26章变压器.ppt

第26章变压器 掌握 额定值的含义及作用 变压器工作原理 电压调整率的定义了解 三相组式及芯式结构特点变比和参数测定方法电动势平衡方程式及各量含义效率计算及变压器最高效率的条件三相联结组和铁芯结构对谐波电流 谐波磁通的影响用变压器组接线方式及极性端判断三相联接组别的方法变压器绝缘系统及冷却方式 允许温升 1 额定容量 指变压器的视在功率 对三相变压器指三相容量之和 单位伏安 VA 千伏安 KVA 2 额定电压 指线值 单位伏 V 千伏 kV 指电源加到原绕组上的电压 是副方开路即空载运行时副绕组的端电压 4 额定功率 我国规定标准工业用电频率为50赫 HZ 此外 额定工作状态下变压器的效率 温升等数据均属额定值 3 额定电流 由和计算电流 即为额定电流对单相变压器 对三相变压器 a 单相心式 b 三相心式心式变压器 a 单相壳式 b 三相壳式壳式变压器 壳式 铁轭不仅包围顶面和底面 也包围绕组的侧面 见图2 3 这种结构机械强度较好 但制造工艺复杂 用材料较多 a 同心式 b 交叠式变压器绕组放置 除器身外油浸式电力变压器中还有油箱 散热器 绝缘套管 分接开关 油枕及继电保护装置等 1 名牌 2 信号式温度计 3 吸湿器 4 油表 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 散热管 油浸式电力变压器结构示意图 干式变压器 220KV的电力变压器 26 2 2变压器的分类 变压器种类很多 可按其用途 结构 相数等进行分类1 按用途分 1 电力变压器 主要用于输配电系统中 分升压 降压 配电 联络 厂用变压器 2 调压变压器 用来调节电网中的电压 多用于实验室中 3 仪用变压器 用于测量 如电压互感器 电流互感器2 按结构分 1 自耦变压器 高低压共用一个绕组 2 双绕组变压器 每相有高 低压两个绕组 3 三绕组变压器 每相有高 中 低压三个绕组 4 多绕组变压器 3 按相数分 1 单相变压器 2 三相变压器 3 多相变压器4 按冷却方式分 1 油浸式 2 干式 3 充气式 26 3 1变压器的工作原理 变压器的工作原理是通过电磁感应关系 或者说利用互感作用从一个电路向另一个电路传递电能实现了交流电压等级的变换 两个互相绝缘的绕组套在同一铁芯上 它们之间有磁的耦合 没有电路的直接联系 当原方接到交流电源时 原绕组中有交流电流过 并在铁心中产生交变磁通 且这一磁通同时交链原 副方绕组 根据电磁感应定律 原 副方绕组分别感应电势 和分别为原 副绕组的匝数 26 3变压器的工作原理和电磁关系 副方有了电势便向负载供电 实现了能量传递 上图中如不计原 副绕组电阻 不考虑漏磁通 则变压器为理想变压器 可写出原 副方电压方程式 K 匝比或称变比 调节变比K达到变压的目的 变压器变换交流电压的等级 由空载运行示意图 w1和w2为一 二次绕组的匝数 分别绕在两个铁心柱上 26 3 2变压器空载运行分析 变压器一次绕组接电源 二次绕组开路 负载电流为零 这种情况即为变压器的空载运行 若不计漏磁通 按上图所规定各量正方向 由基尔霍夫第二定律可列出一 二次绕组的电压平衡方程式 主磁通感应电势 通过铁心并与一 二次绕组交链的磁通用表示 由 用相量表示 在实际变压器中 除交链一 二次绕组的主磁通外 还有一部分仅与一个绕组交链通过空气闭合的漏磁通 漏磁通感应电势 26 3 3变压器的负载运行 本节介绍变压器负载运行的电磁过程 并推出负载运行的等效电路 方程式和相量图 一 磁动势平衡和能量传递 一次侧接交流电源 二次侧接负载 二次侧中便有负载电流流过 这种情况称为负载运行 这一关系式称为磁势平衡关系 当负载电流增加时 原绕组的电流也随之增加 从而使变压器的功率从原方传递到副方 说明二次侧所需功率 由一次侧提供 正号表示输出功率 负号表示输入功率 负载时变压器内部的磁动势 磁通 感应电动势之间的关系为 归纳起来变压器的基本方程式为 按磁路性质不同 分为主磁通和漏磁通两部分 并分别用不同的电路参数表征 漏磁通感应电势用和表征 主磁通感应电势用表征 和为常数 不为常数 1 电流的归算根据规算前后磁势不变的原则 规算后得量斜上打 规算后的基本方程式为 2 T型等效电路 得变压器T形等效电路图 以上通称短路参数由短路实验求得 从简化等效电路中看出 当时 可将一二次侧参数合并起来 此时为短路阻抗 短路电阻 短路电抗 短路阻抗 应用标幺值的优点 1 不论变压器或电机的容量大小 用标幺值表示 各参数和典型性能的数据都在一定的范围内 便于比较 2 用标幺值时 不必再进行归算 归算到高压侧或低压侧的参数相等 3 便于计算 短路阻抗标幺值等于阻抗电压的标幺值 相量图 根据基本方程式可画出相量图 通过相量图可直观地看出变压器各量大小和相位关系 2 画出 定出 4 画出 5 画出 得出 为一次侧功率因数角 注 如为容性负载超前角 纯组性负载与同相位 3 超前900 定出 1 先以为参数量 确定 感性负载为例 插入图2 16 感性负载变压器的相量图 26 4变压器等效电路参数的测定 变压器中的参数 对变压器的运行性能有直接影响 已知变压器的参数 就可绘出等效电路 然后可以运用等效电路分析计算 可通过空载和短路试验确定 一 空载试验 开路试验 注 用大写字母表示高压端 小字母表示低压端 考虑到空载试验所加电压较高 其电流较小 为试验的安全和仪器仪表方便 一般在低压侧作空载实验如右图所示 测定方法 在低压方加U1 高压侧开路读取I0 Po U2o由空载试验等效电路可知 可近似认为Zo Zm 注 1 此时测得的值为归算到低压侧的值 如需规算到高压侧时参数应乘2 Zm与饱和程度有关 电压越高 磁路越饱和Zm越小 所以应以额定电压下测读的数据计算励磁参数 可按 注意 1 读取Pk Uk计算短路参数 2 由于绕组的电阻随温度升高 而短路试验一般在室温下进行 所以计算的电阻必须换算到额定工作时的数据 按国际规定换算到的数值 短路试验时使电流达到额定值时所加电压称为阻抗电压或短路电压 阻抗电压用额定电压百分比表示时有 阻抗电压百分值是铭牌数据之一 是变压器的主要参数 阻抗电压的大小反映变压器在额定负载下运行时 漏阻抗压降的大小 从运行性能考虑 希望uk小 使负载时端电压随负载变化波动小从限制短路电流考虑 希望uk大 可以限制短路电流 1 归算到高压侧时的激磁阻抗 2 归算到高压侧的等效漏阻抗 换算到时 外特性用标幺值表示其变化的规律由右图所示 变压器的外特性 当纯电阻负载时和电压性负载时 外特性是下降的 而容性负载时可能上翘 对此曲线可由以下公式推导证明 说明 1 从电压调整率看 小些 端电压随负载变化波动小 2 当额定负载时 功率因数为定值时的电压调整率为额定电压调整率 用表示 是变压器的主要性能指标之一 通常左右 所以电力变压器的高压绕组均为有 5 的抽头以便进行电压调整 变压器的外特性 基本铜耗 一 二次绕组内电流所引起的直流电阻损耗 杂散铜耗 主要是由漏磁通所引起的肌肤效应 使绕组的有效电阻增大而增加的铜耗 以及漏磁场在结构部件中引起的涡流损耗等 铜耗与负载电流的平方成正比 因此也称为可变损耗 铜耗与绕组的温度有关 一般都用75 时的电阻值来计算 基本铁耗 变压器铁心中的磁滞与涡流损耗 杂散铁耗 主要是铁心接连处由于磁通密度分布不均匀所引起的损耗 和主磁通在铁轭夹件 油箱等结构部件中所引起的涡流损耗 铁耗可认为与或成正比 由于变压器一次侧电压保持不变 故铁耗可视为不变损耗 频率不变的前提下 因变压器无转动部分 一般效率都很高 大多数在95 以上 大型变压器可达99 变压器的效率一般用间接法测量 即测出各种损耗 再计算效率 因产生最大效率时 对应最大效率时负载电流的标幺值为 两种结构的比较 三相变压器组备用容量小 搬运方便 三相心式变压器节省材料 效率高 安装占地面积小 价格便宜 所以多采用三相变压器 时钟表示法 决定连接组的三要素1 相序 A B C a b c 三相的排列顺序2 绕向 接法 正绕还是反绕 仅对角连接而言 3 同名端 同名端的说明 无论单相变压器的高低压绕组还是三相变压器同一相的高低压绕组都是绕在同一铁心柱上的 它们是被同一主磁通所交链 高低压绕组的感应电势的相位关系只能有两种可能 一种同向 一种反向 差1800 不同绕向时原 副绕组的同名端 绕向相同时原 副绕组相电势的相位关系 原 副绕组的非同名端取为首端 或尾端 时即 异名端标记 且当原 副绕组的绕向相同时 则原 副绕组感应的相电势为反方向 Y y0联结组 Y y6联结组 Y d11联结组 Y d5联结组 Y d1联结组 三 三相变压器联结法和磁路系统对电势波形的影响 前已叙述 考虑铁心磁路的饱和 当磁通为正弦 电流为尖顶波 可见其大小相等 相位相同 三次谐波电流是否在变压器中流通 将直接影响主磁通和相电动势的波形 而三相变压器绕组的联结方法及磁路系统都决定三次谐波电流在变压器中的存在与否 加之三次谐波频率 所以感应的三次谐波电势相当大 可达基波的50 结果使相电势波形严重畸形 幅值很高 可使绕组绝缘击穿 所以三相变压器组不允许采用Y y联结 只要变压器有一侧采用 接 就能保证主磁通及电势波形为正弦波 在大容量变压器中 当一 二侧都是 Y 联结时 可另加一个接成的小容量第三侧供改善电势波形之用 综上所述 三相变压器的相电势波形与绕组接法和磁路系统有密切的关系 Y d接的三相变压器 因一次侧电流无三次谐波分量 所以主磁通和一 二次侧相电动势出现三次谐波分量 使三次谐波磁通大为削弱 合成磁通及电势接近正弦波 Y y联结变压器的并联运行 变压器采用并联运行的优点 1 根据负载的大小 调整并联运行的变压器的台数 以提高运行效率2 不停电检修变压器 以提高供电可靠性 3 减少总备用容量 变压器理想并联时的条件 1 空载运行时变压器之间无环流 2 每台变压器负载分配合理3 各变压器负载电流同相位 要达到理想并联运行 需满足下列条件 1 各台变压器的额定电压和变比要相等 2 联结组号应相同 3 各变压器短路阻抗标幺值相同 阻抗角相同 分 1 主磁通 与三个绕组同时交链 2 漏磁通 只交链一个或两个绕组的磁通 前者称自漏 后者为互漏 为自漏磁通 为互漏磁通 主磁通由三个绕组的合成磁动势建立 经铁心闭合激磁阻抗随铁心饱和程度而变化 自漏磁通由一个绕组的磁动势所产生 互漏磁通由两个绕组的磁动势产生 它们主要通过空气和油闭合 相应的漏抗为常数 和为电流归算值 电压方程为 各绕组的电阻 各绕组的自漏抗 各绕组的互漏抗 主磁通在各自绕组内感应的电动势 归算到一次侧后忽略激磁电流 则 上两式中 由 设有一双绕组的变压器如图所示 一次侧 二次侧 一次侧每匝感应电势 二次侧每匝感应电势 下面分析把普通两绕组变压器改接成自耦变压器时 电压比和额定容量将有何变化 原二次绕组作为公共绕组 一次绕组作为串联绕组 公共绕组加上串联绕组作为自耦变压器的一次绕组 公共绕组兼作自耦变压器的二次绕组 设有一双绕组的变压器如图所示 当作为普通双绕组变压器时 改为自耦变压器后 电压比Ka 感应功率 与普通双绕组变压器一样 由电磁感应关系传递到二次侧 传导功率 则是通过直接传导作用由一次传到二次 传导功率无需耗费变压器的有效材料 即双绕组变压器变为自耦变压器后 容量增大 所以自耦变压器有重量轻 价格低 效率高的优点 Ka越接近于1 传导功率所占的比例越大 经济效果越显著 自耦变压器常用于高低压比较接近的场合 在工厂和实验室中自耦变压器常用来做调压器和起动补偿器 自耦变压器的视在功率由两部分组成 由于 1 电压互感器 测高压线路的电压 如用电压表 不仅对工作人员不安全 而且仪表绝缘需大大加强 故需用一定变比的电压互感器将高压变成低压 然后接入电压表测量电压 因电压表的电压线圈阻抗很高 所以电压互感器相当于一台空载运行的降压变压器 电压互感器的两种误差 1 变比误差 2 相位误差 因存在励磁阻抗和漏阻抗 所以存在测量误差 注 1