变压器基本知识(中文)

1目录第一节变压器的基本知识第二节变压器的基本工作原理第三节变压器的并联运行第四节变压器的投运及维护第五节变压器的异常运行及处理第六节变压器有载分接开关运行维护2第一节变压器的基本知识一、变压器的用途变压器是借助于电磁感应，以相同的频率，在两个或更多的绕组之间，变换交流电压和电流而传输交流电能的一种静止电器。变压器的用途很广，在国民经济的各部门，都十分广泛应用着各种各样的变压器。从电力系统角度而言，一个电力网将许多发电厂和用户连在一起。发电厂发出的电能往往需经远距离传输才能到达用电地区，在传输的功率恒定时，传输电压越高，则所需电流越小。因为电压降正比于电流，电能损耗正比于电流的平方，所以用较高的输电电压可以大大降低线路的电压降和电能损耗。要制造电压很高的发电机，目前技术上还很困难，所以需用升压变压器将发电机端的电压升高以后再输送出去。随着输送距离的增加，输电功率的增大，对变压器的容量和电压等级的要求也就越来越高。而电力网内部存在多种电压等级，这就需要用各种规格电压等级和容量的变压器来连接。另一方面，当电能输送到受电端时，又必须用降压变压器将输电线路上的高电压降低到配电系统的电压，然后再经过配电变压器将电压降低到符合用户各种电气设备要求的电压。由此可见，在电力系统中变压器的地位是十分重要的，不仅需要变压器数量多，通常变压器的安装总容量为发电机的安装总容量的8～10倍。而且要求其性能好，运行安全可靠。变压器除了应用在电力系统中，还应用在需要特种电源的工矿企业中。例如：冶炼用的电炉变压器，电解或化工用的整流变压器，焊接用的电焊变压器，试验用的试验变压器，铁路用的牵引变压器。属于变压器类产品范畴的还有互感器、电抗器、消弧线圈等。由于其基本原理和结构与变压器相似，常和变压器一起统称为变压器类产品。它们的用途更为广泛，品种更多。二、变压器的分类(1)按用途分类，有电力变压器、电炉变压器、整流变压器、电焊变压器、试验变压器、调压变压器、电抗器和互感器等。(2)按电源输出相数分类，有单相变压器、三相变压器。3(3)按冷却介质分类，有干式变压器、油浸式变压器用充气式变压器。(4)按冷却方式分类，有油浸自冷式变压器、油浸风冷式变压器、油浸强迫油循环风冷却变压器、油浸强迫油循环水冷却变压器及干式变压器。(5)按绕组数量分类，有双绕组变压器、三绕组变压器及自耦变压器。(6)按调压方式分类，有无励磁调压变压器、有载调压变压器。(7)按铁心结构分类，有心式变压器、壳式变压器。(8)按中性点绝缘水平分类，有全绝缘变压器、分接绝缘变压器。(9)按导线材料分类，有铜导线变压器、铝导线变压器。三、变压器型号及额定参数1.变压器型号变压器的各种分类不能包含变压器的全部特征，需要产品型号把所有的特征均表达出来。变压器产品型号是用汉语拼音的字母及阿拉伯数字组成，每个拼音和数字均代表一定含义。SFSRNZ-□/□高压绕组电压等级（kV）额定容量(kVA)调压方式：有表示有载调压，无表示是无励磁调压“耐”高温（指绝缘温度等级F级）绝缘（冷却）介质为难“燃”油绕组数：有表示三绕组，无表示双绕组冷却方式：有表示风冷，无表示自冷三相变压器电力变压器产品型号举例：SRNZ-25000/33表示三相有载调压耐高温液浸式自冷双绕组电力变压器，高压额定电压为33kV，额定容量为25000kVA。2.变压器的额定参数（1）额定电压NNUU21/。单位用千伏（kV）来表示，对于三相变压器额定电压均指线电压。（2）额定电流NNII21/。单位用安（A）来表示，对于三相变压器额定电流均4指线电流。（3）额定容量NS。也就是视在功率，单位用千伏安（kVA）来表示。它与额定电压、额定电流的关系如下：单相变压器NNNIUS11；NNNIUS22三相变压器NNNIUS113；NNNIUS223变压器额定容量是变压器输出能力的保证值。变压器的额定容量与绕组的额定容量有所区别，双绕组变压器的额定容量即为绕组的额定容量；多绕组变压器应对每个绕组的额定容量加以规定，其额定容量为最大的绕组额定容量。我国现在变压器的额定容量等级是按1010倍数增加的R10优先数系，只有30kVA及63000kVA以上的与优先数系有所不同。具体容量等级见表1-3。表1-3变压器的额定容量等级单位：kVA1020（30）5063801001251602002503154005006308001000125016002000250031504000500063008000100001250016000200002500031500400005000063000（90000）（120000）（150000）（180000）（240000）（360000）注组成三相变压器组的单相变压器为表中数值的1/3，其余用途的单相变压器与表中数值相同。（4）额定频率f。单位为赫兹（Hz），我国工频为50Hz。（5）空载电流和空载损耗。当变压器二次绕组开路，一次绕组施加额定频率正弦波形的额定电压时，其中所流通的电流称为空载电流I0，通常空载电流以额定电流的百分数表示；变压器空载运行时产生的有功损耗为空载损耗P0。（6）阻抗电压和负载损耗。当变压器二次绕组短路，一次绕组流通额定电5流而施加的电压称阻抗电压UK，通常阻抗电压以额定电压的百分数表示；此时所产生的相当于额定容量与参考温度下的损耗为负载损耗PK。此外，在变压器的铭牌上还给出，相数、接线图与联结组别、运行方式和冷却方式、变压器的总重量、油的总重量等数据。第二节变压器的基本工作原理一、电磁基本定律1.电磁感应定律设磁场中有一N匝的线圈，当线圈交链的磁通φ发生变化时，线圈中就会产生感应电动势。如果感应电动势假定方向与交链的磁通的正方向符合右手螺旋定则，则感应的电动势为dtdNeΦ（2-1）式中e——感应电动势，V；N——线圈匝数；Φd——线圈中磁通的变化，Wb；dt——磁力线变化所需时间，s。2.磁感应强度（磁通密度）磁感应强度为通过垂直单位面积的磁力线数，它是用来衡量磁力线数的强弱的，其计算式可表示为SBΦ（2-2）式中B——磁感应强度；T；φ——磁通，Wb；S——垂直于磁通的面积，m2。3.基尔霍夫第一定律和第二定律基尔霍夫第一定律为流入节点的电流等于流出节点的电流；第二定律为在闭合回路中电位升之和等于电位降之和，这是电路的定律。由于磁与电有相似的规律，故基尔霍夫定律在磁路中同磁适用。设φ为磁路中的磁通，Rm为磁路的磁阻，F0为磁动势，应用欧姆定律则有6mRF0Φ（2-3）在同一磁路上几个线圈就产生几个磁动势，磁通决定于磁动势的总和，即合成磁动势。应用基尔霍夫定律,当有两个磁动势时,合成磁动势为.2.1.0FFF（2-4）同理,电路上的串并联也可以应用到磁路中。4.楞次定律线圈中感应电动势的方向总是企图使它所产生感应电动势产生的新磁通反抗原有磁通的变化，表达式为teΦ（2-5）二、变压器的工作原理变压器的原理是电磁感应原理，是电生磁、磁生电现象的一个具体应用。以相同的频率，在两个或更多的绕组之间，变换交流电压和电流而传输交流电能。其工作原理如下图：变压器的基本组成部分是由绕组在共同磁路上的两个或两个以上的绕组所构成的，现以单相双绕组变压器为例加以分析。图1-1是一台最简单的变压器工作原理图。它由两个匝数不等的线绕组在同一个闭合铁心上，其中接电源的绕组为一次绕组，匝数为1N，接负载的绕组为二次绕组，匝数为2N。变压器工作原理7将变压器的一次绕组的两端接到电压为.1U的交流电源上，当二次侧绕组开路时，在.1U的作用下，变压器一次绕组就有交流电流.0I流过，.0I称为变压器的空载电流。.0I用于建立空载磁动势0.F，1.00.NIF。磁动势0.F在铁心中产生交变磁通，该磁通.Φ在一、二次绕组中感应出电动势.1E、.2E。当二次侧绕组接上负载时，在.2E的作用下，二次绕组就有.2I流过，而一次绕组就由空载时励磁电流.0I增至.1I。1.正方向的规定为了正确表示电压、电流、磁通等量的相位关系，先规定图1-1中箭头表示的方向即为各有关量的正方向，箭头的标定按照电机学惯例。先考虑一次绕组，第一步定.1U的方向，当.1U为正时，A的电位高于X的电位;第二步定.1I(.0I)的方向,当.1I(.0I)为正时,电流从高电位点A流入变压器;第三步定.Φ的方向,根据右手螺旋定则和电流正方向、绕组的绕向确定；第四步定.1E的方向，习惯上往往标.1I（.0I）和.1E为同一方向，故该图中.1E向下为正方向。要注意.1E的正方向是习惯上的标注，实际当增加时，电动势的方向应产生削磁的电流，即实际的.1E的方向此时向上。根据惯例，数学表达式dtdNeΦ前面的负号就是这样得出的。现在考虑二次绕组，第一步定.2I的方向，根据右手螺旋定律，使正电流.2I产生正磁通；第二步定.2E的方向，正电动势产生的电流；第三步定.2U的方向，要求电流.2I自高电位点流出。此时，功率自变压器输出。2.电压比为了讨论方便，假设变压器一、二次侧绕组绕组电阻都等于零；一、二次绕组没有漏磁通，也就是它们是100%耦合；铁心硅钢片磁导率μ为无穷大，即铁心无损耗。这种变压器称为理想变压器，在实际是不存在的，它是在不影响讨论结论正确性的情况下，可以大为简化分析过程和难度。设一、二次绕组的匝数分别为1N和2N，当变压器的一次侧接到频率为f、电压为U1的正弦交流电源时，根据变压器的基本原理可知，铁心中的交变磁通Φ将分8别在一、二次绕组中感应出电动势。一次绕组的感应电动势为dtdNeΦ（2-6）式中dtdΦ为磁通的变化率，负号表示磁通增大时，电动势E1的实际方向与电动势的正方向相反。根据理想变压器特点，回路电势平衡规律可得.1.1EU（2-7）可以推导出它人的数值为mfNEUΦ11144.4（2-8）式中mΦ为磁通幅值。当频率f及一次绕组匝数1N一定时，磁通的大小取决于外加1U。同样，磁通Φ在二次绕组中也感应电动势.2E。mfNEUΦ22244.4（2-9）用式（2-8）除以式（2-9），可得KNNEEUU212121（2-10）式中K就是变压器的电压比，或称变比、匝数比。它的定义是一、二次相电动势之比。对于三相变压器，在已知额定电压(线电压)的情况下，求变比必须换算成额定相电压之比。当1N＞2N时，K＞1，此时1U＞2U，变压器输出电压比输入电压低，这样的变压器称为降压变压器，当1N＜2N时，K＜1，此时1U＜2U，变压器输出电压比输入电压高，这样的变压器称为升压变压器。3.电流比当理想变压器二次侧接负载后，二次绕组中就有电流I2，该电流有改变铁心中磁通Φ的趋势，由于U1不变，铁心中的磁通Φ也保持不变，可以增加一次侧绕组输入电流以平衡二次侧绕组所产生的磁动势。于是可得到磁路的平衡方程式为.0.2.1FFF0.02.21.1NININI（2-11）9当变压器负载较大时，0I≤1I，故可以忽略不计，则02.21.1NINI（2-12）由式(2-12)得出一、二次电流与匝数的数量关系为KNNII11221（2-13）可见一、二次电流与匝数成反比。4.功率关系由式(2-10)和式(2-13)可以得出222122212111PIUNNINNUIUP（2-14）这是理想变压器的功率关系，即输入等于输出，效率是100%。实际变压器在工作过程中，铁心中会产生磁滞损耗和涡流损耗，绕组中会产生电阻损耗。另外，由于漏磁通的存在，还会产生附加损耗，都要消耗一部分功率，其结果是输出功率2P比输入功率1P小，变压器的效率小于100%。第三节变压器的并联运行变压器并联运行是指将两台或多台变压器的一、二次侧分别接到公共的线线上，同时向负载供电的运行方式。下图(a)是两台三相变压器并联运行的接线图，下图(b)是简化表示的意想接线图。（a）(b)变压器的并联运行（a）三相变压器(b)单相图10并联运行有以下优点：(1)提高供电的可靠性。两点或多台变压器并联运行时，当其中一台变压器发生故障或需要检修时，另一台