铁芯中磁通密度大小、磁通交变 的频率和硅钢片的质量。铁损耗中的附加铁损 耗，包括由铁芯叠片 间绝缘损伤引起的局部涡流损耗、主磁通在结构部件中引起的涡流损 耗等，一般为基本铁损耗的15%〜20%。 • 变压器的铁损耗与一次侧外加电源电压的大小有关，而与负载大小无 关。当电源电压一 定时，其铁损耗就基本不变了，故铁损耗又被
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1.1 变压器的基本工作原理和结构
• 保护装置等。图1.2为油浸式电力变压器的结构示意图。 • 铁芯和绕组是变压器通过电磁感应进行能量传递的部件，称为变压器
的器身。油箱用于 装油，同时起机械支撑、散热和保护器身的作用; 变压器油起绝缘作用，同时也起冷却作用;套 管的作用是使变压器引 线与油箱绝缘;保护装置则起保护变压器的作用。 • (1)铁芯 • 铁芯是变压器的主磁路，又是它的机械骨架"铁芯由铁芯柱和铁轭两 部分组成，铁芯柱上 套装绕组，铁轭的作用则是使整个磁路闭合"叠 片式铁芯，按其结构形式又分为芯式和壳式两 种。芯式变压器结构 简单，绕组的装配及绝缘也较容易，国产电力变压器铁芯主要采用芯 式 结构。
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1.1 变压器的基本工作原理和结构
• 出，以免造成箱壁爆裂。 • 净油器（又称热虹吸净油器） • 净油器是利用油的自然循环，使油通过吸附剂进行过滤，以改善运行
中变压器油的性能。 • 气体继电器（又称瓦斯继电器） • 气体继电器装在油枕和油箱的连通管中间，当变压器内部发生故障
(如:绝缘击穿、匝间 短路、铁芯事故等)产生气体时，或油箱漏油使 油面降低时，气体继电器动作，发出信号以便运 行人员及时处理;若 事故严重，可使断路器自动跳闸，对变压器起保护作用。 • (6)分接开关 • 变压器负载运行时，二次端电压随负载大小及功率因数的变化而
电流i2将流过负载， 实现电能的传递。 • 由式(1.1)和(1.2)可知，原、副绕组感应电动势的大小正比于各自
绕组的匝数，而绕组的感应电动势又近似于各自的电压，因此，只要 改变绕组的匝数比，就能达到改变电压的目的，这 就是变压器的变 压原理。即
• 1.1.2变压器的基本结构
• 变压器的主要部件有铁芯、绕组、油箱、冷却装置、绝缘套管和
指规定加到一次侧的电压;二次额定电压U2N是指变压器一次侧加额 定电压时，二次侧空载时的端电压，在三相 变压器中，额定电压指 的是线电压。 • (4)额定电流IN(A) • 指变压器在额定容量下，允许长期通过的电流。同样，三相变压器的 额定电流也指的是线 电流。
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1.1 变压器的基本工作原理和结构
1.1 变压器的基本工作原理和结构
• 1.1.3变压器的铭牌
• 每台变压器上都装有铭牌，在铭牌上标明了变压器工作时规定的使用 条件，我国颁布的电 力变压器国家标准GB 1094.1 -1996规定， 变压器的铭牌必须标注的项目有变压器的种类、标 准代号、制造厂 名、出厂序号、制造年月、相数、额定容量、额定频率、各绕组额定 电压和分接范 围、各绕组额定电流、联结组标号、以百分数表示的 短路阻抗实测值、冷却方式、总重和绝缘油 重等项目，变压器铭牌 如图1.4所示。
• 额定容量、电压、电流之间的关系是：
• (5)额定频率fN(Hz) • 我国规定标准工频为50Hz。 • (6)冷却方式 • 变压器的冷却方式是由冷却介质和循环方式决定的，因此油浸变压器
的冷却方式是由四 个字母代号表示的，见表1.1。干式变压器冷却方 式分为自然空气冷却(AN)和强迫空气冷却 (AF)。自然空冷时，变 压器可在额定容量下长期连续运行。强迫风冷时，变压器输出容量可
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1.1 变压器的基本工作原理和结构
• 储油柜是一种油保护装置，装在变压器油箱盖上，用弯曲联管与油箱 联通。储油柜的作用 是保证变压器油箱内充满油，减少油和空气的 接触面积，从而降低变压器油受潮和老化的速度。
• 吸湿器（又称呼吸器） • 通过它，大气与油枕内连通。当变压器油因热胀冷缩而使油面高度发
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1.1 变压器的基本工作原理和结构
• 提高50%，适用于断续过负荷运行，或应急事故过负荷运行。
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1.2 变压器的运行特性
• 变压器的运行特性主要有外特性与效率特性，而表征变压器运行性能 的主要指标则是电 压变化率和效率。
• 1.2.1变压器的外特性
• 当电源电压禾P负载的功率因数等于常数时，
• (1)变压器型号 • 变压器的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。
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1.1 变压器的基本工作原理和结构
• (2)额定容量SN(=kV·A) • 指在铭牌规定额定使用条件下所能输出的视在功率，对三相变压器而
言，额定容量指三相容量之和。 • (3)额定电压UN(kV或V) • 指变压器长时间运行时所能承受的工作电压。一次额定电压UN，是
还与负载的功率因数有关。图中
分别为二次绕组电压、
电流的标幺值。
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1.2 变压器的运行特性
• 1.2.2电压变化率 • 为了表征U2随负载电流I2变化而变化的程度，引进电压变化率的概
念。所谓电压变化 率是指变压器原边施以交流50 Hz的额定电压， 副边空载电压U20与带负载后在某一功率因数下副边电压U2之差与副 边额定电压U2N的比值，电压变化率的大小反映了供电电压的稳定 性，用△U表示，即
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1.2 变压器的运行特性
• 效率增加很快;当负载达到某 一数值时，效率最大，然后又开始降低。 这是因为随负载P2的增大，铜损耗PCu按β的平方成正比增大,超过某 一负载之后,效率随β的增大反而变小了。
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1.3 三相变压器
• 三相变压器可以用三个单相变压器组成，这种三相变压器称为三相变 压器组，还有一种由 铁轭把三个铁芯柱连在一起的三相变压器，称 为三相芯式变压器。
• 1.2.3变压器的损耗
• 变压器在能量传递过程中会产生损耗，但变压器没有旋转部件，因此
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1.2 变压器的运行特性
• 没有机械损耗。变压 器的损耗主要包括铁损耗和原、副绕组的铜损 耗两部分。由于无机械损耗，故其效率比旋转电 机高，一般中、小 型电力变压器效率在95%以上，大型电力变压器效率可达99%以 上。
• 若将绕组1接到交流电源上，绕组中便有 交流电流i1流过，在铁芯中 产生与外加电压u1相同频率的且与原、副绕组同时交链的交变磁通Φ， 根据电磁感应原理，分别在两个绕组中感 应出同频率的电动势e1和 e2。
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1.1 变压器的基本工作原理和结构
• 式中，N1为原绕组匝数；N2为副绕组匝数。 • 若把负载接于绕组2，在电动势的作用下，就能向负载输出电能，即
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1.1 变压器的基本工作原理和结构
• (3)油箱和冷却装置 • 油浸式变压器的器身浸在充满变压器油的油箱里。变压器油既是绝缘
介质，又是冷却介 质，它通过受热后的对流，将铁芯和绕组的热量 带到箱壁及冷却装置，再散发到周围空气中。 • (4)绝缘套管 • 变压器套管是将线圈的高、低压引线引到箱夕卜的绝缘装置，它将引 线对地(外壳)绝缘，又 起固定引线的作用。套管大多数装于箱盖上， 中间穿有导电杆，套管下端伸进油箱与绕组引线 相连，套管的上部 露出箱外，与外电路连接。 • (5)保护装置 • 储油柜(又称油枕)
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1.1 变压器的基本工作原理和结构
• (2)绕组 • 变压器绕组有同芯式和交叠式两种型式。我国生产的电力变压器，基
本上只有一种结构 型式，即芯式变压器，所以绕组都采用同芯式结 构，如图1.3所示。 • 所谓同芯绕组，就是在铁芯柱的任一横断面上，绕组都是以同一圆筒 形线套在铁芯柱的外 面。一般情况下总是将低压绕组放在里面靠近 铁芯处，将高压绕组放在外面。高压绕组与低 压绕组之间，以及低 压绕组与铁芯柱之间都必须留有一定的绝缘间隙和散热通道（油道）， 并 用绝缘纸板筒隔开。绝缘距离的大小，取决于绕组的电压等级和 散热通道所需要的间隙。当 低压绕组放在里面靠近铁芯柱时，因它 和铁芯柱之间所需的绝缘距离比较小，所以绕组的尺寸 就可以减小， 整个变压器的外形尺寸同时也减小了。
生变化时，气体将通 过吸湿器进出。吸湿器内装有硅胶或活性氧化 铝，用以吸收进入油枕中空气的水分。 • 安全气道（又称防爆筒） • 安全气道装于油箱顶部，是一个长钢圆筒，上端口装有一定厚度的玻 璃板或酚醛纸板，下 端口与油箱连通。它的作用是当变压器内部因 发生故障引起压力骤增时，让油气流冲破玻璃 板或酚醛纸板释放
• 从运行原理来看，三相变压器在对称负载下运行时，各相电压、电流 大小相等，相位上彼此 相差120°，就其一相来说，和单相变压器 没有什么区别。因此单相变压器的基本方程式及运 行特性的分析方 法与结论等完全适用于三相变压器。
• 1.2.4变压器的效率和效率特性
• 变压器效率的大小反映了变压器运行的经济性能的好坏，是表征变压 器运行性能的重要 指标之一。变压器效率是指变压器的输出功率,与
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1.2 变压器的运行特性
• 输入功率,之比，用百分数表示，即
• 变压器的效率可用直接负载法通过测量输出功率P2和输入功率P1， 再通过式(1.7)来确 定。但工程上常用间接法来计算变压器的效率，