第三章 变压器

第三章变压器 第一节变压器的工作原理 分类及结构 一 变压器的工作原理 变压器的主要部件 铁心和套在铁心上的两个绕组 两绕组只有磁耦合没电联系 在一次绕组中加上交变电压 产生交链一 二次绕组的交变磁通 在两绕组中分别感应电动势 3 1 2 k 匝比 忽略铁心中的损耗 根据能量守恒定律 有 二 变压器的分类 按用途分 电力变压器和特种变压器 按绕组数目分 单绕组 自耦 变压器 双绕组变压器 三绕组变压器和多绕组变压器 按相数分 单相变压器 三相变压器和多相变压器 按铁心结构分 芯式变压器和壳式变压器 按调压方式分 无励磁调压变压器和有载调压变压器 按冷却介质和冷却方式分 干式变压器 油浸式变压器和充气式变压器 3 2 3 电源变压器 电力变压器 控制变压器 接触调压器 三相干式变压器 4 三 变压器的结构简介 铁心 变压器中主要的磁路部分 分为铁心柱与铁轭两部分 5 绕组 变压器中的电路部分 6 油浸式电力变压器 1 信号式温度计2 吸湿器3 储油柜4 油位计5 安全气道6 气体继电器7 高压套管8 低压套管9 分接开关10 油箱11 铁心12 线圈13 放油阀门 7 变压器的额定值 额定容量为变压器的视在功率 用SN表示 单位kV A V A 额定电压 一次和二次绕组上分别为U1N和U2N 单位V kV 额定电流 一次和二次绕组上分别为I1N和I2N 单位A kA 单相变压器 三相变压器 额定频率fN 我国的规定为50Hz 8 例3 1 有一台三相油浸自冷式铝线电力变压器 试求一次 二次绕组的额定电流 解 联结 9 第二节单相变压器的空载运行 一 空载运行时的物理情况 变压器匝数为N1的一次绕组加上交流电压 变压器匝数为N2的二次绕组开路 这种情况即为变压器的空载运行 一次绕组和二次绕组的电动势平衡方程式 其中 i0 空载电流 u20 二次绕组的空载电压 r1 一次绕组的电阻 主磁通 1 一次绕组漏磁通 3 8 3 9 10 1 感应电动势与主磁通 感应电动势e1和e2均滞后于 的电角度90 其有效值为 E1和E2的相量表达式 3 10 3 11 3 12 3 13 3 15 3 14 11 2 空载电流 空载电流包含两个分量 一个是励磁分量 作用是建立磁场 产生主磁通 无功分量 另一个是铁损耗分量 作用是供变压器铁心损耗 有功分量 性质 由于空载电流的无功分量远大于有功分量 所以空载电流主要是感性无功性质 也称励磁电流 大小 与电源电压和频率 线圈匝数 磁路材质及几何尺寸有关 用空载电流百分数I0 来表示 3 漏磁通和漏电抗 漏电动势E1 漏电抗X1是一次绕组的一个参数 3 18 3 16 3 17 12 二 空载运行时的电动势平衡方程式 相量图及等效电路 其中 Z1 一次绕组漏阻抗Zm 变压器的励磁阻抗Xm 变压器的励磁电抗Rm 变压器的励磁电阻 取主磁通 磁化电流 为参考向量 3 19a 3 19b 3 20 13 其中 Xm是表征铁芯磁化性能的一个综合参数 并随铁芯饱和程度的增加而减小 Rm是表征铁芯发热而消耗有功功率的一个参数 并且有 3 21 3 22 3 23 14 第三节单相变压器的基本方程式 变压器一次侧接在额定频率 额定电压的交流电源上 二次侧接上负载的运行状态 称为负载运行 3 24 15 二 负载运行时的基本方程式 1 磁动势平衡方程式 2 电动势平衡方程式 说明 负载时 一次绕组中的电流由两部分组成 一部分为维持主磁通的励磁分量 另一部分是用以补偿二次绕组磁动势作用的负载分量 即一次电流的增量 3 25 3 26 16 3 27 3 28 17 第四节变压器的等效电路及相量图 一 绕组归算 归算 将变压器的二次 或一次 绕组用另一个绕组来等效 同时 对该绕组的电磁量作相应的变换 以保持两侧的电磁关系不变 归算原则 1 保持二次侧磁动势不变 2 保持二次侧各功率或损耗不变 二次绕组归算后 变压器一次和二次绕组具有同样的匝数 即 一 电动势和电压的归算 则 3 29 3 30 3 31 18 二 电流的归算 三 阻抗的归算 阻抗归算的原则 归算前后电阻铜耗及漏感中无功功率不变 归算后变压器负载运行时的基本方程式变为如下形式 3 32 3 33 3 34 3 35a 3 35b 3 35c 3 35d 3 35e 19 二 等效电路 右图中 二次绕组各量均已经归算到一次绕组 即 图中a b和c d分别是等电位点 可连接起来而不改变运行情况 于是作出变压器的T形等效电路 由前述的基本方程式也可得出该等效电路 20 三 相量图 根据T形等效电路 可以画出相应的相量图 四 近似等效电路图考虑到 把励磁回路前移 如右图 认为在一定的 以归算过的负载端电压 以归算过的负载端电压作为参考相量 励磁电流滞后于的电角度为 可画出相量 21 Rk Xk和Zk分别称为短路电阻 短路电抗和短路阻抗 电源电压下 励磁电流为常数 不受负载变化影响 由于 可以进一步把励磁电流忽略不计 即将励磁支路去掉 得下图 22 第五节等效电路的参数测定 一 空载试验 通过测量空载电流和一 二次电压及空载功率来计算变比 空载电流百分数 铁耗和励磁阻抗 变压器空载运行时 可以认为输入功率p0完全用来抵偿铁耗 从空载运行的等效电路得出 3 37 3 38 3 39 23 二 负载试验 又称短路试验 通过测量短路电流 短路电压及短路功率来计算变压器的短路电压百分数 铜损和短路阻抗 高压侧加电压 低压侧短路 由于外加电压很小 主磁通很少 铁损耗很少 忽略铁损 折算到75 时的数值 3 40 3 41 3 42 24 标么值 就是指某一物理量的实际值与选定的同一单位的基准值的比值 通常以额定值为基准值 即 阻抗电压 负载试验时 当绕组中电流达到额定值 加在一次绕组上的短路电压 用一次侧额定电压的百分值表示 阻抗电压的标么值 3 43 3 44 25 第六节三相变压器 一 三相变压器的电路系统 联结组 1 联结法 a 星形联结b 三角形联结 2 联结组 a I I 0联结组b I I 6联结组 单相 26 决定三相变压器连接组号的步骤为 1 按规定的绕组端子标志 连接成所规定的连接组 画出连接图 2 标明绕组的同名端和相电压的方向 3 判断同一相相电压的相位 画出高 低压绕组线电压三角形 并将两个三角形重心重合 4 根据高 低压绕组线电压三角形重心重合后的对应中性线位置 确定连接组标号 常用的连接组标号是 Yy0 Yd11 或Dy11 两类 27 28 二 三相变压器的磁路系统 铁心的结构形式在对称运行时 三相主磁通是对称的 因此和三相电压一样 三个主磁通相量之和等于零 即所以中间铁芯柱中总磁通等于零 因此可将中间铁芯柱省去 a 单相芯式铁心的合并b 铁心的演变c 三相芯式铁心 29 三 三相变压器的电路系统和磁路系统对电动势波形影响 主磁通按正弦变化 磁化电流波形为尖顶波 含3次等奇次谐波 3 45 30 当磁化电流作正弦变化时 主磁通的波形是平顶波 其中谐波含量主要是3次谐波 同时也含奇次高次谐波 1 Yy Yyn连接的三相变压器中的电动势波形 三次谐波电流在无中性线星形连接的对称三相电路中 没有通路 因此在一次侧无中性线星形连接的变压器 励磁电流中不含有三次谐波 忽略其他高次谐波 励磁电流为正弦波 因为磁路的非线性 正 弦波的励磁电流激励出的主磁通必然是平顶波 该主磁通中含有3次谐波分量 3次谐波分量的大小及影响 取决于磁路系统的结构 分三相组式变压器和三相芯式变压器两种情况 3 46 31 1 三相组式变压器三相组式变压器的磁路特点是三相彼此独立 当励磁电流为正弦波 主磁通呈平顶波时 主磁通中3次谐波和基波一样 有通路 一次 二次绕组中感应电势分别是 3比基波磁通 1要小 但三次谐波磁通的交变频率为基波磁通 1的3倍 有 3 48 3 47 32 因而 一次 二次绕组相电势中的3次谐波含量就相当大 该比值有时可达到45 60 甚至更大 相电动势的波形会发生畸变而成尖顶波 这种现象会引起危险的过电压 严重时有可能击穿绕组绝缘 但在线电动势中 由于相电动势的三次谐波分量相互抵消 仍呈正弦波 2 三相芯式变压器三相心式变压器的磁路彼此关联 励磁电流的三次谐波分量由于没有回路在铁心中无法流通 虽然它仍可以通过油路或空气形成闭合回路 但由于该磁路的磁导率小 磁阻大 其数量是不大的 因此可以忽略三次谐波磁通所产生的感应电动势 认为绕组中的电动势单独由磁通的基波分量所感应产生 呈正弦波 但以三倍于基波频率交变的三次谐波磁通 会在油箱中产生涡流损耗 致使油箱局部过热 降低变压器的效率 33 2 Dy和Yd联接的三相变压器中电动势的波形Dy联接的三相变压器 因一次绕组为三角形联接 三次谐波可在一次绕组中流通 于是励磁电流含有3次谐波分量 主磁通 一次 二次绕组中感应电动势的波形都会接近正弦波 Yd联接的三相变压器中 一次绕组中的励磁电流不存在3次谐波分量 但主磁通以及一次 二次绕组的感应电动势中会含有3次谐波分量 在三角形联接的二次绕组 3次谐波电势会产生3次谐波环流 原边绕组中不存在三次谐波电流 34 无法抵消对铁心中磁通的影响 便会在铁心中产生三次谐波磁通 二次绕组所组成的回路对3次谐波电流 电抗比电阻大得多 产生的磁通在相位上几乎与相反 其作用必然削弱铁芯中的3次谐波磁通 从而大大削弱绕组中的三次谐波电动势 使其趋近于正弦波 由以上的分析可以看出 为了改善绕组中感应电动势的波形 最好使原边 副边绕组中的一个为三角形 连接 35 第七节变压器的稳态运行 1 变压器的电压调整率 变压器二次侧的端电压随负载变化的程度用电压调整率 u来表示 电压调整率 u规定为 一次侧加额定负载电压 负载功率因数为一定值 空载与负载时二次侧端电压之差 用二次侧额定电压的百分值表示 即 3 49 36 电压变化率是表征变压器运行性能的重要指标之一 它大小反映了供电电压的稳定性 可见 电压变化率不仅决定于变压器的短路参数 和负载功率系数大小与负载大小 性质及变压器的本身参数有关 在实际变压器中 Xk比Rk大得多 负载为纯电阻时 很小 感性负载时 说明二次端电压随负载电流增大而下降 因为 故越大 3 52 37 就越大 当表示二次端电压随负载电流的增加而升高 同样 角绝对值越大 的绝对值越大 38 铜耗也分基本铜耗和附加铜耗 基本铜耗是在电流在一 二次绕组直流电阻上的损耗 附加损耗包括因集肤效应引起的损耗以及漏磁场在结构部件中引起的涡流损耗等 铜耗大小与负载电流平方成正比 故也称为可变损耗 附加损耗包括由铁心叠片间绝缘损伤引起的局部涡流损耗 主磁通在结构部件中引起的涡流损耗等 铁耗与外加电压大小有关 而与负载大小基本无关 故也称为不变损耗 变压器的损耗主要是铁耗和铜耗两种 铁耗包括基本铁耗和附加铁耗 基本铁耗为磁滞损耗和涡流损耗 2 变压器的效率 39 式中 变压器的效率也是指其输出的有功功率与输入的有功功率之比 用百分值表示 在用上式计算变压器效率时 假定 1 以额定电压下的空载损耗作为铁损 并假定铁耗不随负载变化 2 以额定电流时的负载损耗作为额定电流时的铜耗 并认为铜耗与负载系数的平方成正比 即不考虑 40 对铜耗的影响 故有 3 计算时 忽略了负载运行时的二次电压的变化 即 3 54 成为 把 3 55 式对或求导 并使 得 变压器的铜耗恰好等于铁耗时 有最大效率 一般取 最大效率大致发生在 41 42 例3 2page84一台三相变压器 SN为5600kVA Y 11连接 变压器空载短路实验数据如下 求 1 计算变压器参数及其标么值 2 求满载且2cos 0 8时的电压变化率和效率 解 1 变压器参数 额定相电压 43 电压比 空载相电流 空载相损耗 励磁参数 二次侧 归算到一次侧 44 短路相电压 短路相损耗 短路参数 45 额定负载损耗 2 阻抗电压百分值 阻抗电压的有功分量 阻抗电压的无功分量 3 额定负载和的效率 电压调整率 46 的电压调整率 二次电压 的电压调整率 二次电压 47 4 产生最高效率时的负载系数及最高效率 48 第八节自耦变压器与互感器 1 工作原理 实质上 自耦变压器就是利用一个绕组抽头的办法来实现改变电压的一种变压器 额定容量 电压比 在不计励磁电流的条