第三章变压器(上课部分学生版)ppt课件

第三章变压器 广东机电职业技术学院 吴灏 第三章变压器 变压器原理与结构变压器空载运行变压器负载运行变压器参数的测定变压器运行特性三相变压器特殊变压器 变压器原理与结构 变压器工作的理论基础 是电磁感应定律 在电力 电子等领域的实际应用中 其主要的作用是变压 变流 变阻抗 传送交流电能 变压器基本工作原理变压器的基本结构变压器的额定值变压器的分类 变压器基本工作原理 变压器是在一个闭合的铁心磁路中安装了原边绕组 称一次绕组 和副边绕组 称二次绕组 当变压器的一次侧绕组加上交流电压 该绕组中就会有交流电流流过 于是在铁心磁路中就产生了交变磁通 根据法拉第电磁感应定律可知 一次侧和二次侧绕组中都将产生感应电动势 其大小分别为 变压器基本工作原理 变压器是在一个闭合的铁心磁路中安装了原边绕组 称一次绕组 和副边绕组 称二次绕组 变压器基本工作原理 变压器是在一个闭合的铁心磁路中安装了原边绕组 称一次绕组 和副边绕组 称二次绕组 即变压器一次侧与二次侧电压之比等于绕组的匝数比 因此 只要适当地调节变压器一次侧 二次侧绕组的匝数比 就可以输出各种不同等级的电压 达到变压的目的 变压器基本工作原理 变压器是在一个闭合的铁心磁路中安装了原边绕组 称一次绕组 和副边绕组 称二次绕组 于是将变压器一次侧交流电能 经电磁转换关系 传送到了变压器的二次侧 应注意的是 变压器可以通过改变变比达到变压的目的 但传送的功率是不能变化的 即不能变功率 变压器的基本结构 1 油阀2 绕组3 铁心4 油箱5 分接开关6 低压套管7 高压套管8 瓦斯继电器9 防爆筒10 油位器11 油枕12 吸湿器13 铭牌14 温度计15 小车 变压器的基本结构 根据变压器原理可知 变压器主要由两大部分组成 变压器磁路部分 铁心 变压器电路部分 一 二次绕组 大型电力变压器中还有其它辅助部件 变压器的基本结构 变压器磁路部分 铁心 铁心材料铁心结构铁心叠片形式 变压器铁心一般都采用高导磁率的电工材料叠成 选用高导磁材料 是为了提高磁效率 采用硅钢片叠装则是为了减小铁心损耗 简称铁损 涡流损耗 硅钢片可分热轧硅钢片与冷轧硅钢片两类 冷轧硅钢片的导磁性能较好 损耗较小 为目前制作变压器铁心的主要材料 变压器的基本结构 变压器磁路部分 铁心 铁心材料铁心结构铁心叠片形式 心式结构 壳式结构 按照绕组套入铁心的形式 铁心可分为心式结构和壳式结构两种 心式结构 变压器铁心被线圈包围 壳式结构 变压器铁心的最外层包围着线圈 心式铁心的结构简单 省料 因此为大多电力变压器采用 变压器的基本结构 变压器磁路部分 铁心 铁心材料铁心结构铁心叠片形式 大中型变压器一般采用硅钢片交错叠装方式 如图所示 各层磁路接缝斜形互相错开 可减小气隙和磁阻 变压器的基本结构 变压器磁路部分 铁心 铁心材料铁心结构铁心叠片形式 小型变压器多采用E F 形等冲片交替叠装而成 如图所示 变压器绕组 绕组是变压器的电路部分 因此对它的电气 耐热 机械等性能均有严格的要求 以保证变压器的安全运行 变压器中 接到高压电侧绕组称高压绕组 接到低压侧的绕组称低压绕组 按高低压绕组安放型式可分为 同心式交叠式 变压器绕组 1绕组是变压器的电路部分 因此对他的电气 耐热 机械等性能均有严格的要求 以保证变压器的安全运行 变压器中 接到高压电侧绕组称高压绕组 接到低压侧的绕组称低压绕组 按高低压绕组安放型式可分为 同心式交叠式 高低压线圈绕在同一心柱上 同心排列 一般高压线圈排在外侧 低压线圈排在内侧 这样有利于对铁心的绝缘 变压器高低压线圈间的绝缘 线圈与铁心间的绝缘一般采用木纸或钢纸板绝缘圆筒 变压器绕组 1绕组是变压器的电路部分 因此对他的电气 耐热 机械等性能均有严格的要求 以保证变压器的安全运行 变压器中 接到高压电侧绕组称高压绕组 接到低压侧的绕组称低压绕组 按高低压绕组安放型式可分为 同心式交叠式 把变压器的高低压绕组分别绕成若干个 饼式 绕组 交替地套装在铁心柱上 为便于绝缘 铁心柱两端靠近铁轭外总是套装低压绕组 交叠式绕组因其结构比较牢固 电气上易构成多条支路并联 但绝缘较复杂 所以适用于低电压 大电流负载 其它部件 油箱及冷却方式分接开关高压套管 低压套管气体继电器安全气道吸湿器 由于变压器铁心损耗与绕组损耗的存在 这些损耗会使铁心与绕组发热 影响变压器的安全工作 因此 通常将装好的变压器铁心 绕组浸入变压器油中进行冷却 另外变压器油具有良好的绝缘作用 其它部件 油箱及冷却方式分接开关高压套管 低压套管气体继电器安全气道吸湿器 为了增加散热面积 容量较大的变压器 常采用带有钢管散热器的外壳帮助散热 故称油浸自冷式 装有散热风扇协助散热 称油浸风冷式 装设油泵强迫使油在冷却器循环冷却的 称强迫油循环冷却式 其它部件 油箱及冷却方式分接开关高压套管 低压套管气体继电器安全气道吸湿器 5 分接开关 为了保证用户电压的稳定 电力变压器装有进行微调的分接开关 调节范围在 5 通过改变高压侧绕组匝数来实现 其它部件 油箱及冷却方式分接开关高压套管 低压套管气体继电器安全气道吸湿器 为了保证用户电压的稳定 电力变压器装有进行微调的分接开关 调节范围在 5 通过改变高压则绕组匝数来实现 分接开关 其它部件 油箱及冷却方式分接开关高压套管 低压套管气体继电器安全气道吸湿器 6 低压套管 7 高压套管 分别与变压器高 低压侧的外线连接 具有良好的消弧 绝缘效果 其它部件 油箱及冷却方式分接开关高压套管 低压套管气体继电器安全气道吸湿器 8 瓦斯继电器 安装在油箱和储油柜的连接管道中间 是变压器内部故障的保护装置 当变压器内部绝缘被击穿或匝间短路时 变压器油和其它绝缘物分解气体 气压增大冲击气体继电器 使其接点动作 通过控制保护回路 及时发出故障信号或切除电源 其它部件 油箱及冷却方式分接开关高压套管 低压套管气体继电器安全气道吸湿器 9 防爆筒 其它部件 油箱及冷却方式分接开关高压套管 低压套管气体继电器安全气道吸湿器 12 吸湿器 变压器的额定值 变压器的额定值是变压器工作的技术指标 主要有额定容量 额定电压 额定电流和额定频率 额定值通常标注在变压器的铭牌上 故称铭牌值 额定容量额定电压额定电流额定频率 变压器的额定值 变压器的额定值是变压器工作的技术指标 主要有额定容量 额定电压 额定电流和额定频率 额定值通标注在变压器的铭牌上 故称铭牌值 额定容量额定电压额定电流额定频率 在铭牌上所规定的额定状态下变压器输出的能力 视在功率 保证值 称变压器的额定容量 以KV A表示 对于三相变压器 指三相容量总和 变压器的额定值 变压器的额定值是变压器工作的技术指标 主要有额定容量 额定电压 额定电流和额定频率 额定值通标注在变压器的铭牌上 故称铭牌值 额定容量额定电压额定电流额定频率 变压器的额定电流是额定状态下的一次侧 二次侧电流值 其值是根据额定容量和额定电压的计算值 变压器的额定值 变压器的额定值是变压器工作的技术指标 主要有额定容量 额定电压 额定电流和额定频率 额定值通标注在变压器的铭牌上 故称铭牌值 额定容量额定电压额定电流额定频率 变压器在额定运行情况下 根据变压器绝缘程度和允许温升所规定的一次侧绕组电压 称一次侧额定电压 变压器空载时 二次侧绕组保证值 称二侧额定电压 变压器的额定值 变压器的额定值是变压器工作的技术指标 主要有额定容量 额定电压 额定电流和额定频率 额定值通标注在变压器的铭牌上 故称铭牌值 额定容量额定电压额定电流额定频率 为标定的工业频率 各国标定是有区别的 中国标定的额定频率为50HZ 变压器的分类 1 按用途分 电力变压器 特种变压器 仪用互感器等 2 按绕组结构分 双绕组变压器 三绕组变压器 多绕组变压器 自耦变压器 3 按相数分 单相变压器 三相变压器 多相变压器 4 按冷却方式分 干式变压器 油浸式变压器 油浸风式变压器 强迫循环导向冷却式变压器 5 按变压器容量分 中小型变压器 63000KVA 3 2变压器空载运行 变压器一次绕组接入交流电源 二次侧绕组开路的运行状态 称为变压器的空载运行 空载时只有一次侧电流 二次侧电流为零 电磁关系 变压器空载运行时通过一次绕组的电流称为空载电流 空载时的变压器磁通是由空载电流产生的磁动势所激励的 所以空载电流又称励磁电流 变压器空载运行 变压器空载运行 变压器空载运行 变压器空载运行 变压器空载运行 变压器空载运行 变压器空载运行 各电磁量参考方向规定 空载电流由一次侧电压参考高电位指向低电位 空载电流与主磁通的方向满足右螺旋规定 各电磁量参考方向规定 线圈感应电势 磁通方向由右螺旋决定 变压原理 各电磁量参考方向规定 各电磁量参考方向规定 空载运行分析 恒磁通 由于 当U1一定时 变压器主磁通 m基本不变 称为恒磁通 空载电流 即空载电流主要用于激磁 空载功率因数故变压器尽量不要空载运行 3 3变压器负载运行 变压器一次绕组接入额定电压 二次绕组接入负载时的运行状态 称为变压器的负载运行 负载时一次绕组电流及二次绕组电流均不为零 负载运行的平衡方程 磁势平衡方程电压平衡方程 变压器接入负载后 二次侧电流产生磁势 此时的主磁通由一次电流和二次电流共同产生 由于一次侧电压不变 一次侧感应电势不变 由恒磁通概念可知合成的主磁通不变 即负载运行时的合成磁通势总是等于空载运行时的磁通势 变流原理 由磁势平衡方程式得到原副边功率关系 由于 即变压器在电路中仅仅传递能量 损耗不大 效率较高 变阻抗原理 由于 故 变压器负载运行 负载运行的平衡方程磁势平衡方程电压平衡方程 说明 一次电流由两部分组成 励磁电流和负载电流 励磁电流 只用来建立主磁场 在额定负载时 约占一次电流的5 是很小的部分 负载电流 用来平衡二次负载电流的作用 是随负载变化而变化 变压器负载运行 负载运行的平衡方程磁势平衡方程电压平衡方程 物理意义说明负载所需的二次侧电能 是通过磁势的方式向一次侧电源索要 而一次电源将电能以磁势方式提供给负载 满足二次负载的需要 磁场为一 二次电能的传送提供了重要的中间介质 负载运行的平衡方程 电压平衡方程由于一 二次回路都有电流 感应电势 内阻及漏电抗存在 列写变压器一 二次回路方程 可得 负载运行分析 负载功率因数Cos 1与负载电流I2大小成正比 Cos 2不变 负载功率因数Cos 1与负载功率因数Cos 2大小成正比 I2不变 3 4变压器参数的测定 变压器参数的测定是指通过试验方法 测出反映变压器内部物理量的励磁阻抗与短路阻抗 1 空载试验2 短路试验 变压器参数的测定 空载试验 单相变压器试验电路 三相变压器试验电路 空载试验 单相变压器试电路 三相变压器试验电路 空载试验 1 实际试验中 考虑操作的安全方便 经常选择在低压侧测量 最后将计算出的励磁阻抗折算回高压侧即可 2 由于变压器空载时功率因数很低 测量应选择低功率因数表为宜 3 空载损耗 即故空载试验主要用于测量铁损 短路试验 1 变压器短路试验的条件 将变压器的低压侧短路 在高压侧加适当的电压值 使其电流为额定电流值 2 短路损耗 即故短路试验主要用于测量铜损 3 5变压器运行特性 变压器负载运行时 一 二次绕组的内阻抗压降随负载变化而变化 负载电流增大时 内阻抗压降增大 二次绕组端电压变化也增大 变压器运行特性主要有外特性和效率特性 变压器运行特性 变压器电压变化率 变压器一次侧电压为额定时 二次侧空载电压与负载电压之差对额定电压的百分比 称变压器的电压变化率 变压器运行特性 变压器电压变化率 变压器一次侧电压为额定时 二次侧空载电压与负载电压之差对额定电压的百分比 称变压器的电压变化率 变压器外特性 外特性 指一次侧电源电压和负载功率因数均为常数时 二次侧电压随负载变化的关系 电压变化率 变压器一次侧电压为额定值 二次侧空载电压与负载电压之差对额定电压的百分比 反映电源电压的稳定性 变压器外特性 变压器的外特性是指一次侧电源电压和负载功率因数均为常数时 二次侧电压随负载变化的关系 纯电阻性负载电感性负载电容性负载 纯电阻性负载 曲线1略下倾 变压器外特性 变压器的外特性是指一次侧电源电压和负载功率因数均为常数时 二次侧电压随负载变化的关系 纯电阻性负载电感性负载电容性负载 变压器外特性 变压器的外特性是指一次侧电源电压和负载功率因数均为常数时 二次侧电压随负载变化的关系 纯电阻性负载电感性负载电容性负载 变压器效率特性 变压器传送电功率时 由于内部有损耗 铜损和铁损等 使输出功率减小 变压器的效率为输出有功功率与输入有功功率之比 铜损与负载电流的平方成正比 为可变损耗铁损主要为涡流 磁滞损耗 基本为常数变压器的铜损等于铁损时 可取得最大效率 变压器效率特性 铜损与负载电流的平方成正比 为可变损耗铁损主要为涡流 磁滞损耗 基本为常数变压器的铜损等于铁损时 可取得最大效率 为铜损与铁损之和 3 6三相变压器 三相变压器组 由三个单相变压器组成的三相变压器组 属于彼此无关一类 三相主磁通相互独立 互不影响 三相变压器 三相心式变压器 将三个单相铁心并成一体 如图所示 当三相变压器外加三相对称交流电压时 故三相主磁通之和为零 因此中间的铁心无磁通流过 故可取消中间铁心 于是就成了目前广泛使用的三相心式变压器 变压器心式磁路系统 三相变压器 三相心式变压器 三相心式变压器磁路不独立 有共同的磁轭 各相磁通要借助于另外两相磁路闭合 三相磁路是不对称的 中间磁路较两边磁路短 所以中间相的励磁电流较另两相小些 通常为 变压器心式磁路系统 三相变压器 三相心式变压器 由于变压器运行中空载电流只占其额定电流的1 2 故空载励磁电流的不对称影响就可忽略不计 工程上的空载电流取三相励磁电流的平均值 变压器心式磁路系统 三相变压器 三相心式变压器 由于磁路结构不同 三相心式变压器较三相变压器组用的硅钢片少 效率高 价格便宜 占地面积小 维护简单 因而在各类变压器中被广泛使用 变压器心式磁路系统 三相变压器的联接组别 三相绕组的连接 原绕组接法 副绕组接法及联接组别号 同名端 指原 副绕组的两个瞬时极性相同的端 同名端的判断 与绕组绕向有关 同名端的测定 直流法 交流法 绕组的连接 串联 一组异名端相连 另一组异名端接入电源 并联 同名端两两相连 任选一个绕组接入电源 三相变压器的联接组别 变压器的联接组别是表征变压器一 二次绕组线电势相位差的一种标记 无论是变压器的并联运行 还是对三相负载的供电 连接组别对其都有重要的影响 三相变压器绕组的标定和极性三相变压器组别的 时钟标定 法三相变压器联接组别的确定方法 三相变压器绕组的标定和极性三相变压器有三组一 二次绕组 分别安装在三个铁心柱上 一次绕组加入三相对称交流电 二次绕组输出三相对称交流电 一 二次绕组可分别连接成 Y 形或 形 常称星形接法或角形接法 Y 形 形 1 标记三相变压器三相绕组标注端头 2 极性 1 标注端头 一次侧 原边 首端分别用 U1 V1 W1 标记 末端用 U2 V2 W2 标记 二次侧 副边 首端用 u1 v1 w1 标记 末端用 u2 v2 w2 标记 1 标记三相变压器三相绕组标注端头 2 极性 2 极性 指各相一 二次绕组的 同名端 其规定为在同一磁链作用下 一 二次绕组 同一相 任一瞬时感应电势极性相同的端为同名端 用 黑点 标记 联接组别的 时钟标定 法 来源 三相变压器一 二次侧均为三相对称连接 无论接成 Y 形或 形 同一相的一 二次对应端的线电势相位差总是 30度 的倍数 变化一个周期为 12点 正好与时钟的整点指示完全一致 故称三相变压器的联接组别为 1点联接 2点联接 12点 或0点 规定 取定一 二次绕组对应线电势比较 并将一次绕组线电势作 时钟轴心 从原边向量沿顺时针方向转到副边向量 转过角度除以30 就是其联接组别的点数 单相变压器的联接组别 按原 副边绕组电势之间相位关系分为 同相 反相 同相 原 副边绕组的同名端标为首端 联接组别记作 0 反相 原 副边绕组的异名端标为首端 联接组别记作 6 三相变压器联接组别 三相变压器的联接组别 主要与绕组的绕向 同名端的标记以及绕组的连接方法有关 原 副绕组相电势之间相位关系只有两种 同相与反相 三相变压器联接组别的确定方法 1 根据原 副绕组同名端标记 接线方式 画出相电势矢量图 例1 1 Y Y接法 同极性 一 二次同名端都在首端 标出各对应相电势矢量 三相变压器联接组别的确定方法 2 根据原 副绕组连接方式 分别确定相 线电势之间关系 并标出线电势矢量 三相变压器联接组别的确定方法 3 比较原 副绕组对应线电势之间相位关系 用钟表法确定联接组别 例1 从EUV顺时针旋转到Euv的角度 一定是30的倍数 联接组别为Y y0或Y y12 例题 例题 三相变压器并联运行 电力系统中变压器的并联被广泛应用这种并联方式不但可以提高运行的效率和供电的可靠性 而且还可以减小设备容量和总的投资所谓并联运行 即一 二次绕组分别并在进 出边的公用母线上 三相变压器并联运行 变压器并联的理想状态 1 并联母线未带上负载时 各并联变压器之间无环流2 带上负载后 各并联变压器能按其容量大小成比例分配负载 不但要确保变压器的运行安全 还应使变压器的容量得到充分的利用 三相变压器并联运行条件 1 各并联变压器的一 二次侧额定电压必须相同 即变比要相等2 各并联变压器的联接组别必须相同3 各并联变压器的阻抗电压要相等 并联变压器的一 二次接到相同的母线上 输出端接于电网电源是固定的 若变比不等 就意味着二次绕组感应电势不等 于是在并联变压器二次绕组间产生较大的环压 电势差 会在并联变压器中产生大的环流 导致变压器的过热损坏 三相变压器并联运行条件 1 各并联变压器的一 二次则额定电压必须相同 即变比要相等2 各并联变压器的联接组别必须相同3 各并联变压器的阻抗电压要相等 变压器的组别实质反应了一 二次侧输入输出电压的相位差 一次侧接同一电网电压 说明输入电压是同相的 若组别不同 二次侧输出相位就不同 在并联变压器出现环压 例如Y 有12与Y d11并联 二次电压之间相位差如图所示 三相变压器并联运行条件 1 各并联变压器的一 二次侧额定电压必须相同 即变比要相等2 各并联变压器的联接组别必须相同3 各并联变压器的阻抗电压要相等 如果两台变压器的变比相等 连接组别相同 但阻抗电压不等 由电工原理可知 并联变压器的负载电流分配是与其阻抗电压值成反比分配的 所以阻抗电压越大的变压器分配的负载电流越小 阻抗电压小的变压器分配的负载电流大 这就造成了并联变压器负载分配不均 承担重负载的变压器会过热 严重时会损坏 所以并联变压器阻抗必须相等 允许误差不得超过10 特殊变压器 变压器的种类很多 除了上述的双绕组变压器外 其它类型的称特殊变压器 它们在结构或使用等方面具有不同特点 仪用互感器 电压互感器 电流互感器自耦变压器电焊变压器 特殊变压器 变压器的种类很多 除了上述的双绕组变压器外 其它类型的称特殊变压器 它们在结构或使用等方面具有不同特点 仪用互感器 电压互感器 电流互感器自耦变压器电焊变压器 仪用互感器分电压互感器与电流互感器两种 其作用是用来扩大测量仪表的测量范围 特殊变压器 变压器的种类很多 除了上述的双绕组变压器外 其它类型的称特殊变压器 它们在结构或使用等方面具有不同特点 仪用互感器 电压互感器 电流互感器自耦变压器电焊变压器 在供电系统中 为了监测高压电网中的电压变化情况 就必须采用电压互感器 将其变成标准等级的低压以供测量仪表使用 特殊变压器 变压器的种类很多 除了上述的双绕组变压器外 其它类型的称特殊变压器 它们在结构或使用等方面具有不同特点 仪用互感器 电压互感器 电流互感器自耦变压器电焊变压器 1 电压互感器的特点 原边匝数很多 副边匝数很少 变比很大 铁心励磁工作在线性段 由于接的负载为仪用电压表 其阻抗很大 相当于空载运行 原边按不同电网电压等级设定 其副边额定电压均为100伏 实测电压值为副边电压表读数乘以变比 特殊变压器 变压器的种类很多 除了上述的双绕组变压器外 其它类型的称特殊变压器 它们在结构或使用等方面具有不同特点 仪用互感器 电压互感器 电流互感器自耦变压器电焊变压器 2 电压互感器的误差有两种 变比误差与相位误差 变比误差是由电压互感器内部阻抗压降造成 相位误差则是由其内部的漏抗引起 按变比误差的相对值 电压互感器的精度可分成0 2 0 5 1 0 3 0四种 特殊变压器 变压器的种类很多 除了上述的双绕组变压器外 其它类型的称特殊变压器 它们在结构或使用等方面具有不同特点 仪用互感器 电压互感器 电流互感器自耦变压器电焊变压器 3 电压互感器注意事项 电压互感器的副边不能短路 否则会因过大的绕组电流而烧毁线圈 副绕组 铁心 外壳必须可靠接地 以保证工作人员安全 特殊变压器 变压器的种类很多 除了上述的双绕组变压器外 其它类型的称特殊变压器 它们在结构或使用等方面具有不同特点 仪用互感器 电压互感器 电流互感器自耦变压器电焊变压器 电流互感器主要用在电网线路中的大电流测量 特殊变压器 变压器的种类很多 除了上述的双绕组变压器外 其它类型的称特殊变压器 它们在结构或使用等方面具有不同特点 仪用互感器 电压互感器 电流互感器自耦变压器电焊变压器 1 电流互感器特点 原边匝数很少 一匝或几匝 副边匝数较多 副边接仪用电流表或其它电流线圈 由于电流线圈阻抗很小 故电流互感器相当于变压器短路运行 电流测量值等于电流互感器的读数乘以电流比 电流比Ki N2 N1 原边额定电流为10 15000安 副边额定电流均采用5安 特殊变压器 变压器的种类很多 除了上述的双绕组变压器外 其它类型的称特殊变压器 它们在结构或使用等方面具有不同特点 仪用互感器 电压互感器 电流互感器自耦变压器电焊变压器 2 电流互感器的误差 有变比误差和相位误差 按其误差的大小分为五级 0 2 0 5 1 0 3 0 10 0 3 电流互感器使用注意 电流互感器在运行 接入 退出时 绝不能使副边开路 否则会因过高的副边感应电势而击穿绕组 伤及工作人员 为保证安全 副绕组 铁心 外壳必须可靠接地 特殊变压器 变压器的种类很多 除了上述的双绕组变压器外 其它类型的称特殊变压器 它们在结构或使用等方面具有不同特点 仪用互感器 电压互感器 电流互感器自耦变压器电焊变压器 普通双绕组变压器只有磁的耦合 而无电的直接联系 自耦变压器的原副边两种联系同时存在 它是一个原副边共用一个线圈 带有可滑动抽头的变压器 由于调节电压方便 在实验 试验中 被广泛使用 特殊变压器 变压器的种类很多 除了上述的双绕组变压器外 其它类型的称特殊变压器 它们在结构或