变电站各组成设备的作用及原理

电磁辐射与防护研究实验室电磁辐射与防护研究实验室第二章变电站的各组成设备的作用以及工作原理2.1变压器的分类、组成材料、构造以及工作原理2.1.1变压器简介变压器的功能主要有：电压变换、电流变换、阻抗变换、隔离、稳压（磁饱和变压器）、自耦变压器、高压变压器（干式和油浸式）等。变压器常用的铁芯形状一般有E型和C型铁芯、XED型、ED型、CD型。变压器按用途可以分为：配电变压器、电力变压器、全密封变压器、组合式变压器、干式变压器、单相变压器、电炉变压器、整流变压器、电抗器、抗干扰变压器、防雷变压器、箱式变电器、试验变压器、转角变压器、大电流变压器、励磁变压器。变压器的昀基本型式，包括两组绕有导线之线圈，并且彼此以电感方式称合一起。当一交流电流(具有某一已知频率)流于其中之一组线圈时，于另一组线圈中将感应出具有相同频率之交流电压，而感应的电压大小取决于两线圈耦合及磁交链之程度。一般指连接交流电源的线圈称之为“一次线圈”(Primarycoil)；而跨于此线圈的电压称之为“一次电压”。在二次线圈的感应电压可能大于或小于一次电压，是由一次线圈与二次线圈间的「匝数比」所决定的。因此，变压器区分为升压与降压变压器两种。大部份的变压器均有固定的铁芯，其上绕有一次与二次的线圈。基于铁材的高导磁性，大部份磁通量局限在铁芯里，因此，两组线圈藉此可以获得相当高程度之磁耦合。在一些变压器中，线圈与铁芯二者间紧密地结合，其一次与二次电压的比值几乎与二者之线圈匝数比相同。因此，变压器之匝数比，一般可作为变压器升压或降压的参考指标。由于此项升压与降压的功能，使得变压器已成为现代化电力系统之一重要附属物，提升输电电压使得长途输送电力更为经济，至于降压变压器，它使得电力运用方面更加多元化，可以这样说，没有变压器，现代工业实无法达到目前发展的现况。电子变压器除了体积较小外，在电力变压器与电子变压器二者之间，并没有明确的分界线。一般提供60Hz电力网络之电源均非常庞大，它可能是涵盖有半个洲地区那般大的容量。电子装置的电力限制，通常受限于整流、放大，与系统其它组件的能力，其中有些部份属放大电力者，但如与电力系统发电能力相比较，它仍然归属于小电力之范围。各种电子装备常用到变压器，理由是：提供各种电压阶层确保系统正常操作；提供电磁辐射与防护研究实验室电磁辐射与防护研究实验室系统中以不同电位操作部份得以电气隔离；对交流电流提供高阻抗，但对直流则提供低的阻抗；在不同的电位下，维持或修饰波形与频率响应。“阻抗”是其中的一项重要概念，亦即电子学特性之一，其乃预设一种设备，即当电路组件阻抗系从一阶层改变到另外的一个阶层时，其间即使用到一种设备—变压器。变压器又有其做试验而用的，是试验变压器，分别可以分为充气式、油浸式、干式等试验变压器，是发电厂、供电局及科研单位等广大用户的用来做交流耐压试验的基本试验设备，通过了国家质量监督局的标准，用于对各种电气产品、电器元件、绝缘材料等进行规定电压下的绝缘强度试验。变压器---利用电磁感应原理，从一个电路向另一个电路传递电能或传输信号的一种电器是电能传递或作为信号传输的重要元件。2.1.2常用变压器的分类以及特点一般常用变压器的分类可归纳如下：1、按相数分：（1）单相变压器：用于单相负荷和三相变压器组。（2）三相变压器：用于三相系统的升、降电压。2、按冷却方式分：（1）干式变压器：依靠空气对流进行冷却，一般用于局部照明、电子线路等小容量变压器。（2）油浸式变压器：依靠油作冷却介质、如油浸自冷、油浸风冷、油浸水冷、强迫油循环等。3、按用途分：（1）电力变压器：用于输配电系统的升、降电压。（2）仪用变压器：如电压互感器、电流互感器、用于测量仪表和继电保护装置。（3）试验变压器：能产生高压，对电气设备进行高压试验。（4）特种变压器：如电炉变压器、整流变压器、调整变压器等。4、按绕组形式分：（1）双绕组变压器：用于连接电力系统中的两个电压等级。（2）三绕组变压器：一般用于电力系统区域变电站中，连接三个电压等级。（3）自耦变电器：用于连接不同电压的电力系统。也可做为普通的升压或降后变压器用。5、按铁芯形式分：（1）芯式变压器：用于高压的电力变压器。电磁辐射与防护研究实验室电磁辐射与防护研究实验室（2）非晶合金变压器：非晶合金铁芯变压器是用新型导磁材料，空载电流下降约80%，是目前节能效果较理想的配电变压器，特别适用于农村电网和发展中地区等负载率较低的地方。（3）壳式变压器：用于大电流的特殊变压器，如电炉变压器、电焊变压器，或用于电子仪器及电视、收音机等的电源变压器。2.1.3电压器的组成材料与结构1、铁芯材料变压器使用的铁芯材料是铁片中加入硅能降低钢片的导电性，增加电阻率，它可减少涡流，使其损耗减少。我们通常称为加了硅的钢片为硅钢片，变压器的质量所用的硅钢片的质量有很大的关系，硅钢片的质量通常用磁通密度B来表示，一般黑铁片的B值为6000-8000、低硅片为9000-11000，高硅片为12000-16000，2、绕制变压器通常用的材料漆包线，纱包线，丝包线纸包线，昀常用的漆包线。对于导线的要求，是导电性能好，绝缘漆层有足够耐热性能，并且要有一定的耐腐蚀能力。一般情况下昀好用QZ型号的高强度的聚脂漆包线。3、绝缘材料在绕制变压器中，线圈框架层间的隔离、绕阻间的隔离，均要使用绝缘材料，一般的变压器框架材料可用酚醛纸板制作，环氧板，或纸板。层间可用聚脂薄膜，电话纸，6520复合纸等作隔离，绕阻间可用黄腊布，或亚胺膜作隔离。4、浸渍材料变压器绕制好后，还要过昀后一道工序，就是浸渍绝缘漆，它能增强变压器的机械强度、提高绝缘性能、延长使用寿命，一般情况下，可采用甲酚清漆作为浸渍材料或1032绝缘漆，树脂漆。5、结构变压器主要部件是绕组和铁心(器身)。绕组是变压器的电路，铁心是变压器的磁路。二者构成变压器的核心即电磁部分。除了电磁部分，还有油箱、冷却装置、绝缘套管、调压和保护装置等部件。（1）铁心　材料：一般由0.35mm或0.5mm冷轧(也用热轧)硅钢片叠成。电磁辐射与防护研究实验室电磁辐射与防护研究实验室　铁心交叠：相邻层按不同方式交错叠放，将接缝错开。偶数层刚好压着奇数层的接缝，从而减少了磁阻，便于磁通流通，如图2-1所示。图2-1常见铁心交叠方法铁心柱截面形状：小型变压器做成方形或者矩形；大型变压器做成阶梯形。容量大则级数多。叠片间留有间隙作为油道(纵向或横向)，如图2-2所示。图2-2常见铁心柱面图（2）绕组　一般用绝缘扁铜线或圆铜线在绕线模上绕制而成。绕组套装在变压器铁心柱上，一般低压绕组在内层，高压绕组套装在低压绕组外层，以便于提高绝缘性能。（3）油、油箱、冷却及安全装置　器身装在油箱内，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：一是在变压器绕组与绕组、绕组与铁心及油箱之间起绝缘作用；二是变压器油受热后产生对流，对变压器铁心和绕组起散热作用。油箱有许多散热油管，以增大散热面积。为了加快散热，有的大型变压器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。这些都是变压器的冷却装置。变压器运行时产生热量，使变压器油膨胀，并流进储油柜中。储油柜使变压器油与空气接触面变小，减缓了变压器油的氧化和吸收空气水分的速度。从而减缓了油的变质。故障时，热量会使变压器油汽化，触动气电磁辐射与防护研究实验室电磁辐射与防护研究实验室体继电器发出报警信号或切断电源。如果是严重事故，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，如图2-3、2-4所示。图2-3储油柜图2-4油浸式变压器1-铭牌；2-信号式密度计；3-吸烟器；4-油裹；5-储油柜；6-安全气道；7-气体凝电器；8-高压套管；9-低压套管；10-分接开关；11-油箱；12-放油阀门；14-接地板；15-小车。2.1.4电压器的工作原理以及相关的技术参数（1）工作原理1-油箱；2-储油柜；3-气体继电器；4-为安全气道电磁辐射与防护研究实验室电磁辐射与防护研究实验室图2-5变压器工作原理图变压器的基本原理是电磁感应原理，现以单相双绕组变压器为例说明其基本工作原理：当一次绕组接交流电压后，就有激磁电流i0存在，该电流在铁心中可产生一个交变的主磁通Φ。Ф在两个绕组中分别产生感应电势e1和e2：e1=－N1*dФ/dt，e2=－N2*dФ/dt(2-1)若略去绕组电阻和漏抗压降，则以上两式之比为：U1/U2≈(-e1)/(-e2)=N1/N2　(2-2)U1/U2≈(-e1)/(-e2)=N1/N2=k，k定义为变压器的变比。即：U1/U2=N1/N2从此式可以看出，若固定U1，只要改变匝数比即可达到改变电压的目的了，即：若使N2N1，则为升压变压器；若使N2N1，则为降压变压器；上述的平衡作用实质上是磁势平衡作用，变压器就是通过磁势平衡作用实现了一、二次侧的能量传递。（2）变压器技术参数1）电压变压器两组线圈圈数分别为N1和N2，N1为初级，N2为次级.在初级线圈上加一交流电压，在次级线圈两端就会产生感应电动势.当N2N1时，其感应电动势要比初级所加的电压还要高，这种变压器称为升压变压器：当N2N1时，其感应电动势低于初级电压，这种变压器称为降变压器.初级次级电压和线圈圈数间具有下列关系：N=U1/U2=N1/N2(2-3)式中n称为电压比(圈数比).当n1时，则N1N2，U1U2，该变压器为降压变压器.反之则为升压变压器。电功率P1=P2，所以电流之比I1/I2=N2/N1。上面的式子只在理想变压器只有一个副线圈时成立。当有两个副线圈时P1=P2+P3，U1/N1=U2/N2=U3/N3，电流则须利用电功率的关系式去求，有多个时依此推类。2）变压器的效率电磁辐射与防护研究实验室电磁辐射与防护研究实验室在额定功率时，变压器的输出功率和输入功率的比值，叫做变压器的效率，即η=(P2÷P1)x100%(2-4)式中η为变压器的效率；P1为输入功率，P2为输出功率。当变压器的输出功率P2等于输入功率P1时，效率η等于100%，变压器将不产生任何损耗。但实际上这种变压器是没有的.变压器传输电能时总要产生损耗，这种损耗主要有铜损和铁损。铜损是指变压器线圈电阻所引起的损耗。当电流通过线圈电阻发热时，一部分电能就转变为热能而损耗。由于线圈一般都由带绝缘的铜线缠绕而成，因此称为铜损。变压器的铁损包括两个方面；一是磁滞损耗，当交流电流通过变压器时，通过变压器硅钢片的磁力线其方向和大小随之变化，使得硅钢片内部分子相互摩擦，放出热能，从而损耗了一部分电能，这便是磁滞损耗。另一是涡流损耗，当变压器工作时，铁芯中有磁力线穿过，在与磁力线垂直的平面上就会产生感应电流，由于此电流自成闭合回路形成环流，且成旋涡状，故称为涡流。涡流的存在使铁芯发热，消耗能量，这种损耗称为涡流损耗。变压器的效率与变压器的功率等级有密切关系，通常功率越大，损耗与输出功率就越小，效率也就越