变压器工作原理介绍.ppt

,变压器工作原理介绍 杜 洋,变 压 器 及 其 工 作 原 理,变压器是利用电磁感应原理传输电能或电信号的器件, 它具有变压、 变流和变阻抗的作用。 变压器的种类很多, 应用十分广泛。 比如在电力系统中用电力变压器把发电机发出的电压升高后进行远距离输电, 到达目的地后再用变压器把电压降低以便用户使用, 以此减少传输过程中电能的损耗; 在电子设备和仪器中常用小功率电源变压器改变市电电压, 再通过整流和滤波, 得到电路所需要的直流电压; 在放大电路中用耦合变压器传递信号或进行阻抗的匹配等等。 变压器虽然大小悬殊, 用途各异, 但其基本结构和工作原理却是相同的。, 变压器由铁心和绕组两个基本部分组成, 如图 2 - 34所示, 在一个闭合的铁心上套有两个绕组, 绕组与绕组之间以及绕组与铁心之间都是绝缘的。 ,变 压 器 的 结 构,图2-35 变压器的铁心,变 压 器 的 结 构,图2-36 变压器的结构形式,变 压 器 的 结 构,骨架在变压器中的作用主要有以下几点： 1 、为变压器中的铜线提供缠绕的空间， 2、 固定变压器中的磁芯。 3 、骨架中的线槽为变压器生产绕线时提供过线的路径。 4 、骨架中的金属针脚为变压器之铜线缠绕的支柱；经过焊锡后与PCB板相连接，在变压器工作时起到导电的作用。 5 、骨架底部的挡墙，可使变压器与PCB板产生固定的作用；为焊锡时产生的锡堆与PCB板，和磁芯与PCB板，提供一定距离空间；隔离磁芯与锡堆，避免发生耐压不良。 6 、骨架中的凸点、凹点或倒角，可决定变压器使用时放置方向或针脚顺序,空载运行和电压变换如图 2 - 37所示, 将变压器的原边接在交流电压1上, 副边开路, 这种运行状态称为空载运行。此时副绕组中的电流i2=0, 电压为开路电压u20, 原绕组通过的电流为空载电流i10, 电压和电流的参考方向如图所示。图中为原绕组的匝数, 为副绕组的匝数。,变 压 器 原 理 及 应 用,变 压 器 原 理 及 应 用,副边开路时, 通过原边的空载电流i10就是励磁电流。磁动势i10N1在铁心中产生的主磁通既穿过原绕组, 也穿过副绕组, 于是在原、 副绕组中分别感应出电动势和。且和与的参考方向之间符合右手螺旋定则, 由法拉第电磁感应定律可得,变 压 器 原 理 及 应 用,和的有效值分别为,（2.34） (2.35),式中为交流电源的频率, m为主磁通的最大值。 如果忽略漏磁通的影响并且不考虑绕组上电阻的压 降时, 可认为原、 副绕组上电动势的有效值近似等于原、 副绕组上电压的有效值, 即,变 压 器 原 理 及 应 用,因此,由式（2.36）可见, 变压器空载运行时, 原、 副绕组上电压的比值等于两者的匝数之比, 称为变压器的变比。 若改变变压器原、 副绕组的匝数, 就能够把某一数值的交流电压变为同频率的另一数值的交流电压,当原绕组的匝数1比副绕组的匝数多时, , 这种变压器为降压变压器; 反之, 当的匝数少于的匝数时, , 为升压变压器。,(2.36),变 压 器 原 理 及 应 用,例 1 已知某变压器铁心的截面积为 20cm2, 铁心中磁感应强度的最大值不能超过0., 若要用它把220工频交流电变换成为20的同频率交流电, 原、副绕组的匝数应为多少？ 解 铁心中磁通的最大值,原绕组的匝数应为,应 用 举 例,副绕组的匝数应为,或,应 用 举 例,如图 2 - 38所示, 变压器的原绕组接交流电压u, 副绕组接上负载L, 这种运行状态称为负载运行。 这时副边的电流为, 原边电流由10增大为, 且u略有下降, 这是因为有了负载后, 、会增大, 原、 副绕组本身的内部压降也要比空载时增大, 使副绕组电压比低一些。 因为变压器内部压降一般小于额定电压的, 因此变压器有无负载对电压比的影响不大, 可以认为负载运行时变压器原、 副绕组的电压比仍然基本上等于原、 副绕组匝数之比。,负 载 运 行 和 电 流 变 换,负 载 运 行 和 电 流 变 换,变压器负载运行时, 由形成的磁动势对磁路也会产生影响, 即铁心中的主磁通是由i1N1和i2N2共同产生的。由式 UE4.44fNm可知, 当电源电压和频率不变时, 铁心中的磁通最大值应保持基本不变, 那么磁动势也应保持不变, 即,负 载 运 行 和 电 流 变 换,由于变压器空载电流很小, 一般只有额定电流的百分之几, 因此当变压器额定运行时, 可忽略不计。 则有 。 可见变压器负载运行时, 原、 副绕组产生的磁动势方向相反, 即副边电流对原边电流产生的磁通有去磁作用。 因此, 当负载阻抗减小, 副边电流增大时, 铁心中的磁通m将减小, 原边电流必然增加, 以保持磁通m基本不变, 所以副边电流变化时, 原边电流也会相应地变化。原、副边电流有效值的关系为,负 载 运 行 和 电 流 变 换,(2.37),由式（2.37）可见, 当变压器额定运行时, 原、 副边的电流之比近似等于其匝数之比的倒数。若改变原、 副绕组的匝数, 就能够改变原、 副绕组电流的比值, 这就是变压器的电流变换作用。 不难看出， 变压器的电压比与电流比互为倒数, 因此匝数多的绕组电压高, 电流小; 匝数少的绕组电压低, 电流大。,负 载 运 行 和 电 流 变 换,例 2 已知某一变压器 1000, 100, 20, 2, 负载为纯电阻, 忽略变压器的漏磁和损耗, 求变压器的副边电压、原边电流和输入、输出功率。,解 变压比：,副边电压：,原边电流：,输入功率：,输出功率,应 用 举 例,由此可见, 当变压器的功率损耗忽略不计时, 它的输入功率与输出功率相等, 符合能量守恒定律。 在远距离输电线路中, 线路损耗l与电流l的平方乘以线路电阻l的积成正比, 因此在输送同样功率的情况下, 如果所用电压越高, 电流就会越小, 输电线上的损耗越小, 可以减小输电导线的截面积, 从而大大降低了成本。 所以电厂在输送电能之前, 必须先用升压变压器将电压升高, 传输到用户后, 电压不能太高, 通常为380或220, 因此要用降压变压器再进行降压。 ,应 用 举 例,变压器除了具有变压和变流的作用外, 还有变换阻抗的作用。 如图 2 - 39所示, 变压器原边接电源1, 副边接负载阻抗|ZL|, 对于电源来说, 图中虚线框内的电路可用另一个阻抗|Z/L|来等效。所谓等效, 就是它们从电源吸取的电流和功率相等。当忽略变压器的漏磁和损耗时, 等效阻抗由下式求得,阻 抗 变 换,式中 为变压器副边的负载阻抗。可见, 对于变比为且变压器副边阻抗为|ZL|的负载, 相当于在电源上直接接一个阻抗|Z/L|=K2|ZL|的负载。也可以说变压器把负载阻抗L变换为|Z/L|。因此, 通过选择合适的变比, 可把实际负载阻抗变换为所需的数值, 这就是变压器的阻抗变换作用。,阻 抗 变 换,在电子电路中, 为了提高信号的传输功率, 常用变压器将负载阻抗变换为适当的数值,使其与放大电路的输出阻抗相匹配, 这种做法称为阻抗匹配。,阻 抗 变 换,例 3 某交流信号源的电动势120V, 内阻0=800, 负载电阻l。试求: （1） 若将负载与信号源直接相连, 如图 2- 40（）所示, 信号源输出的功率有多大？ （2） 若要信号源输给负载的功率达到最大, 负载电阻应等于信号源内阻。 今用变压器进行阻抗变换, 则变压器的匝数比应选多少？阻抗变换后信号源的输出功率有多大？,应 用 举 例,应 用 举 例,解 (1) 由图()可知, 若将负载直接与信号源连接, 信号源的输出功率为,(2) 如图(b)所示, 用变压器把负载变换为等效电阻, 使其阻值与电源内阻相等。,信号源的输出功率为,可见, 阻抗匹配后输出功率为最大。 ,应 用 举 例,变压器的简介,变压器的功能主要有：电压变换；电流变换，阻抗变换；1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 。,变压器的最基本型式，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(Primary coil);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。,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。,大功率高压配电变压器,油浸式电力变压器,箱式变压器,箱式变压器,SCB10型脱硫干式变压器 干式电力变压器型号及含义 SCB101600/6 SC:三相固体成型 （环氧树脂） B:低压箔式线圈 10:设计序号 1600kVA:额定容量 6kV:额定高压电压,SCB10型脱硫干式变压器,干式电力变压器特点 图 干式变 干式电力变压器承受热冲击能力强，过负载能力大、难燃、防火性能高、低损耗、局部放电量小、 噪声低、不产生有害气体、不污染环境、对湿度、灰尘不敏感、体积小、不开裂、维护简便。因此，最适宜用于防火要求高，负荷波动大以及污秽潮湿的恶劣环境中。如：机场、发电厂、冶金作业、医院、高层建筑、购物中心、居民密集区以及石油化工、核电站、核潜艇等特殊环境中。,干式电力变压器结构 绕组是变压器的电路部分。高、低压线圈按额定容量大小分别采用干式变压器高、低压线圈采用德国MKM公司进口的优质铜箔ECu58绕制。绕组优化设计，使得电流和温度沿绕组均匀分布，并使绕组在雷电冲击全波试验时得到最佳的电位分布。变压器的高压端连接6kV/10kV电缆，低压绕组端子连接低压动力中心的主母线。低压绕组中性点端子根据不同的接地方式引接至高阻箱或通过绝缘铜绞线连接到外壳的接地母线。 圆铜线，扁铜线，铜箔绕制，采用瑞士汽巴嘉基带填料环氧树脂系统，玻璃丝纤维增强，在真空状态下实现无气泡浇注。 铜带从德国进口，两边缘呈圆弧形，消除了由于边缘毛刺破坏线圈匝间绝缘的危险，使得线圈匝间绝缘更可靠。蜂窝式冷却气道设置均匀密集合理，散热好，过载能力强。 铁芯是变压器的磁路部分。铁芯采用优质高导磁低损耗冷轧晶粒取向硅钢片制造、45全斜接缝，步进叠装结构。芯柱采用高强度绝缘带绑扎紧实牢固，平板式夹件具有良好的通风效果。 高、低压线圈与铁芯组装时，均有弹性支承。整体具有减振功能和很好的抗短路冲击性能。,变压器及进线开关保护原理介绍 WB跳开关WB图 差动保护原理 差动保护 差动保护主要保护被保护设备内部发生相间短路时的故障类型。其工作原理如下： 把元件两侧的电流互感器按差接法接线，在正常和外故障时，流入继电器的电流为两侧电流之差，其值接近于零，继电器不动作。内部故障时，流入继电器的电流为两侧电流之和，其值为短路电流，继电器动作。纵差动保护不但能正确区别内外故障，而且由于不需要与其它元件的保护配合，可以无延时地切除故障。因此，纵差动保护可以作为变压器、线路、发电机、电动机的主保护。 右图为双绕组变压器纵差动保护的单相原理接线图。正常情况和外部故障时，有许多因素使得流入差动继电器的电流不等于零。该电流叫不平衡电流，用Iunp表示。为了保证动作的选择性，继电器的动作电流应躲开外部故障时出现的最大不平衡电流来整定. Iunp=可靠系数 .,电流和电压保护 根据变压器容量和系统短路电流水平的不同，实现保护的方式有：过电流保护、低电压启动的过电流保护、复合电压启动的过电流保护以及负序过电流保护等。,变压器中的硅钢片材料有什么讲究?,由于硅钢在交变磁场中的损耗很小，所以变压器主要都是采用硅钢片来作磁性材料。硅钢片可分为热轧和冷轧两类，冷轧硅钢带由于具有较高的导磁系数和较低的损耗，因此用来制作变压器具有体积小、重量轻、效率高的优势。热轧硅钢带的性能则略逊色于冷轧硅钢带。 普通的EI型变压器是将硅钢板冲制成0.350.5mm厚的E型和I型片子，经过热处理后再插入绕组线包内，这类铁芯以使用热轧硅钢片居多(含硅量很高的优质硅钢片型号为D41、D42、D43、D301)。环型和C型变压器的铁芯则是采用冷轧硅钢带经卷绕而成形，其中C型变压器系经热处理浸漆后再切开制成。,2 下列情况应增加巡视检查次数： 1)首次投运或检修、改造后投运72h内。 2)气象突变（如雷雨、大风、大雾、大雪、冰雹、寒潮等）时。 3)高温季节、高峰负载期间。 4)变压器过载运行时。,3 变压器日常巡视检查应包括以下内容： 1)油温应正常，应无渗油、漏油，储油柜油位应与温度相对应。 2)套管油位应正常，套管外部应无破损裂纹、无严重油污、无放电痕迹及其它异常现象。 3)变压器音响应正常。 4)散热器各部位手感温度应相近，散热附件工作应正常。 5)吸湿器应完好，吸附剂应干燥。 6)引线接头、电缆、母线应无发热迹象。 7)压力释放器、安全气道及防爆膜应完好无损。 8)分接开关的分接位置及电源指示应正常。 9)气体继电器内应无气体。 10)各控制箱和二次端子箱应关严，无受潮。,11)干式变压器的外表应无积污。 12)变压器室不漏水，门、窗、照明应完好，通风良好，温度正常。 13)变压器外壳及各部件应保持清洁。,变压器的主要部件有：,(1)器身：包括铁心、绕组、绝缘部件及引线。 (2)调压装置：即分接开关，分为无励磁调压和有载调压 (3)油箱及冷却装置。 (4)保护装置：包括储油柜、安全气道、吸湿器、气体继电器、净油器和测温装置等。 (5)绝缘套管。,连接,三相油浸式电力变压器外形图 1-铭牌；2-信号式 温度计；3-吸湿器；4-油标；5-储油柜；6-安全气道 7-气体继电器；8-高压套管；9-低压套管；10-分接 开关；11-油箱； 12-放油阀门；13-器身；14-接地板；15-小车,干式变压器,1）绕组故障 主要有匝间短路、绕组接地、相间短路、断线及接头开焊等。产生这些故障的原因有以下几点： 在制造或检修时，局部绝缘受到损害，遗留下缺陷。在运行中因散热不良或长期过载，绕组内有杂物落入，使温度过高绝缘老化。制造工艺不良，压制不紧，机械强度不能经受短路冲击，使绕组变形绝缘损坏。绕组受潮，绝缘膨胀堵塞油道，引起局部过热。绝缘油内混入水分而劣化，或与空气接触面积过大，使油的酸价过高绝缘水平下降或油面太低，部分绕组露在空气中未能及时处理。,由于上述种种原因，在运行中一经发生绝缘击穿，就会造成绕组的短路或接地故障。匝间短路时的故障现象是变压器过热油温增高，电源侧电流略有增大，各相直流电阻不平衡，有时油中有吱吱声和咕嘟咕嘟的冒泡声。轻微的匝间短路可以引起瓦斯保护动作；严重时差动保护或电源侧的过流保护也会动作。发现匝间短路应及时处理，因为绕组匝间短路常常会引起更为严重的单相接地或相间短路等故障。,（3）分接开关故障 常见的故障是表面熔化与灼伤，相间触头放电或各接头放电。主要原因有：连接螺丝松动；带负荷调整装置不良和调整不当；分接头绝缘板绝缘不良； 接头焊锡不满，接触不良，制造工艺不好，弹簧压力不足；油的酸价过高，使分接开关接触面被腐蚀。,处理变压器短路事故的几点思考,处理变压器短路事故，首先要通过检查、试验找出问题实质所在；其次处理过程还应注意相关问题。具体思考如下： 首先，变压器短路事故后的检查、试验。 变压器在遭受突发短路时，高低压侧都将受很大的短路电流，在断路器来不及断开的很短时间内，短路电流产生与电流平方成正比的电动力将作用于变压器的绕组，此电动力可分为辐向力和轴向力。在短路时，作用在绕组上的辐向力将使高压绕组受到张力，低压绕组受到压力。由于绕组为圆形，圆形物体受压力比受张力更容易变形，因此，低压绕组更易变形。在突发短路时产生的轴向力使绕组压缩和使高低压绕组发生轴向位移，轴向力也作用于铁芯和夹件。,1、绕组的检查与试验 由于变压器短路时，在电动力作用下，绕组同时受到压、拉、弯曲等多种力的作用，其造成的故障隐蔽性较强，也是不容易检查和修复的，所以短路故障后应重点检查绕组情况。 （一）变压器直流电阻的测量 根据变压器直流电阻的测量值来检查绕组的直流电阻不平衡率及与以往测量值相比较，能有效地考察变压器绕组受损情况。例如，某台变压器短路事故后低压侧C向直流电阻增加了约10，由此判断绕组可能有新股情况，最后将绕组吊出检查，发现C相绕组断1股。 （2）变压器绕组电容量的测量。 绕组的电容由绕组匝间、层间及饼间电容和绕组发电容构成。此电容和绕组与铁芯及地的间隙、绕组与铁芯的间隙、绕组匝间、层间及饼间间隙有关。当绕组变形时，一般呈“S”形的弯曲，这就导致绕组对铁芯的间隙距离变小，绕组对地的电容量将变大，而且间隙越小，电容量变化越大，因此绕组的电容量可以间接地反映绕组的变形程度。 （3）吊罩后的检查。,变压器的线路保护,对于高压侧为610KV的车间变电所主变压器来说，通常装设有带时限的过电流保护;如过电流保护动作时间大于0.50.7s时，还应装设电流速断保护。容量在800KVA及以上的油浸式变压器和400KVA及以上的车间内油浸式变压器，按规定应装设瓦斯保护(又称气体继电保护)。 容量在400KVA及以上的变压器，当数台并列运行或单台运行并作为其它负荷的备用电源时，应根据可能过负荷的情况装设过负荷保护。过负荷保护及瓦斯保护在轻微故障时(通称“轻瓦斯”)，动作于信号，而其它保护包括瓦斯保护在严重故障时(通称“重瓦斯”)，一般均动作于跳闸。 对于高压侧为35KV及以上的工厂总降压变电所主变压器来说，也应装设过电流保护、电流速断保护和瓦斯保护;在有可能过负荷时，也需装设过负荷保护。但是如果单台运行的变压器容量在10000KVA及以上和并列运行的变压器每台容量在6300KVA及以上时，则要求装设纵联差动保护来取代电流速断保护。,因此，变压器在遭受突发短路时，最容易发生变形的是低压绕组和平衡绕组，然后是高中压绕组、铁芯和夹件。因此，变压器短路事故后的检查主要是检查绕组、铁芯、夹件以及其它部位。,变压器过电压现象简要分析,1、过电压的概念： 当变压器运行时，如果电压超过它的最大允许工作电压，就称为变压器的过电压。 2、过电压的分类： 过电压往往会对变压器的绝缘造成很大的危害,甚至使绝缘击穿。 过电压可分为大气过电压和操作过电压两种： (1)大气过电压：输电线路直接遭雷击或雷云放电时,电磁场的剧烈变化所引起的过电压称为大气过电压; (2)操作过电压：当变压器或线路上的开关进行合闸或拉闸操作时,因系统中电磁能量振荡和积聚而产生的过电压称为操作过电压。 变压器的这两种过电压都是作用时间短促的瞬变过程。操作过电压一般为额定电压的3.0一4.5倍，而大气过电压数值很高，可达额定电压的8一12 倍，并且绕组中电压分布极不均匀，进线端头部分线匝受到的电压很高。因此，必须采取必要的措施，防止过电压的发生和进行有效的保护。,3、过电压在变压器中破坏绝缘有两种情况，一种是将绕组与铁心(或油箱)之间的绝缘高压绕组与低压绕组之间的绝缘 (这些绝缘称为主绝缘)击穿;另一种是在同一绕组内将匝与匝之间或一段绕组与另一段绕组之间的绝缘击穿。 由于过电压时间极短，电压从零上升到最大值再下降到零均在极短的时间内完成，因而具有高频振荡的特性，其频率可达100kHz以上。在正常运