1、電機與電氣控制技術(shù)與實踐項目三 變壓器的應用與維護任務一 認識變壓器學習目標認識單相變壓器的基本結(jié)構(gòu)；了解變壓器的用途和分類；理解單相變壓器的工作原理；了解變壓器銘牌的含義。任務分析變壓器是通過電磁感應原理制成的靜止電氣設(shè)備，能將一種等級的交流電，變換為同頻率的另一種等級的交流電。變壓器在許多領(lǐng)域得到廣泛的應用：例如，在電力系統(tǒng)中，電力變壓器起著重要的升壓或降壓作用；在測量系統(tǒng)和自動控制系統(tǒng)中使用的互感器，可以將大電流變?yōu)樾‰娏鳎唠妷鹤優(yōu)榈碗妷海辉趯嶒炇业恼{(diào)壓變壓器，可以任意調(diào)節(jié)電壓；用于電弧焊接的電焊變壓器，具有陡降的輸出特性；用于電子擴音電路的變壓器，可進行阻抗匹配；脈沖變壓器可以傳送脈

2、沖波。知識鏈接一、變壓器的用途二、變壓器的分類變壓器的種類很多，可以按用途、結(jié)構(gòu)、相數(shù)、冷卻方式等來進行分類。1根據(jù)用途不同分類（1）電力變壓器包括升壓變壓器、降壓變壓器、配電變壓器、廠用變壓器等。圖3-1升壓變壓器 圖3-2 降壓變壓器（2）特種變壓器包括電爐變壓器、整流變壓器、電焊變壓器、儀用互感器(又可分為電壓互感器和電流互感器)、高壓試驗變壓器、調(diào)壓變壓器和控制變壓器等。 圖3-3 幾種常見特種變壓器外形2根據(jù)繞組數(shù)目不同分類可分為自耦變壓器(只有一個繞組)、雙繞組變壓器、三繞組變壓器和多繞組變壓器。3根據(jù)冷卻方式和冷卻介質(zhì)不同分類（1）干式變壓器（2）油浸式變壓器包括油浸自冷、油浸風

3、冷、強迫油循環(huán)冷卻變壓器。（3）充氣式變壓器圖3-4干式變壓器 圖3-5油浸式變壓器4根據(jù)鐵心結(jié)構(gòu)不同分類可分為心式變壓器和殼式變壓器。5根據(jù)相數(shù)的不同分類可分為單相變壓器、三相變壓器和多相變壓器。6根據(jù)容量不同分類電力變壓器按容量大小通常分為小型變壓器（容量為10630kVA）、中小型變壓器（容量為8006300 kvA）、大型變壓器（容量為800063 000 kVA）和特大型變壓器（容量在90 000 kVA及以上)。三、變壓器的基本結(jié)構(gòu)變壓器最主要的組成部分是鐵心和繞組，稱之為器身，以及放置器身且盛滿變壓器油的油箱。此外，還有一些為確保變壓器運行安全的輔助器件。圖3-6為一臺油浸式電力

4、變壓器外形圖。圖3-6 油浸式電力變壓器1放油閥門 2繞組 3鐵心 4油箱 5分接開關(guān) 6低壓套管7高壓套管 8氣體繼電器 9安全氣道 10油表 11儲油柜 12吸濕器 13濕度計1鐵心2繞組3其他結(jié)構(gòu)附件（1）油箱（2）儲油柜（3）分接開關(guān)（4）絕緣套管四、變壓器的銘牌與額定值1變壓器的型號及冷卻方式2變壓器的額定值按照國家標準規(guī)定，標注在銘牌上的，代表變壓器在規(guī)定使用環(huán)境和運行條件下的主要技術(shù)數(shù)據(jù)，稱為變壓器的額定值(或稱為銘牌數(shù)據(jù))，主要有：（1）額定容量是變壓器在正常運行時的視在功率，通常以SN來表示，單位為伏安(VA)或千伏安(kVA)。對于一般的變壓器，原、副邊的額定容量都設(shè)計成相

5、等。（2）額定電壓：在正常運行時，規(guī)定加在原邊繞組上的電壓，稱為原邊的額定電壓，以U1N來表示；當副邊繞組開路(即空載)，原邊繞組加額定電壓時，副邊繞組的測量電壓，即為副邊額定電壓，以U2N來表示。在三相變壓器中，額定電壓系指線電壓，單位為伏(V)或千伏(kV)。（3）額定電流：是指根據(jù)額定容量和額定電壓計算出來的電流值。原、副邊的額定電流分別用I1N、I2N來表示，單位為安(A)。（4）額定頻率：我國以及大多數(shù)國家都規(guī)定fN=50Hz。額定容量、額定電壓和額定電流之間的關(guān)系為： 單相變壓器： 三相變壓器： 銘牌是裝在設(shè)備、儀器等外殼上的金屬標牌上面標有名稱、型號、功能、規(guī)格、出廠日期、制造廠

6、等字樣，是用戶安全、經(jīng)濟、合理使用變壓器的依據(jù)。任務二 單相變壓器的運行學習目標了解變壓器變電壓、變電流、變阻抗的工作原理；熟悉單相變壓器的空載試驗和短路試驗；熟悉單相變壓器的外特性和效率特性。任務分析變壓器是一種靜止的電氣設(shè)備，它利用電磁感應原理，把一種電壓等級的交流電轉(zhuǎn)換或同一頻率的另一種電壓等級的交流電。變壓器是電力系統(tǒng)中的重要設(shè)備，它不僅在電能的傳輸、安全使用上有重要作用，而且廣泛應用于電氣控制系統(tǒng)、電子技術(shù)領(lǐng)域、焊接技術(shù)領(lǐng)域等。知識鏈接一、變壓器的工作原理下面以單相雙繞組變壓器為例分析其工作原理：在一個閉合的鐵心上纏繞兩個繞組，其匝數(shù)既可以相同，也可以不同，但一般是不同的。如圖2.1

7、所示，兩個繞組之間只有磁的耦合，而沒有電的聯(lián)系。圖3-11 單相雙繞組變壓器原理圖與電源相連的繞組，接受交流電能，通常稱為原邊繞組(初級繞組、一次繞組)，以A、X標注其出線端；與負載相連的繞組，送出交流電能，通常稱為副邊繞組(次級繞組、二次繞組)，以a、x標注其出線端。原邊的匝數(shù)、電壓、電動勢、電流分別以N1、u1、e1、i1來表示；副邊的匝數(shù)、電壓、電動勢、電流分別以N2、u2、e2、i2來表示。當原邊繞組接通電源，便會在鐵心中產(chǎn)生與電源電壓同頻率的交變磁通。忽略漏磁，該磁通便同時與原、副邊繞組相交鏈，耦合系數(shù)kc=1，這樣的變壓器稱為理想變壓器。根據(jù)電磁感應定律，可寫出電壓、電動勢的瞬時方

8、程式分別為 于是可得電動勢比： 。若磁通、電動勢均按正弦規(guī)律變化，k稱為變壓器的變比，也稱為匝比，通常用有效值之間的比值來表示：二、變壓器的空載運行變壓器的原邊繞組接在電網(wǎng)上，副邊繞組開路時的運行狀態(tài)，稱為空載運行。此時，i2=0，變壓器內(nèi)部的物理過程比較簡單，先從變壓器這樣一個最簡單的情況來研究其電磁過程。 （一）空載運行時的物理狀況 變壓器的各電磁量都是交流量，為分析和計算方便，必須規(guī)定出其正方向。圖2.5所示變壓器各量的正方向是遵循慣例，按下面所述的相應電磁規(guī)律來規(guī)定的。 圖3-12 變壓器工作原理示意圖(1) u1、u2：u1的正方向規(guī)定由首端指向末端；u2的正方向規(guī)定從末端指向首端。

9、 (2) m、s ：其正方向與產(chǎn)生它們的電流符合右手螺旋定則。因此，判定磁通的正方向時必須注意繞組的繞向。(3) e1、e1s和e2、e2s：正方向與產(chǎn)生它們的磁通符合右手螺旋定則，即符合定磁感應定律：。(4) i1、i2：正方向與相應的電勢方向一致。 變壓器空載時各量的正方向規(guī)定與上述類似，如圖2.6所示。圖3-13 變壓器空載運行原理圖變壓器在空載運行時，原邊繞組N1接入電壓為u1的電網(wǎng)后，便會有空載電流i0流過，進而產(chǎn)生空載交變磁勢F0=i0 N1，建立空載磁場。磁場由兩部分磁通組成：因為鐵心磁導率比油或空氣的磁導率大得多，絕大部分磁通存在于鐵心中，這部分磁通同時與原邊、副邊繞組相交鏈，

10、稱為主磁通m；少量的磁通1s只與原邊繞組相交鏈，稱為原邊側(cè)漏磁通。由于主磁通同時與原邊、副邊繞組相交鏈，因此從原邊側(cè)到副邊側(cè)的能量傳遞主要是依靠主磁通的媒介而實現(xiàn)的。選擇圖2.6所示的正方向，根據(jù)基爾霍夫第二定律(KVL)及電磁感應定律，可得 ： 如果各物理量均按正弦規(guī)律變化，便可用如下的相量形式來表示：1感應電動勢首先研究主磁通所產(chǎn)生的感應電動勢。 由于漏磁通遠小于主磁通，故，空載時的原邊繞組壓降也很小。忽略這兩者(它們之和只有u1的0.2%左右)的影響時，可認為u1e1。可見當u1是正弦波時，e1和m也按正弦規(guī)律變化。 設(shè)m =m sinwt，則 e1、e2的有效值分別為 相應的相量表達式

11、為 由上式可以看出，和在相位上都滯后于產(chǎn)生它們的磁通 90°，由以上分析可以得到 ， k稱為變壓器的變比。可見只要選擇適當?shù)脑叀⒏边吚@組匝數(shù)，就可以產(chǎn)生所需要的電壓。考慮到u1e1，則有 變壓器在空載運行時，存在少量的與原邊繞組相交鏈的漏磁鏈 ，它也是隨時間交變的，因而也會在原邊繞組中感應產(chǎn)生漏電動勢。下面對其進行分析。 由于漏磁通的路徑大部分在磁導率比較小的空氣或油中，它一般不會飽和，可以認為漏磁通與空載電流i0成正比，所以 是一常數(shù)。于是可得漏磁通產(chǎn)生的感應電動勢為 當i0按正弦規(guī)律變化時，上式可以寫成相量形式： 2. 空載電流變壓器的空載電流i0一方面建立磁場，另一方面要補償

12、空載運行時變壓器的損耗。前者僅起磁化作用，稱為勵磁電流或磁化電流，是i0中的無功分量，以im表示；后者是有功分量，以iFe表示。因此，i0=im+iFe。一般來說，iFeim。為簡化起見，常忽略iFe，將i0看成勵磁電流，即i0im。 圖3-14 鐵心未飽和時勵磁條成飽和特性由于變壓器的鐵心材料是鐵磁物質(zhì)，有磁飽和現(xiàn)象存在，其飽和程度對i0的大小、波形都有一定的影響。(1) 當鐵心未飽和時，磁通與勵磁電流之間按線性關(guān)系變化，如圖2.7所示。在這種情況下，如果磁通隨時間正弦變化，則勵磁電流也是正弦波。并且它們在時間上同相位。(2) 當鐵心飽和時，鐵磁材料的磁化曲線便是一的曲線，勵磁電流和磁通之間

13、便失電流和磁通波去了線性關(guān)系。當磁通為正弦波時，勵磁電流則是一個尖頂波，如圖2.8(a)所示，采用諧波分析方法，可將im分解成基波和一系列高次諧波。由于勵磁電流關(guān)于橫軸對稱，故只存在奇次諧波：im= im1sinwtim3sin3w tim5sin5w t 在工程上，通常用一個等效的正弦波代替尖頂波，該等效正弦波的幅值為 且等效的正弦波與基波具有相同的頻率和相位。如果勵磁電流是正弦波，磁通便為一平頂波。如圖2.8(b)所示。圖3-15 當磁路飽和時勵磁電流和磁通波形圖a) 磁通為正弦波，勵磁電流為尖頂波 (b) 勵磁電流為正弦波，磁通為平頂波（二）空載運行時的電動勢平衡方程式、相量圖以及等效電

14、路 1. 電動勢平衡方程式為簡單起見，上面的分析有時是在忽略漏磁通和原邊繞組電阻的情況下進行的。然而，它們都是客觀存在的，考慮到其影響，有 相應的瞬時值表達式為2. 相量圖及等效電路根據(jù)變壓器空載運行時的實際物理情況，可以把原邊繞組等效為一個電阻、一個空心線圈和一個實心線圈串聯(lián)組成，如圖2.9所示。電阻即為繞組內(nèi)阻，空心線圈所產(chǎn)生的磁通為原邊繞組的漏磁通，實心線圈產(chǎn)生的磁通為鐵心中的主磁通。這樣就可以把實際的原邊繞組與三個理想元件相等效，便于作進一步分析。 空載電流i0流過實心線圈時，便會產(chǎn)生主磁通m，該磁通在同時與原邊、副邊繞組相交鏈的同時，也會在鐵心中產(chǎn)生磁滯損耗和渦流損耗。所以，由產(chǎn)生磁

15、通的無功分量 和用以補償鐵心損耗的有功分量共同組成，即 。為了弄清這三者之間的相位關(guān)系，可進一步把實心線圈等效為一個電阻與一個線圈相并聯(lián)的形式。其中，流過電阻所消耗的功率與鐵心的損耗相等效；流過則產(chǎn)生主磁通。如圖2.10所示。這樣等效完全不改變變壓器空載運行時的實際情況。由此便可得出這3個電流量之間的相位關(guān)系如圖2.11所示。 圖3-16空載時原邊繞組等效圖 圖3-17 空載時電流分析等效圖從圖2.11可以看出，在相位上超前一個aFe角，這是由于磁通流過鐵心時產(chǎn)生鐵耗引起的。故可以把這一角度稱為鐵耗角。把和并聯(lián)支路經(jīng)過串并聯(lián)等效變換，便可等效為一個R的電阻和的電感相串聯(lián)的 形式，考慮到 ，于是

16、有：圖3-18 勵磁電流相量圖通過以上的分析，便可以得到變壓器在空載運行時的等效電路如圖2.12所示。 在繪制相量圖時，可以選擇為參考相量，、在相位上滯后90°，超前 一個鐵耗角aFe，根據(jù)公式便可進一步得到 。相量圖如圖2.13所示。 圖3-19 變壓器空載時的等效電路圖 圖3-20 變壓器空載運行時的相量圖三、變壓器的負載運行原邊繞組接通額定電壓，副邊繞組接上負載ZL時，稱為變壓器的負載運行。其工作原理圖如圖2.5所示。 （一）負載運行時的物理狀況 副邊接上了負載ZL后，在感應電動勢的作用下，副邊繞組便會有電流產(chǎn)生，進而產(chǎn)生磁動勢，該磁動勢也作用在主磁路上，企圖改變空載運行時所建

17、立起來的主磁通。正是由于的出現(xiàn)，變壓器負載運行時內(nèi)部的物理情況與空載運行時有所不同。但是，一般變壓器Z1是很小的，即便是在額定運行時，I1NZ1也只占到U1的2%6%，故仍可忽略。所以有。所以只要原邊繞組所加電壓U1不變，就可以認為變壓器由空載到負載時保持不變，這在工程上是完全允許的。由可知，基本保持不變，這就是變壓器恒磁通原理。即無論變壓器工作在空載狀態(tài)還是負載狀態(tài)，其主磁通近似保持不變。正是由于這一原理，負載與空載時，產(chǎn)生主磁通的總磁動勢應該相同即 上式表明變壓器從空載到負載，副邊繞組中便會有電流產(chǎn)生，與此同時，原邊繞組中必定產(chǎn)生一個電流增量，來抵消對主磁通的影響，以保持恒磁通關(guān)系，這樣才

18、能把電能從原邊鐃組傳遞到副邊繞組。 （二）負載運行時的基本方程式 1. 磁動勢平衡方程式由前面的討論可知，變壓器在負載運行時的磁動勢平衡方程為上式表明負載運行時，原邊繞組中的電流可以看成是由兩部分組成，一部分為產(chǎn)生主磁通的勵磁分量，一部分為抵消副邊繞組磁動勢作用的負載分量。 2. 電動勢平衡方程式 變壓器在負載運行時，除了原邊、副邊繞組共同產(chǎn)生主磁通外，還會分別產(chǎn)生只與自身繞組相交鏈的、少量漏磁通、，它們又分別會在原邊、副邊繞組中感應產(chǎn)生漏電動勢、；另外，繞組本身也會存在電阻壓降。于是在各量所選參考方向如圖2.6所示的情況下，根據(jù)基爾霍夫第二定律(KVL)，可得原邊、副邊繞組電動勢平衡方程為

19、或（三）繞組歸算、等效電路及相量圖 利用變壓器負載運行時的磁動勢、電動勢平衡方程式以及原、副邊之間的電壓比關(guān)系，可以計算出變壓器在穩(wěn)態(tài)運行時的各個電磁量。但是對于既有電路又有磁路的變壓器而言，用方程組計算十分繁瑣，為此我們希望有一個能正確反映變壓器內(nèi)部電磁關(guān)系的單純電路來代替實際的變壓器，用電路的理論對其進行分析和計算，這種電路稱為等效電路。可以采用繞組歸算的方法來得到變壓器的等效電路。既可以把原邊繞組歸算到副邊繞組，也可以把副邊繞組歸算到原邊繞組。下面就以副邊繞組歸算為例來說明其步驟。所謂的副邊繞組歸算，就是用一個與原邊繞組具有相同匝數(shù)N1的繞組，去代替實際的、匝數(shù)為N2的副邊繞組。歸算的目

20、的，僅僅是為了簡化分析和計算，歸算前后的變壓器應該具有相同的電磁過程、能量傳遞關(guān)系。副邊繞組是通過其電流所產(chǎn)生的磁動勢去影響原邊繞組的，因此，歸算前后的副邊繞組磁動勢應該保持不變。這樣將有相同的電流和功率從原邊繞組進入變壓器，并有同樣的功率傳遞到副邊繞組，最后輸送給負載。如果設(shè)定歸算后的各量用原來的符號加“”表示，則歸算規(guī)律如下：1. 電流歸算根據(jù)歸算前后的磁動勢保持不變，有，考慮，有 2. 電動勢與電壓歸算由于歸算前后磁動勢保持不變，因此主磁通也不會改變，感應電動勢就與所對應的匝數(shù)成正比 ，根據(jù)歸算前后的副邊繞組從原邊繞組得到的視在功率不變，有 即 同理，二次側(cè)漏磁電動勢、端電壓的折算值為3

21、. 阻抗歸算根據(jù)歸算前后副邊繞組的銅耗和無功功率保持不變的原則，有 同理，根據(jù)以上的歸算規(guī)律，變壓器的基本方程式可歸納為 根據(jù)所學過的電路知識，可以看出，與基本方程式相對應的等效電路應該具有兩個節(jié)點(只有一個KCL方程)、兩個單孔回路(有兩個KVL方程)。其等效電路如圖2.14所示。 圖3-21 變壓器的T型等效電路圖 圖3-22 變壓器的型等效電路 圖2.14所示的等效電路為變壓器在負載運行時的T型等效電路。當變壓器在額定點附近運行時，勵磁支路上的電流遠小于原邊電流 ，勵磁支路便可以提到原邊支路的前面，這種電路稱為變壓器的型等效電路， 如圖2.15所示。在此基礎(chǔ)上，可進一步簡化為近似等效電路

22、，如圖2.16所示。 圖3-23 變壓器的近似型等效電路選擇為參考相量，根據(jù)基本方程式可以畫出變壓器負載運行時的相量圖，假定所帶負載為感性負載。 滯后 一個角度 ，根據(jù)基本方程可畫出變壓器負載運行時電壓相量圖如圖2.17所示。圖3-24 變壓器負載運行時的相量圖四、變壓器參數(shù)的測定和標幺值在對變壓器進行分析和計算時，所用到的參數(shù)可以通過空載試驗和短路試驗來求取。 （一）空載試驗通過空載試驗可以測定：(1)變比k；(2)空載損耗P0；(3)勵磁參數(shù)、。理論上空載試驗即可以在高壓側(cè)進行，也可以在低壓側(cè)進行，但為了安全起見，一般是在低壓側(cè)進行。單相變壓器空載試驗接線圖如圖2.18所示。假定試驗對象為

23、一臺升壓變壓器，則原邊繞組為低壓側(cè)。在原邊繞組施加額定電壓，分別測取、。空載運行時，比較小，所以繞組銅耗圖3-25 空載試驗接線圖也比較小，但所施加的電壓為額定電壓，根據(jù) 可知，主磁通為額定值，而鐵耗的大小取決于磁場的強弱，故空載時所測功率可認為近似等于鐵心中的鐵耗，即。又因為主磁通遠大于漏磁通，有，其等效電路如圖3-26所示。 圖3-26 空載試驗等效電路圖空載時所測阻抗可近似等效為勵磁阻抗，即 對三相變壓器而言，公式中的各量都要采用相值，即一相的損耗、相電壓和相電流。 所測勵磁阻抗是否需要歸算，視要求而定。例如一臺降壓變壓器，副邊繞組屬于低壓側(cè)，試驗在副邊繞組進行，測的參數(shù)便屬于副邊繞組參

24、數(shù)，如要求得到歸算到原邊繞組的參數(shù)，便須在計算值的基礎(chǔ)上乘以變比的平方。需要指出的是，勵磁阻抗與鐵心的飽和程度有關(guān)，電壓超過額定值越多，飽和程度越高，越小。常用的勵磁阻抗為對應于額定電壓下所測的 。 （二）短路試驗 通過短路試驗可以測定：短路參數(shù)、；額定銅耗。短路試驗時，副邊繞組處于短路狀態(tài)。理論上短路試驗即可以在高壓側(cè)進行，也可以在低壓側(cè)進行，但為了安全起見，一般是在高壓側(cè)進行。短路試驗接線圖如圖3-27所示。圖3-27 短路實驗接線圖下面以降壓變壓器為例來說明其試驗步驟。原邊繞組為高壓側(cè)，故在原邊繞組加壓。開始時電壓必須很低，直到原邊、副邊繞組電流達到額定值。此時測得、。由于短路試驗所施加

25、電壓很低，僅為的4%10%，根據(jù)，可知很小，鐵耗也很小，鐵心的飽和程度低，故就很大，勵磁支路可認為處于開路狀態(tài)，從電源所吸收的功率也可以認為是全部消耗在繞組電阻上。此時，等效電路如圖3-28所示。可以由以下公式求取短路參數(shù)圖3-28 短路試驗等效電路繞組電阻與溫度有關(guān)，根據(jù)國家標準，對于絕緣等級為A、B、E的油浸式變壓器，在試驗溫度下所測得電阻值需折算到75。折算規(guī)律如下式所示：當繞組為銅線時，上式中，T = 234.5；為鋁線時，T = 228。短路試驗中，把繞組電流達到額定值時，加在原邊繞組兩端的電壓稱為短路電壓或阻抗電壓 ；所測得稱為短路阻抗。它們一般用標幺值來表示。（三）標幺值在變壓器

26、的分析和計算中，有時會采用標幺值來表示某一物理量的大小。所謂的標幺值是指某一物理量的實際值與所選基值之間的比值。即：標幺值=實際值/基值。基值一般選擇為額定值。對變壓器而言，其標幺值及基值的選擇如下：(1) 電壓： ， (2) 電流： ， (3) 阻抗： ， 其中 ， 可見，基值如何選取，首先要看該物理量屬于哪一側(cè)，一般選擇所屬側(cè)相應的額定值作為其基值。 用標幺值來描述某一物理量具有以下優(yōu)點：(1) 可以直觀地看出變壓器的運行狀況。比如一臺變壓器，已知其原邊所加電壓U1=110V，電流I1=10A。對此，除了其實際工作電壓和電流，我們看不出其他任何東西。如果我們知道 ，便可以十分清楚地知道原邊

27、所加的電壓為額定值，而電流只達到額定電流的50%，處于帶半載的工作狀態(tài)。(2) 可以根據(jù)標幺值判定變壓器的性能是否正常。無論變壓器容量的大小，其空載電流的標幺值 一般為2%5%，短路阻抗的標幺值 一般為4%10%。如果已知一臺變壓器的 =25% ，初步可以判斷該變壓器已經(jīng)出現(xiàn)了不正常的工作狀態(tài)。(3) 繞組歸算前后，物理量的標幺值保持不變。為此，我們就沒有必要知道到底是從哪一側(cè)往另外一側(cè)歸算。例如 這是由于在歸算前，屬于副邊參數(shù)，其基值應該選副邊阻抗的額定值，歸算到原邊以后，已屬于原邊參數(shù)，其值增大為原來的倍，但此時應該選擇原邊繞組額定阻抗作為其基值，歸算值與基值同時增為原來的倍，故歸算前后標

28、幺值不變。(4) 采用標幺值后，可以使計算變得簡單。 五、變壓器的運行特性變壓器的運行特性包含兩個方面：(1) 外特性。即原邊繞組施加額定電壓，負載的功率因數(shù)保持不變時，副邊繞組端電壓隨負載電流的變化規(guī)律。(2) 效率特性。 （一）外特性和電壓調(diào)整率由于原邊繞組所加電壓始終為額定值，主磁通保持不變，副邊繞組的感應電動勢 也保持不變。當副邊電流發(fā)生變化時，副邊漏阻抗壓降也會發(fā)生變化，從而導致副邊端電壓隨之變化。將其變化規(guī)律用曲線描述出來，就是變壓器的外特性曲線。變壓器在純電阻或感性負載時，外特性曲線呈下降趨勢，而在容性負載時可能出現(xiàn)上翹的情況。純電阻時，端電壓變化比較小，感性或容性成分增加時，端

29、電壓變化量會加大。在變壓器分析過程中，通常用電壓調(diào)整率來衡量端電壓變化的程度。電壓調(diào)整率指的是在原邊繞組施加額定電壓，負載功率因數(shù)一定，變壓器從空載到負載時，端電壓之差（）與副邊額定電壓之比的百分值。即 下面通過對變壓器負載運行時簡化電路的相量圖的分析，以感性負載為例，對電壓調(diào)整率作進一步可以得出式中負載系數(shù)，當所帶負載為額定負載時=1對三相變壓器而言，在利用上式計算電壓調(diào)整率時，電壓電流分別用相電壓、相電流的額定值來代替。從該式還可以看出，一般比大得多，故在純電阻負載時很小；在感性負載時0，較大且為正值，說mign負載時二次側(cè)端電壓比空載時低；當所帶負載呈容性時0，0，當時，為負值，則說明負

30、載時二次側(cè)端電壓比空載時高，外特性便會呈上翹的特性。在一定程度上，電壓調(diào)整率可以反映出變壓器的供電品質(zhì)，是衡量變壓器性能的一個非常重要的指標。不同性質(zhì)的負載的U2= f(I2)曲線如圖3-29所示。圖3-29 變壓器的外特性（二）變壓器的損耗與效率變壓器的效率指的是輸出的有功功率與輸入的有功功率之比，即首先認為變壓器負載運行時，副邊端電壓的變化可以忽略。則三相變壓器的輸出功率與上式具有相同的形式，只不過需要把式中變壓器的容量用代替，下面對變壓器的損耗加以分析。在負載運行時，變壓器存在兩種損耗，鐵耗與銅耗，變壓器的鐵耗與原邊繞組所施加的電壓有關(guān)，在其不變的前提下，鐵耗為一常數(shù)，通常稱為不變損耗，

31、由于變壓器原邊繞組所加電壓為額定電壓，其鐵耗可認為與空載試驗時所測的空載損耗相等；變壓器的銅耗為原邊、副邊繞組電阻上所消耗的功率，由變壓器負載運行時的簡化等效電路可知 由上式可以看出，變壓器的銅耗隨負載的變化而變化，故可稱之為可變損耗。變壓器的效率為 由上式算出的效率稱為慣例效率。變壓器的效率特性曲線如圖3-30所示。從該特性曲線可以看出，在某一負載時效率最高。我們可以根據(jù)高等數(shù)學的理論，求得效率最高的條件為。即當不變損耗(鐵耗)等于可變損耗(銅耗)時，變壓器具有最高效率。考慮到變壓器的實際情況，一般并不在額定狀態(tài)下運行，在設(shè)計變壓器時，常常讓變壓器在1時達到最高效率。這樣做的目的主要是讓鐵耗

32、盡量的小一些。效率的高低可以反映出變壓器運行的經(jīng)濟性能，它也是一項重要指標。由于變壓器是一種靜止的裝置，在能量傳遞過程中沒有機械損耗，所以其效率比同容量的旋轉(zhuǎn)電機要高一些。一般電力變壓器的額定效率0.99。圖3-30變壓器的效率曲線任務三 三相變壓器的應用學習目標了解三相變壓器的基本結(jié)構(gòu)；理解三相變壓器的工作原理；熟悉三相變壓器的聯(lián)結(jié)組。任務分析三相變壓器是輸配電系統(tǒng)中改變?nèi)嘟涣麟妷阂詫崿F(xiàn)電能傳遞或電能分配的電氣設(shè)備，它可以由3臺單相變壓器連接而成，又稱為三相變壓器組。但大部分三相變壓器是將三相繞組分別繞在同一個鐵芯的3個鐵芯柱上，通過鐵軛形成一個三相磁路，構(gòu)成三相一體的芯式變壓器結(jié)構(gòu)。中、

33、小型電力變壓器是指高壓側(cè)電壓在10kV以下、容量在6300kVA以下的三相變壓器，主要用于電力系統(tǒng)中，當作配電變壓器使用。目前生產(chǎn)和使用的中、小型電力變壓器有油浸式變壓器、干式變壓器和組合式變壓器。了解它們的結(jié)構(gòu)對變壓器的正確維護及故障檢修有著重要的意義。知識鏈接一、三相變壓器的磁路系統(tǒng)鐵心的結(jié)構(gòu)特點1三相變壓器組的磁路系統(tǒng)三相組式變壓器是由三個單相變壓器按一定方式連接起來組成的，如圖3.10所示。由于每相的主磁通各沿自己的磁路閉合，因此相互之間是獨立的，彼此無關(guān)。當一次繞組加上三相對稱電壓時，三相主磁通必然對稱，三相的空載電流也是對稱的。圖3-31 三相變壓器組的磁路系統(tǒng)2三相心式變壓器的磁

34、路系統(tǒng)與三相組式變壓器不同，三相心式變壓器的磁路相互關(guān)聯(lián)。它是通過鐵軛把3個鐵心柱連在一起的。如圖2.25所示。這種鐵心結(jié)構(gòu)是從單相變壓器演變過來的，把3個單相變壓器鐵心柱的一邊組合到一起，而將每相繞組纏繞在未組合的鐵心柱上。由于在對稱的情況下，組合在一起的鐵心柱中不會有磁通存在，故可以省去。和同容量的三相組式變壓器相比，三相心式變壓器所用的材料較少、質(zhì)量輕。圖3-32 三相心式變壓器的磁路系統(tǒng)二、三相變壓器的電路系統(tǒng)聯(lián)接組三相變壓器原、副繞組不同的連接組別，導致了原、副繞組相應的電動勢（線電壓）的相位差也就不同，它是三相變壓器并聯(lián)運行必不可少的條件之一。而單相變壓器的連接組別是三相變壓器連接

35、組的基礎(chǔ)。1變壓器原邊、副邊繞組首末端標記及連接方法 單相變壓器原邊繞組的首、末端被標記為U、X；把副邊繞組的首、末端標記為u、x。對三相變壓器而言，為研究方便，也對其首、末端加以標記，如表2-1所示。 表2-1 三相變壓器首末端標記繞組名稱首端末端中點原邊繞組U、V、WX、Y、ZO副邊繞組u、v、wx、y、zO理論上來說，三相變壓器的原、副邊繞組都可以根據(jù)需要接成星形(Y)或三角形()。一旦按規(guī)定的接法連接完成，其表示方法便隨之確定。為方便起見，用Y/y表示原、副邊的星形接法；用D/d來表示原、副邊的三角形接法。原邊繞組在接成星形(Y)時，如果有中線引出，則用YN表示；副邊繞組在接成星形(Y

36、)時，如果有中線引出，則用yn表示。例如：YN，d表示原邊繞組為星形接法，并且有中線引出，副邊繞組為三角形接法；D，y表示原邊繞組為三角形接法，副邊繞組為星形接法，無中線引出。聯(lián)結(jié)組是變壓器運行中的一個重要概念。下面，首先來研究單相變壓器的連接組，在此基礎(chǔ)上引入三相變壓器的連接組。2單相變壓器的連接組 單相變壓器的原邊、副邊繞組纏繞在同一根鐵心柱上，并被同一主磁通所交鏈，任何時刻兩個繞組的感應電動勢都會在某一端呈現(xiàn)高電位的同時，在另外一端呈現(xiàn)出低電位。借用電路理論的知識，把原邊、副邊繞組中同時呈現(xiàn)高電位(低電位)的端點稱為同名端，并在該端點旁加“”來表示。按照慣例，統(tǒng)一規(guī)定原邊、副邊繞組感應電

37、動勢的方向均從首端指向末端。一旦兩個繞組的首、末端定義完之后，同名端便唯一由繞組的繞向決定。當同名端同時為原邊、副邊繞組的首端(末端)時，和同相位，用連接組I/I-12表示，如圖2.26所示；否則，和相位相差180°，用連接組I / I-6表示，如圖2.27所示。圖3-33I/I-12聯(lián)結(jié)組圖3-34I/I-聯(lián)結(jié)組由此可見，單相變壓器原邊、副邊感應電動勢的方向存在兩種可能：同為電動勢升(降)；一個為電動勢升，另一個為電動勢降。3二相變壓器繞組的接法三相變壓器的一次繞組和二次繞組均可以接成星形或三角形。國家標準規(guī)定，一次繞組星形接法用丫表示，有中線時用YN表示，三角形接法用D表示。二次

38、繞組星形接法用y表示，有中線時用yn表示，三角形接法用d表示。三相變壓器一次繞組和二次繞組的首端分別用Ul、Vl、W1和u1、vl、wl標記，末端分別用U2、V2、W2和u2、v2、w2標記，星形接法的中點分別用N、n標記。4三相變壓器的連聯(lián)結(jié)組 三相變壓器的聯(lián)結(jié)組有兩部分組成，一部分表示三相變壓器的聯(lián)結(jié)方法；一部分聯(lián)結(jié)組的標號。如圖2.33所示連接組Y，y10。下面詳細介紹確定聯(lián)結(jié)組的方法。聯(lián)結(jié)組標號是由原邊、副邊線電動勢的相位差決定的。三相變壓器的3個鐵心柱上都有分別屬于原邊繞組和副邊繞組的一相，它們的相位關(guān)系與單相變壓器原邊、副邊繞組感應電動勢的關(guān)系完全一樣。根據(jù)電路理論可知，當三相繞組

39、Y接時，線電動勢的大小為相電動勢的倍，相位則超前相應相電動勢30°；當三相繞組接時，線電動勢與相電動勢相等。所以在原邊、副邊相電動勢的相位關(guān)系知道后，線電動勢的關(guān)系也隨之確定，便可根據(jù)線電動勢的相位關(guān)系來確定聯(lián)結(jié)組標號。聯(lián)結(jié)組標號有兩層含義：一方面原邊、副邊線電動勢相位差都是30°的倍數(shù)，該倍數(shù)即為聯(lián)結(jié)組標號；另一方面代表著時鐘的整點數(shù)，如果規(guī)定原邊線電動勢作為分針始終指向12點不動，副邊繞組的線電動勢作為時針，按順時針轉(zhuǎn)動，指向幾點，則連接組標號就是幾，這就是所謂的鐘表法。 （1）由三相變壓器的接線圖確定聯(lián)結(jié)組 在已知三相變壓器接線圖的情況下，可以按如下步驟來確定其連接組

40、：首先畫出原邊繞組相電動勢的相量圖，并根據(jù)其連接方式求出線電動勢；然后把U點當作u點，根據(jù)同名端，確定副邊繞組相電動勢與原邊相電動勢的相位關(guān)系，畫出副邊相電動勢的相量圖，再由其連接方式求出副邊的線電動勢；最后根據(jù)相量圖所示的原邊、副邊線電動勢相位差，得到連接組標號。下面就以Y，y、Y，d為例來說明如何確定三相變壓器連接組標號，在以下分析中，如無特殊說明，都認為原邊繞組所接電源的相序為：UVW。圖2.28圖2.33給出了所有Y，y連接組的接線圖和相量圖。圖2.28Y，y12聯(lián)結(jié)組 圖2.29Y，y2聯(lián)結(jié)組圖3-35Y，y4聯(lián)結(jié)組圖 圖3-36Y，y6聯(lián)結(jié)組圖3-37 Y，y8聯(lián)結(jié)組 圖3-38Y

41、，y10聯(lián)結(jié)組圖2.34圖2.35給出了所有Y/d連接組的接線圖和相量圖。圖3-39Y，d1聯(lián)結(jié)組 圖3-40Y，d3聯(lián)結(jié)組圖3-41Y，d5聯(lián)結(jié)組 圖3-42Y，d7聯(lián)結(jié)組圖3-43Y，d9聯(lián)結(jié)組2）由三相變壓器的連接組確定接線圖這可以看成是上一過程的逆過程。其步驟如下：首先根據(jù)連接組所示的連接方法，初步畫出原邊、副邊繞組的連線方式，并且按照常規(guī)，定義原邊繞組的出線端標志及相電動勢、線電動勢，在此基礎(chǔ)上，畫出原邊繞組相量圖；然后把U點當作u點，根據(jù)連接組標號，再相量圖中畫出副邊繞組的線電動勢、相電動勢；最后根據(jù)原邊、副邊線電動勢的相位關(guān)系，確定副邊繞組的出線端標志、同名端。圖3-44Y，d1

42、1聯(lián)結(jié)組由此可見，當原邊、副邊繞組采用相同的連接方式時，連接組標號均為偶數(shù)，并且，原邊、副邊繞組感應電動勢的相序一致，標號的改變并不會影響到相序。當原邊、副邊繞組采用不同的連接方式時，連接組標號均為奇數(shù)。三、變壓器的并聯(lián)運行現(xiàn)代發(fā)電站和變電所中，常采用多臺變壓器并聯(lián)運行的方式。變壓器的并聯(lián)運行是指兩臺或兩臺以上變壓器的一次 繞組和二次繞組分別并聯(lián)起來，接到輸入和輸出的公共母線上，同時對負載供電。1變壓器并聯(lián)運行的優(yōu)點(1)提高供電的可靠性。在同時運行的多臺變壓器中，如果有變壓器發(fā)生故障，可以在其他變壓器繼續(xù)工作的情況下將其切除，并進行維修，不會影響供電的連續(xù)性和可靠性。(2)可根據(jù)負載的大小，

43、調(diào)整運行變壓器的臺數(shù)，使工作效率提高。變壓器所帶負載是隨季節(jié)、氣候、早晚等外部情況的變化而改變的，可以對變壓器的負載進行監(jiān)控，來決定投入運行的變壓器的臺數(shù)，以提高運行效率。(3)可以減少變壓器的備用量和初次投資，隨著用電負荷的增加，分期分批安裝新的變壓器。2變壓器理想的并聯(lián)運行(1)空載時，各變壓器之間無環(huán)流，每臺變壓器的空載電流都為零。(2)負載時，為使各變壓器都能得到充分利用，各變壓器所分擔的負載電流與它們的容量成正比。(3)負載時，為了提高帶載能力，并聯(lián)運行各變壓器的副邊繞組電流相位應相同。3變壓器理想并聯(lián)運行的條件為了實現(xiàn)理想的并聯(lián)運行，各臺參與并聯(lián)運行的變壓器必須滿足以下條件：(1)

44、各變壓器輸入，輸出的額定電壓相等即變比相等。(2)各變壓器的聯(lián)接組別相同。(3)各臺變壓器的短路阻抗（或短路電壓）的標幺值（或）要相等。(4)并聯(lián)運行的變壓器最大容量與最小容量之比應小于3：1。任務四 特種變壓器的應用學習目標了解自耦變壓器的特點和應用場合；熟悉電壓互感器和電流互感器的用途和使用注意事項；了解電焊變壓器的性能和結(jié)構(gòu)特點。任務分析特種變壓器一般用于特別的場合，具有特殊的用途。因此，具有特別的結(jié)構(gòu)。了解不同變壓器的結(jié)構(gòu)有利于了解其原理及用途。使用特種變壓器時，一定要了解其特點，正確、安全地使用特種變壓器。知識鏈接一、自耦變壓器1自耦變壓器的工作原理圖3-45自耦變壓器的原理圖圖2.

45、40所示為一臺單相降壓自耦變壓器的工作原理圖。副邊繞組N2為原邊繞組N1的一部分，并且與鐵心中的磁通同時交鏈。與普通變壓器一樣，根據(jù)電磁感應定律可知，繞組的感應電動勢與匝數(shù)成正比，所以原邊、副邊繞組的感應電動勢分別為變壓器的電壓比為。在忽略漏阻抗壓降時，有 。自耦變壓器與普通變壓器有著相同的磁動勢平衡方程式，即，如果忽略影響不大的勵磁電流，上式可以變成 。即上式說明與反相，并且I2I1。 由于原邊、副邊繞組為同一繞組，存在電的聯(lián)系，在副邊繞組的抽頭處可以看成是電路的一個節(jié)點。自耦變壓器的輸出功率為 普通變壓器是以磁場為媒介，通過電磁感應作用來進行能量傳輸?shù)摹Ｗ择钭儔浩鞯脑叀⒏边吚@組既然有了電

46、的聯(lián)系，它的能量傳輸方式也必然有著與普通變壓器的不同之處。從上式可以看出，自耦變壓器的輸出功率有兩部分組成，一部分為U2 I1，由于I1是原邊電流，在它流經(jīng)只屬于原邊部分的繞組之后，直接流到副邊，傳輸?shù)截撦d中去，故U2 I1稱為傳導功率；另一部分為U2 I12，顯然要受到負載電流和原邊電流的影響，所以I12可以看成是由于電磁感應作用而產(chǎn)生的電流，這一部分功率也相應地稱為電磁功率。另外，自耦變壓器也通常設(shè)計的原邊、副邊容量相等，即 。2自耦變壓器的特點自耦變壓器的一次繞組與二次繞組共用一個繞組，二次繞組是從一次繞組中抽頭而來。所以自耦變壓器的一次繞組與二次繞組之間不僅有磁的耦合，電路還互相連通。3自耦變壓器的