1、1本章教學基本要求 1. 1.了解變壓器的主要結構、基本工作原理及主要額定值的意義；了解變壓器的主要結構、基本工作原理及主要額定值的意義； 2. 2. 學習變壓器的負載運行分析，理解負載運行時變壓器各物理量之間的關系，繞組學習變壓器的負載運行分析，理解負載運行時變壓器各物理量之間的關系，繞組折算的物理意義及其計算方法折算的物理意義及其計算方法 3.3.熟悉三相變壓器的聯接組別，并能根據繞組接線圖判別其聯接組別或按照已知的聯熟悉三相變壓器的聯接組別，并能根據繞組接線圖判別其聯接組別或按照已知的聯接組別畫出繞組的接線圖。接組別畫出繞組的接線圖。第1頁/共162頁2本章教學重點和難點 重點：重點：

2、1.理解在不同運行狀態下I0、I1和I2等參數的物理意義； 2.變壓器的基本方程式、等值電路等 3.三相變壓器的聯接組別。 難點：難點：負載運行時各量之間的關系。第2頁/共162頁34.1變壓器的結構和工作原理 普通變壓器是一種靜止電器設備，其功能是通過電磁感應將電能或電信號從一個電路傳遞到另一個與之不直接相連的電路中，在電力系統的輸配電、工業自動控制和電子技術中都得到廣泛的應用。 本章主要介紹普通雙繞組配電變壓器。第3頁/共162頁4一、變壓器的用途與分類一、變壓器的用途與分類1.變壓器按用途可分為： 輸配電用的電力變壓器，包括升、降壓變壓器等； 供特殊電源用的特種變壓器，包括電焊變壓器、整

3、流變壓器、電爐變壓器、中頻變壓器等； 供測量用的儀用變壓器，包括電流互感器、電壓互感器、自耦變壓器（調壓器）等； 用于自動控制系統的小功率變壓器； 用于通信系統的阻抗變換器等等。第4頁/共162頁5 2.按繞組數目分：單繞組（自耦）變壓器、雙繞組變壓器、三繞組變壓器和多繞組變壓器； 3.按相數分：單相變壓器、多相變壓器； 4.按鐵芯結構分：心式變壓器、殼式變壓器；第5頁/共162頁6 5.按調壓方式分：無勵磁調壓變壓器、有載調壓變壓器； 6.按冷卻介質和冷卻方式分：干式變壓器、油浸變壓器（油浸自冷式、油浸風冷式、油浸強迫油循環式和簽批油循環導向冷卻式）、充氣式冷卻變壓器。第6頁/共162頁7二

4、、變壓器的主要結構二、變壓器的主要結構油浸式電力變壓器第7頁/共162頁8二、變壓器主要結構二、變壓器主要結構 變壓器主要有：變壓器主要有： 鐵芯、繞組、鐵芯、繞組、油箱、附件等組成油箱、附件等組成。硅鋼片疊法硅鋼片疊法第8頁/共162頁9主要結構主要結構1 1鐵芯（磁路部分，用涂漆硅鋼片疊壓而成） 是變壓器的磁路部分，由鐵芯柱（柱上套裝繞組）、鐵軛（連接鐵芯以形成閉合磁路）組成，為了減小渦流和磁滯損耗，提高磁路的導磁性，鐵芯采用0.35mm0.5mm厚的硅鋼片涂絕緣漆后交錯疊成。 小型變壓器鐵芯截面為矩形或方形，大型變壓器鐵芯截面為階梯形，這是為了充分利用空間。第9頁/共162頁10主要結構

5、主要結構2 2繞組（線圈） 是變壓器的電路部分，采用銅線或鋁線繞制而成，原、副繞組同心套在鐵芯柱上。 為便于絕緣，一般低壓繞組在里，高壓繞組在外，但大容量的低壓大電流變壓器，考慮到引出線工藝困難，往往把低壓繞組套在高壓繞組的外面。第10頁/共162頁11第11頁/共162頁12第12頁/共162頁13主要結構3器身 是指鐵芯和繞組裝在一起的整體。油箱 是裝器身和變壓器油的，為了便于散熱，有的箱壁上焊有散熱管。 變壓器油的作用是絕緣和冷卻。第13頁/共162頁14三、變壓器基本工作原理三、變壓器基本工作原理 在同一鐵芯上分別繞有匝數為N1和N2的兩個高、低壓繞組，其中接電源的、從電網吸收電能的A

6、X繞組稱為原繞組（一次繞組），接負載的、向外電路輸出電能的ax繞組稱為副繞組（二次繞組）。 第14頁/共162頁15原理根據電磁感應定律則有：dtdNedtdNe2211kNNEE2121式中式中k為變壓器變比。為變壓器變比。若忽略繞組內阻和漏磁通，原、副繞組端電壓近似為：若忽略繞組內阻和漏磁通，原、副繞組端電壓近似為：2211EUEUkNNEEUU212121第15頁/共162頁16四、變壓器銘牌數據和主要系列四、變壓器銘牌數據和主要系列1. 1.變壓器銘牌數據變壓器銘牌數據 每臺變壓器都有一銘牌，上面標注著型號、額定值及其它數據，便于用戶了解變壓器的運行性能。主要有額定容量、額定電壓、額定

7、電流、額定頻率以及額定效率、額定溫升等電力變壓器產品型號 SL7315/10 產品編號 額定容量 315kVA 使用條件 戶外式額定電壓 10000/400V 冷卻條件 ONAN額定電流 18.2/454.7A 短路電壓 4%額定頻率 50 Hz 器身吊重 765kg相 數 三相 油 重 380kg聯接組別 Y yno 總 重 1525kg制 造 廠 生產日期 電力變壓器銘牌示意圖 第16頁/共162頁17額定容量額定容量S SNN 額定工作條件下輸出能力的保證值，是額定工作條件下輸出能力的保證值，是額定視在功率額定視在功率，單位：伏安（，單位：伏安（V VA A）或千伏）或千伏安（安（kVk

8、VA A）或兆伏安（）或兆伏安（MVMVA A）。）。630kVA630kVA以下的為小型電力變壓以下的為小型電力變壓8006300kVA8006300kVA的為中型電力變壓器；的為中型電力變壓器；800063000kVA800063000kVA為大型電力變壓器；為大型電力變壓器；90000kVA90000kVA及以上的為特大型電力變壓器。及以上的為特大型電力變壓器。 第17頁/共162頁18額定電壓額定電壓U U1N1N/ /U U2N2N 均指線值電壓。均指線值電壓。原邊額定電壓原邊額定電壓U U1N1N指電源加在原繞組上的額定電指電源加在原繞組上的額定電壓壓副邊額定電壓副邊額定電壓U U

9、2N2N指原邊加額定電壓副邊空載時指原邊加額定電壓副邊空載時副繞組的端電壓（副邊空載電壓），副繞組的端電壓（副邊空載電壓），單位有：伏（單位有：伏（V V）或千伏（）或千伏（kVkV）。）。額定電流額定電流I I1N1N/ /I I2N2N 均指線值電流。原、副邊額定電流是指在額均指線值電流。原、副邊額定電流是指在額定容量和額定電壓時所長期允許通過的電流，定容量和額定電壓時所長期允許通過的電流，單位有：安（單位有：安（A A）額定頻率額定頻率f fNN 指工業用電頻率，我國規定為指工業用電頻率，我國規定為50Hz50Hz。 第18頁/共162頁19各量之間關系 變壓器的額定容量、額定電壓、額定

10、電流之間的關系為：NNNNNIUIUS2211NNNNNIUIUS221133單相變壓器單相變壓器三相變壓器三相變壓器 第19頁/共162頁202.主要系列變壓器型號包括：基本代號、額定容量、額定電壓以及結構性能特點。例如型號為：SL7-630/10，其中“S”代表三相，“L”代表鋁導線，“7”代表設計序號，“630”代表額定容量為630kVA，“10”代表高壓繞組額定電壓為10kV。(2)主要系列 我國生產的各種變壓器系列產品有：S7、SL7、S9、SC8等。其中SC8型為環氧樹脂澆注干式變壓器。第20頁/共162頁214.2單相變壓器的空載運行一、電磁關系 變壓器空載運行也稱無載運行，它是

11、指原邊加電源電壓，副邊開路的運行狀況。第21頁/共162頁22 N1、N2分別為原、副繞組匝數；U1為電源電壓；I0為原邊空載電流；m、s1分別為主磁通和漏磁通； E1、Es1、E2分別為原邊感應電勢、漏感電勢和副邊感應電勢；U20為副邊空載電壓。第22頁/共162頁23說明 漏磁通s1只占主磁通的(0.10.2)%，主磁通m與i0之間呈非線性關系，能向副邊傳遞能量；而漏磁通s1與i0之間呈線性關系，不能向副邊傳遞能量。第23頁/共162頁24各電磁量的正方向各電磁量的正方向規定各電磁量的正方向原則為：原繞組是電源的負載，則原邊各量按電動機慣例；副繞組是電源，則副邊各量按發電機慣例。具體規定如

12、下：1.由于u1是交流電，先任意規定1的正方向；2.正方向的1確定了0的正方向；3.m、s1正方向與0的正方向之間符合右手螺旋定則；4.E1、Es1正方向分別與m、s1正方向之間符合右手螺旋定則；5.E2正方向與m正方向之間符合右手螺旋定則；6.E2正方向與2的正方向相反。第24頁/共162頁25第25頁/共162頁26第26頁/共162頁27第27頁/共162頁28第28頁/共162頁29三、電壓、電勢與主磁通的關系1.電勢與主磁通的關系tmsin)90sin(cos)sin(11111tEtNdttdNdtdNemmmmmNE11 電源電壓為正弦交流量，則主磁通也是正弦交流量，設主磁通瞬時

13、值為：式中：式中：根據電磁感應定律，原邊感應電勢為：根據電磁感應定律，原邊感應電勢為：第29頁/共162頁30同理可得副邊感應電勢為： )90sin(cos2222tEtNdtdNemmmmmmfNjNjEfNjNjE22211144. 4244. 42用相量式表示為：用相量式表示為： 可見，感應電勢的大小與匝數和主磁通可見，感應電勢的大小與匝數和主磁通幅值成正比，相位滯后于主磁通相量幅值成正比，相位滯后于主磁通相量90。第30頁/共162頁312.忽略繞組內阻和漏磁通時原副邊電壓關系 設忽略原繞組內阻r1和原邊漏磁通s1，則有： 220211EUUEUkNNEEUUUU212120121當當

14、k1為降壓變壓器；為降壓變壓器；k1為升壓變壓器。為升壓變壓器。第31頁/共162頁32忽略繞組內阻和漏磁通時空載運行相量圖第32頁/共162頁333.3.考慮繞組內阻和漏磁通時的電壓方程式考慮繞組內阻和漏磁通時的電壓方程式 設原繞組內阻為r1，當繞組內通過電流時會產生壓降I0r1，同時考慮漏磁通的影響，原邊電壓方程為： 10111rIEEUs1sE式中式中漏感電勢漏感電勢第33頁/共162頁34漏感電勢計算 漏感電勢計算如下： 根據 則有： 又根據電感定義可得： 式中Ls1為原繞組漏電感，由于漏磁路中變壓器油和空氣這些非導磁物質，所以磁阻基本為常數，即漏磁路為線性磁路，則漏電感也為常數。 d

15、tdNes1111112ssNjE01112INLss01011112IjxILjNjEsss第34頁/共162頁35電壓方程式 式中x1=Ls1為原繞組的漏電抗，它是一個常數。所以，z1=r1+jx1為原邊的漏阻抗，它也是個常數。一般電力變壓器中，存在I0r1E1，則1-1，在研究1和1時，為了分析問題方便，往往忽略I0r1的影響。101110110111)(zIEjxrIErIEEUs第35頁/共162頁364 4、變壓器的空載電流、變壓器的空載電流問題： 由于電源電壓1為正弦交流電，所以在單相變壓器中1和m也是按正弦規律變化的。但變壓器磁路是由鐵磁材料組成的，是非線性磁路。在非線性磁路中

16、鐵磁材料具有飽和現象，所以當主磁通為正弦變化，空載電流應如何變化呢？第36頁/共162頁371.不考慮空載損耗時的空載電流 在交流磁路中由于磁滯和渦流的存在會產生鐵芯損耗，在原繞組內阻上會產生銅損耗，鐵損和銅損之和即為變壓器空載損耗。如果不考慮空載損耗時，變壓器空載電流I0即為建立空載磁場的磁化電流I，只起勵磁作用，不消耗有功功率，它滯后-190，與主磁通同方向。 第37頁/共162頁38不考慮空載損耗時的空載電流 一般變壓器鐵芯工作在具有一定飽和程度的狀態下，所以當電源電壓為正弦波，感應電勢為正弦波，主磁通為正弦波時，磁化電流為尖頂波，可通過平均磁化曲線=(i)和主磁通曲線=(t)，畫出磁化

17、電流曲線i=(t)，證明磁化電流為尖頂波。第38頁/共162頁392.考慮空載損耗時的空載電流 空載損耗中主要是鐵損，銅損只占空載損耗的2%。考慮空載損耗時，變壓器的空載電流I0包含兩個分量：一個是磁化電流I起勵磁作用，另一個是鐵損電流IFe，是有功分量,它與-1同相位。空載電流用相量表示為： 2200FeFeIIIIII第39頁/共162頁40說明 空載電流、主磁通和感應電勢的相量圖如下圖所示。電力變壓器空載電流只占額定電流的（0.55）%，隨著容量增大，空載電流相對越小。 空載電流中磁化電流是主要的，空載電流中磁化電流是主要的，它一般約比鐵損電流大它一般約比鐵損電流大10倍，所以鐵倍，所以

18、鐵損角損角Fe很小。很小。第40頁/共162頁41第41頁/共162頁42等值電路的推導由原邊AX端看存在： 11010101010zzzIEIzIEIUzmmmmjxrIEz01式中式中其中其中zm稱為勵磁阻抗；稱為勵磁阻抗；rm稱為勵磁電阻，稱為勵磁電阻，它表示鐵芯中的損耗；它表示鐵芯中的損耗；xm稱為勵磁電抗，稱為勵磁電抗，它表示鐵芯中主磁通產生的電抗。它表示鐵芯中主磁通產生的電抗。zm、rm、xm統稱為變壓器統稱為變壓器勵磁參數。勵磁參數。第42頁/共162頁43等值電路第43頁/共162頁44勵磁參數 可通過實驗測得，由于鐵芯有飽和現象，rm和xm不是常數，是隨鐵芯飽和程度增大而減小

19、的參數，但實際上，電源電壓可近似認為穩定，故勵磁參數也可近似認為常數。第44頁/共162頁45本節內容、重點內容： 變壓器負載運行電磁狀況、基本方程式、等值電路、繞組折算、變壓器參數測定。重點： 負載運行時方程式、等值電路、折算。第45頁/共162頁464.3單相變壓器的負載運行 變壓器負載運行是指原邊接電源，副邊接負載zL時的工作狀態。如下圖所示，這時副邊有負載電流I2通過，原邊電流為I1，各量正方向規定與空載運行時相同。第46頁/共162頁47第47頁/共162頁48變壓器負載運行時電磁關系 1111111FNieiuss2210ueeFm222222sseFNii第48頁/共162頁49

20、第49頁/共162頁50負載運行時的磁勢平衡方程式副邊負載電流I2，在副邊要產生磁勢F2=I2N2，使主磁通變化，而引起E1、E2的變化，E1的變化又使原邊從空載電流I0變化為負載電流I1，產生的磁勢為F1=I1N1，它一方面要建立主磁通m，另一方面要抵消F2對主磁通的影響。由于負載時的I1z1很小，約占6%U1N，忽略I1z1時有1-1，則可認為空載時主磁通與負載時主磁通近似相等。第50頁/共162頁51磁勢平衡方程式磁勢方程式： )()(221011201NININIFFF)()(2021201kIIINNII將上式兩邊同除于將上式兩邊同除于N1，得：，得：第51頁/共162頁52說明 負

21、載時原邊負載電流由兩部分組成：一部分是勵磁分量0，用以產生負載時的主磁通，它基本不隨負載變化；另一部分是負載分量-2/k，用以抵消副邊電流2對主磁通產生的影響，它隨負載變化而變化。由于00，且電阻性負載電壓變化率小于感應負載的電壓變化率；當負載容性時，一般情況下，|rkcos2|xksin2|使電壓變化率U*1時為降壓變壓器。 2.電流關系 負載運行時，主磁通可認為與空載時近似相等，則有磁勢平衡方程式：212121102211自耦變壓器第149頁/共162頁150 忽略勵磁電流時可得： 上式表明，電流1與2的實際方向相反。 對于圖1-33節點a利用基爾霍夫電流定律，可得公共繞組ax中的電流I為

22、： 當忽略0時，1與2反相，在kA1時，則有21，在節點a上的電流有效值為：I=I2-I1。2122110；或22221)1(1自耦變壓器第150頁/共162頁151自耦變壓器 3.容量關系 自耦變壓器中存在變壓器容量和繞組容量這兩個容量。變壓器容量是指原邊輸入容量或副邊輸出容量，又稱通過容量，數值上等于額定電壓與額定電流的乘積。繞組容量是指該繞組的電壓與電流的乘積，又稱電磁容量。第151頁/共162頁152自耦變壓器對于雙繞組變壓器，功率是全部通過原、副繞組的電磁耦合從原邊傳送到副邊，即有：SN=UN1IN1=UN2IN2 所以，變壓器的繞組容量就等于原繞組容量或副繞組容量，也就是銘牌上標注

23、的變壓器容量。但是自耦變壓器的變壓器容量與繞組容量卻不相等。 自耦變壓器的額定變壓器容量為：SN=UN1IN1=UN2IN2。第152頁/共162頁153自耦變壓器 Aa串聯繞組的繞組容量為： ax公共繞組的繞組容量為： 上兩式說明，額定運行時串聯繞組與公共繞組的繞組容量相等，均為自耦變壓器容量的（1-1/kA）倍。 自耦變壓器的輸入容量為： )1(1111211111111)()1(1)1(122第153頁/共162頁154自耦變壓器 其中Sem為電磁容量；Str為傳導容量，說明輸入容量中一部分是電磁容量，是通過電磁感應作用傳到副邊的；另一部分是傳導容量，它是由I1直接傳到副邊的，它不需要增

24、加繞組容量，所以自耦變壓器的變壓器容量大于繞組容量，和同容量的普通雙繞組變壓器比，耗材少，體積小，成本低，效率高。 變比kA越接近1，(1-1/kA)越小，繞組容量越小于變壓器容量，自耦變壓器優點越突出，故一般變比在1.52之間。自耦變壓器在電力系統、工廠、實驗室以及家用電器等均有應用。第154頁/共162頁1551）電壓互感器 電壓互感器作用是將高電壓降為低電壓（一般額定值為100V）供電給測量儀表和繼電器的電壓線圈，使測量、繼電保護回路與高壓線路隔離，保證人員和設備的安全。電壓互感器接線如圖1-34所示，原繞組并聯在被測的高壓線路上，副繞組與電壓表、功率表的電壓線圈等構成閉合回路。由于副邊所接的電壓表等負載的阻抗很大，副邊電流很小，電壓互感器實際上相當于一臺空載運行的雙繞組降壓變壓器。2.互感器互感器第155頁/共162頁156電壓互感器 為了減少測量誤差，設計時應盡量減小短路阻抗和勵磁電流，當忽略漏阻抗壓降時有： 式中ku為電壓互感器的變壓比。一般與電壓互感器相配的電壓表，已考慮變比的折算，所以從電壓表上可直接讀出實際的電壓值