第二篇变压器的基本原理与结构0解析资料.ppt

1 第3章变压器 本章重点 1 变压器工作原理 2 变压器的基本方程式和电磁关系 3 变压器的等效电路 本章难点 1 变压器的等效电路及参数含义 2 三相变压器的联结组判别 2 一 变压器的原理 3 1变压器的工作原理 分类及结构 变压器是一种静止的电气设备 它以磁场为媒介 利用电磁感应作用将一个等级的交流电压变换成另一个等级的交流电压 变压器主要部件 铁心和套在铁心上的两个绕组 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 两绕组只有磁耦合没有电联系 一次绕组 原绕组或初级绕组 与电源相连的线圈二次绕组 副绕组或次级绕组 与负载相连的线圈 3 变压器各电磁量正方向 讨论变压器就是要讨论变压器中的各个电路参数 电压 电流 功率 电磁量 磁通 磁密 磁势 之间的关系 为了写出它们之间的关系式 必须事先规定各自的正方向 原则上正方向的规定可以是任意的 不影响各个量瞬时值之间的相对关系 但是为了分析方便 便于交流 往往采用通用的惯例来规定正方向 4 规定正方向 习惯正方向 k 电压比 忽略铁心中的损耗 根据能量守恒定律 有 电压 电动势有效值与匝数关系 若固定U1 只要改变匝数比即可达到改变电压的目的了 即 若使N2 N1 则为升压变压器 step uptransformer 若使N2 N1 则为降压变压器 step downtransformer 5 二 变压器的分类 6 7 8 电子变压器 干式变压器 电源变压器 9 电力变压器 电力变压器绕组和装配 10 大型油浸电力变压器 11 大型油浸电力变压器 12 三 结构 电力变压器 变压器主要部件是绕组和铁心 器身 绕组是变压器的电路 铁心是变压器的磁路 二者构成变压器的核心即电磁部分 除了电磁部分 还有油箱 冷却装置 绝缘套管 调压和保护装置等部件 1 铁心材料 为了减少铁心内的磁滞损耗和涡流损耗 铁心通常用0 35mm 0 5mm冷轧 也用热轧 硅钢片叠成 铁心交叠方式 相邻层按不同方式交错叠放 将接缝错开 上层刚好压着下层的接缝 从而减少了励磁电流 13 14 铁心 变压器主要磁路部分 分铁柱与铁轭两部分 三相芯式变压器 1 铁心柱2 铁轭3 高压线圈4 低压线圈 按照铁心的结构 变压器可分为芯式和壳式两种 芯式变压器 结构 铁轭包围绕组的顶面和底面 特点 绕组的装配及绝缘比较容易 电力变压器常常采用这种结构 15 16 壳式变压器 结构 铁轭包围绕组的顶面 底面和侧面 特点 机械强度较好 常用于低电压 大电流的变压器或小容量电源变压器 17 2 绕组 变压器中的电路部分 一般用纸包的绝缘扁线或绝缘圆线绕成 高压绕组的匝数多 导线细 低压绕组的匝数少 导线粗 从高 低压绕组的相对位置来看 变压器绕组分为心式和交叠式 心式 结构 高 低压绕组同心地套装在铁柱上 特点 结构简单 制造方便 国产电力变压器均采用这种结构 交叠式 结构 高 低压绕组沿铁柱高度方向互相交叠地放置 漏电抗小 机械强度高 多用于特种变压器中 特点 18 3 油箱 冷却装置 安全装置等器身装在油箱内 油箱内充满变压器油 变压器油是一种矿物油 具有很好的绝缘性能 变压器油起两个作用 在变压器绕组与绕组 绕组与铁心及油箱之间起绝缘作用 变压器油受热后产生对流 对变压器铁心和绕组起散热作用 油箱上有许多散热油管 以增大散热面积 为了加快散热 有的大型变压器采用内部油泵强迫油循环 外部用变压器风扇吹风或用自来水冲淋变压器油箱 这些都是变压器的冷却装置 19 变压器的基本结构 20 4 变压器的额定值 额定容量SN 额定工作状态下的视在功率 单位V A 三相变压器的额定容量指三相容量之和 额定电压UN1 UN2 UN1是电源加到一次绕组上的额定电压 UN2是一次绕组加上额定电压后二次绕组开路即空载时二次绕组的端电压 对于三相变压器额定电压指线电压 额定电流IN1 IN2 变压器额定容量分别除以一次 二次侧额定电压计算出来的线电流值 额定频率fN 我国规定工业用电的频率为50Hz 此外还有额定效率 额定温升等 单相变压器 三相变压器 21 例如型号SLZ7 630 10的含义为 22 3 2变压器的空载运行 一次绕组加额定电压 额定频率的交流电源 二次绕组开路时的运行情况 称为变压器的空载运行 电磁关系分析 变压器空载运行示意图 23 1 主磁通 漏磁通 瞬时值 2 主磁通感应电动势 瞬时值 相量形式 有效值 24 j j是一个幅角为90度 模为1的向量 极坐标 25 3 漏磁感应电动势 瞬时值 相量形式 有效值 26 结论 漏磁电动势可用空载电流在一次绕组漏电抗产生的负压降表示 漏磁电动势滞后900 一次绕组漏电抗 一次绕组漏自感 27 4 空载运行电压平衡方程 R1一次绕组的电阻 28 4 忽略漏阻抗压降后的电源电压有效值 影响主磁通大小的因素是电源电压 电源频率和一次侧线圈的匝数 与铁芯的材质和几何尺寸无关 3 变压器的变比 k取高压绕组与低压绕组的匝数之比 即k 1 29 5 空载电流 励磁电流 1 作用与组成 空载电流i0包含两个分量 2 大小 另一个是铁损耗分量 有功分量 称为铁耗电流 主要作用是补偿铁损耗 磁滞损耗和涡流损耗 超前于主磁通90度 即与E1反相 一个是励磁分量 无功分量 称为磁化电流 作用是建立主磁通 与主磁通同相 变压器空载时 相当于一个铁心线圈 励磁电流的大小主要取决于铁心线圈的电抗和铁心损耗 电抗大小为 因此 励磁电流的大小与电压频率 线圈匝数 磁路材质及几何尺寸有关 相位上超前主磁通一个角度 称为铁耗角 30 不考虑铁耗时励磁电流波形 尖顶波励磁电流分解为基波和 次谐波电流 31 6 变压器空载运行相量图 32 励磁阻抗 I0 Rm为励磁电阻 是反映铁损耗大小的一个等效电阻 Xm为励磁阻抗 表示与主磁通相对应的电抗 Zm为励磁阻抗 33 7 等效电路 空载状态运行的变压器可近似为一个铁心电感接于电网 Zm远远大于Z1 34 小结 1 一次侧感应电动势E1与漏阻抗压降总是与外施电压平衡 若忽略漏阻抗压降 则一次侧感应电动势的大小由外施电压决定 2 主磁通大小由电源电压 电源频率和一次线圈匝数决定 与磁路所用的材质及几何尺寸基本无关 3 空载电流大小主要取决于铁心线圈的电抗和铁心损耗 铁心所用材料的导磁性能越好 空载电流越小 35 35 3 3变压器的负载运行 一次侧绕组接入电源 二次侧绕组接负载阻抗ZL时的运行情况 称为变压器的负载运行 U2 变压器负载运行 36 36 1负载时磁势及一 二次电流关系 空载时 i2 0 铁心内的主磁通 是由一次侧磁动势f0 N1i0单独建立 磁动势平衡方程 负载时 I0 I1 37 2负载时电压 电流的关系 一次侧 二次侧 38 3变压器负载运行时的基本方程式 39 39 由图可见 变压器一 二次绕组的电路是独立的 只有磁的联系 没有电的联系 4绕组折算 由磁动势平衡关系式知 一 二次绕组是通过它们所产生的磁动势来相互影响的 那么折算前后保持磁动势不变 就不会改变电磁关系 40 40 绕组的折算 注意 二次绕组匝数变化后 二次绕组的电流必须调整 否则改变了变压器的电磁关系 折算是把二次侧绕组匝数变换成一次侧绕组的匝数 而不改变一 二次侧绕组的电磁关系 归算后的量带 表示 1 二次侧绕组电流的折算 电流折算原则是 保持折算前后绕组的磁效应不变 磁势不变 41 2 二次侧绕组电势和电压的折算 根据电势与匝数成正比关系得 同理 二次侧端电压 漏磁电动势 42 铜耗不变 R2 I2 2 R2I22 k2R2 因而 折算实质上是在功率和磁通势保持不变的条件下 对绕组的电压 电流所进行的一种线性变换 3 二次侧阻抗的折算 Z2 k2Z2ZL U2 I2 kU2 I2 k k2ZL 43 结论 1 归算前后 二次侧电流变化1 k倍 2 二次侧电势 电压变化k倍 3 二次侧电阻 阻抗 负载变化k2倍 44 根据归算后的基本方程画出变压器的部分等效电路 得到变压器T型等效电路图 5等效电路 U1 I1 R1 jX1 E1 Rm jXm R 2 jX 2 U2 E 2 ab cd 45 T型等效电路 46 变压器的近似等效电路 由于IN I0 Zm Z1 因而忽略I0Z 1 又E1 E2 4 44fN1 m 受负载影响很小 所以I0也可认为受负载影响很小 由此可将励磁支路移到电源端 得到 U1 I1 R1 X 1 E1 Rm jXm R2 X 2 U2 ZL 47 简化等效电路 短路电阻 R R1 R2 短路电抗 X X 1 X 2 短路阻抗 Z R jX I0很小 I1 I2 48 48 6相量图 电感性负载 49 49 E1 E2 k I1R1 主磁通 50 50 5 4标幺值 标幺值 用一个物理量的实际值与某一选定的同单位的基值之比的形式 基值 一般取物理量的额定值 51 51 52 52 2 取标幺值的优点 一 电力变压器的容量从几千伏安到几十万伏安 电压从几百伏到几百千伏 数值相差悬殊 如果采用标幺值表示 所有的电力变压器的性能参数变化范围很小 便于对不同容量的变压器进行分析和比较 二 用标幺值表示时 二次侧参数不必进行折算 使运算大为简便 例如 53 5 5变压器参数的测定 1 空载试验 目的 通过测量空载电流 电压 功率 求k 铁耗 Zm 求取 k PFe Zm 试验数据 UN1 I0 P0 U02 1 铁损耗P0 PFe PCu RmI02 R1I02 PFe 2 励磁电阻 54 54 3 励磁阻抗模 4 励磁电抗 5 电压比 单相变压器 55 55 注意 1 由于励磁参数与磁路的饱和程度有关 故应取额定电压下的数据来计算励磁参数 2 对于三相变压器 按上式计算时UN1 I0 p0均为每相值 但测量给出的数据却是线电压 线电流和三相总功率 故在计算时应将三相功率除以3 即取一相功率计算 同时应将测得的线值数据转换成相值数据 3 此时的空载损耗p0为铁耗 由于空载试验是在低压侧进行的 故测得的励磁参数是折算至低压侧的数值 如果需要折算到高压侧 应将上述参数乘k2 这里k是变压器的变化 可通过空载试验求出 56 56 2 短路试验 目的 通过测量短路电流 压 功率 求Pk Zk 求取 Pk 短路参数Zk 试验方法 逐渐增加U1 使电流达到额定值 I1 IN1 U1 4 17 5 U1N 试验数据 Uk U1 Ik IN1 Pk 1 铜损耗Pk R1 R2 Ik2 PCu 2 短路电阻 57 57 3 短路阻抗模 4 短路电抗 5 阻抗电压 Uk Zk IN1 注意 1 短路时 从短路的等效电路图可以看出 此时的短路损耗以铜耗为主 2 因电阻会随着温度发生变化 所以 我们的所得值要换算到标准工作温度下75 对铜导线而言 58 3 短路电压一般标于铭牌上 其值大小反映了变压器在额定负载下运行时的漏阻抗压降的大小 从运行角度看 希望此值小些 这样使输出电压的受负载波动影响小些 但短路电压小时 变压器发生短路故障的短路电流必然很大 可能会损害变压器 因此电力变压器的短路电压在某个范围 一般中小容量短路电压百分值为4 10 5 对铝线 所以 相应的 短路损耗和短路电压也应换算到750C的值 59 5 6变压器的运行特性 1 外特性 当U1 cos 2为常数时U2 f I2 运行特性 外特性 效率特性 趋势 用简化等效电路分析 因为电流上升必须ZL 60 1 电压调整率 一次侧加额定电压UN1时 变压器空载时的二次侧电压U02 即是UN2 与负载时的二次侧电压U2之差值 U02 U2 与二次侧额定电压UN2之比值定义为电压调整率 2 折算至一次侧的公式 电压调整率反映变压器输出电压稳定与否 61 3 电压调整率的实用公式 62 U是变压器的重要性能指标 它与3个因素有关 1 负载大小 由负载系数表示 2 负载性质 用cos 2来表示 3 变压器本身的漏阻抗 Rk 和Xk 来表示 63 2 效率特性 1 变压器损耗 变压器的损耗可以分为两大类 铁耗和铜耗 铝线变压器称之为铝耗 每类当中又有基本损耗和附加损耗之分 变压器的空载损耗主要为铁耗 稳态短路负载损耗主要为铜耗 铁耗 铁耗分基本铁耗和附加铁耗 基本铁耗主要是磁滞和涡流损耗 由于电力变压器铁心采用硅钢片叠压而成 大大减小了涡流损耗 它在基本铁耗中所占比例小于磁滞损耗 附加铁耗主要有 铁心叠片间由于绝缘损伤而引起的局部涡流损耗以及主磁通分布不均匀所引起的损耗等 由于铁耗由磁密及其频率等决定 在一次侧电压不变时 磁密基本不变 所以变压器在额定电源下正常运行时 铁耗基本不变 称为不变损耗 铁耗在等效电路中用励磁电阻上的损耗来表示 PFe RmI02 P0 用空载试验 当U1 UN1 cos 2为常数时 f I2 64 铜耗铜耗分基本铜耗和附加铜耗 基本铜耗指绕组电流引起的欧姆电阻损耗 附加铜耗指由于趋肤效应所引起的电流在导线截面分布不均匀所产生的额外损耗 铜耗随着负载电流的变化而变化 额定电流时的铜耗称为额定铜耗pcuN 由短路负载试验在额定电流时测得的损耗pkN可以认为是额定铜耗 I1 IN1时的短路损耗 式中 负载系数 由于 PCu I2 可变损耗 65 2 效率 P2 mU2I2cos 2 mU2NI2cos 2 SNcos 2 66 当U1 UN1 cos 2为常数时 f I2 或 f 3 效率特性 求得P0 2PkN即PCu PFe时 max 效率特性 令 小型电力变压器 N 80 90 大型电力变压器 N 98 99 67 5 7三相变压器 1 三相变压器的磁路系统三相组式变压器 三相心式变压器 三相组式变压器特点 三相之间只有电的联系 没有磁的联系 68 三相心式变压器特点 三相之间既有电的联系 又有磁的联系 三相心式铁心的形成 69 三相变压器的联结组 一 单相变压器联结的组别 相位关系 1 相电动势的相位关系 70 70 2 时钟表示法联结组 由于 三相 绕组采用不同联结方式 使得变压器一 二次侧绕组中的线电动势 线电压 出现不同的相位 因此 按变压器一 二次侧线电动势的相位关系 把绕组的联结分成不同组合 称为联结组 时钟表示法 把一次绕组线电动势看作时钟的长针 分针 永远指向12点 二次绕组线电动势看作时钟的短针 时针 时针指向的数字为变压器的联结组标号 II0 II6 相位关系 罗马数字I表示一 二次侧都是单相 71 1 变压器的绕组的首末端的标记 二 三相变压器的联结组别 72 星形联结 Y联结 EU U1 V2 EV V1 U2 EW W1 W2 EUV 73 三角形联结 D联结 74 三相变压器的联结组别 我国的三相电力变压器 绕组的标准联结一般采用星形联结和三角形联结 联结组可分为哪几大类 Y y联结Y d联结D d联结D y联结 联结组别 反映变压器高 低压侧绕组的联结方式 以及在正相序电源时 高 低压侧绕组对应线电势的相位关系 75 Yy联结 A B C a x b y c z EAB Eab Yy0 76 a Yy6 77 Yy4 78 请大家判断一下联结组标号 Yy8 79 Yy10 80 请大家判断一下联结组标号 Yy2 81 Yy联结小结 Yy联结只有6种联结组标号Yy0Yy2Yy4Yy6Yy8Yy10标号数全为偶数低压侧ax by cz A与a同名端时为 y0cz ax byYy4by cz axYy8低压侧ax by cz A与a异名端时为 y cz ax byYy10by cz axYy2 82 Yd联结 Eab Yd11 83 Yd1 84 Yd联结小结 共有 种联结组标号Yd1Yd3Yd5Yd7Yd9Yd11联结组标号为奇数Yd1Yd5Yd9为一类Yd3Yd7Yd11为一类 85 类推 d联结Dy联结 d联结共有 种 与 y联结类似 Dd0Dd2Dd4Dd6Dd8Dd10 y联结共有 种 与Yd联结类似 y1Dy3Dy5Dy7Dy9Dy11 86 三相变压器的并联运行 定义 把变压器一 二次绕组分别并联到一 二次的公共母线上 这种运行方式称为并联运行 87 并联运行的优点提高供电可靠性 便于检修变压器 根据负载大小调整投入并联运行的变压器的台数 以提高运行效率 减小备用容量 变电站的负载逐年发展 根据负载发展陆续添加变压器更经济 88 并联运行的变压器应满足要求各台变压器的额定电压应相等 即电压比相等 以保证二次侧的空载电压相等 联结组别相同 以保证二次侧线电压相位相同 3 各台变压器的短路阻抗标幺值相等 89 变压器变比不等并联运行 U2 由于两台变压器变比不同 因而它们二次侧的电压不同 即 为了限制环流 规定并联变压器变比之间相差小于0 5 有环流存在 90 负载 K 刀闸K 合上 变压器带负载运行时 各变压器的电流除了负载时分配的电流之外 还各自都增加了一个环流 即占用了变压器的容量 又增加了损耗 91 变压器联结组别对并联运行的影响 联接组别不同的变压器 虽然一次侧 二次侧额定电压相同 但二次侧线电压相量相位至少相差300 例如Yy0Yd11并联运行 相位差为300 U2 U2 U2 U2已达到额定电压的51 8 Ic更大 很可能损坏变压器 因此不同联结组别的变压器绝对不允许并联运行 92 92 短路阻抗不等时的并联运行 并联运行变压器的负载分配 两台变压器并联运行 一 二次额定电压相同 联结组标号相同 短路阻抗不等 各台变压器负载电流与它们的短路阻抗成反比 阻抗模 93 93 并联运行时各台变压器负载系数与短路阻抗标么值成反比 若各台变压器 Zk 相同 则 也相等 负载分配最合理 由于各变压器阻抗角的影响不大 一般不考虑阻抗角的差别 实际并联时 各变压器的电流标幺值相差应不超过10 因此要求各变压器的短路阻抗标幺值相差不大于10 实际并联运行时 变压器的连接组别必须相同 电压比偏差要严格控制 小于 0 5 短路阻抗的标幺值不应相差太大 不大于10 阻抗角允许有一定的差别 94 自耦变压器 了解 只有一个绕组 升压自耦变压器 降压自耦变压器 I1 E2 A X a x 95 对于降压自耦变压器 由图可见 一 二次电压为 自耦变压器的电压比 96 一次电流为对于接点u1 利用基尔霍夫定律 可得自耦变压器的二次电流为在忽略励磁电流的情况下 根据磁动势平衡关系得即将上式代入式便得上式表明 当忽略励磁电流时 同相位 并且 就有效值来说 97 于是 从式可求得自耦变压器的额定容量为 98 可得自耦变压器计算容量SN与额定容量SaN的关系为 由上式可见 自耦变压器的计算容量比额定容量小 与额定容量相同的普通变压器比 消耗的材料少 体积小 造价低 同时效率高 当ka越接近1时 计算容量越小 自耦变压器的优点就越显著 因此自耦变压器适用于变压比ka不大的场合 一般ka 2 绕组容量小于额定容量 与额定容量相同的普通变压器比 消耗的材料少 体积小 造价低 同时效率高 短路电流较大 为了提高自耦变压承受突然短路的能力 设计时对自耦变压器的机械结构应适当加强 必要时可适当增大短路阻抗以限制短路电流 由于自耦变压器一 二次之间有电的直接联系 当高压侧过电压时 会引起低压侧产生严重的过电压 为避免这种危险 一 二次侧都需装设避雷器 自耦变压器的特点 100 电流互感器 由于电流互感器要求误差较小 所以励磁电流越小越好 因此铁心磁通密度较低 一般在 0 08 0 10 Wb m2范围 如忽略励磁电流 由磁动势平衡关系可得 电流互感器的一次绕组由1 n匝截面较大的导线构成 并与需要测量电流的电路串联 二次绕组的匝数较多 导线截面较小 并与阻抗很小的仪表 如电流表 瓦特表的电流线圈等 接成闭路 因此电流互感器的运行情况相当于变压器的短路运行 ki 电流互感器的额定电流比 或 101 互感器内总有一定的励磁电流 因此测量的电流总是有一定的误差 按照误差的大小 电流互感器分为0 2 0 5 1 0 3 0和10 0等五个标准等级 注意事项 二