变压器工作原理介绍

1、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,

2、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,u,1,i,1,N,2,N,1,u,2,Z,L,a,b,图2-34 变压器,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,

3、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,i,2,0,电压为开,路电压,u,20,原绕组通过的电流为空载电流,i,10,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,e,1,u,1,i,10,N,1,e,2,u,20,N,2,图2-37 变压器的空载运

4、行,变,压,器,原,理,及,应,用,副边开路时,通过原边的空载电流,i,10,就是励磁电流,磁动势,i,10,N,1,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,dt,d,N,e,dt,d,N,e,2,2,1,1,变,压,器,原,理,及,应,用,和,的有效值分别为,m,m,fN,E,fN,E,2,2,1,1,44,4,44,4,2.34,2.35,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

5、值近似等,于原,副绕组上电压的有效值,即,2,2,1,1,E,U,E,U,变,压,器,原,理,及,应,用,K,N,N,fN,fN,E,E,U,U,m,m,2,1,2,1,2,1,20,1,44,4,44,4,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,1,1,1,2,20,1,U,K,U,N,N,U,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,

6、及,应,用,例,1,已知某变压器铁心的截面积为,20cm,2,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,解,铁心中磁通的最大值,Wb,S,B,m,m,0004,0,10,20,2,0,4,原绕组的匝数应为,2477,0004,0,50,44,4,220,44,4,1,1,m,f,U,N,应,用,举,例,副绕组的匝数应为,225,0004,0,50,44,4,20,44,4,2,2,m,f,U,N,或,225,20,220,2477,2,1,1,1,2,U,U,N,K,N,N,应,用,举,例,如图,2,38,所

7、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,e,1,u,1,i,10,N,1,e,2,u,20,N,2,i,2,Z,L,图2-38 变压器的负载运行,负,载,运,行,和,电,流,变,换,变压器负载运行时,由

8、,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,i,1,N,1,和,i,2,N,2,共同,产生的。由式,U,E,4.44f,N,m,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,1,10,1,1,N,I,N,I,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

9、,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,1,1,N,I,2,2,1,1,N,I,N,I,负,载,运,行,和,电,流,变,换,K,N,N,I,I,1,1,2,2,1,2.37,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

10、,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,W,I,U,P,W,I,U,P,A,K,I,I,V,K,U,U,N,N,K,44,2,22,44,2,0,220,2,0,10,2,22,10,220,10,100,1000,2,2,2,1,1,1,2,1,1,2,2,1,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

11、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,Z,L,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,L,L,L,Z,K,Z,N,N,I,N,N,U,N,N,I,U,Z

12、,2,2,2,1,2,1,2,2,1,1,1,2,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,Z,L,的负载,相当于在,电源上直接接一个阻抗,Z,L,K,2,Z,L,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,2,2,I,U,Z,L,阻,抗,变,换,i,1,u,1,N,1,N,2,i,2,Z,L,u,2,u,1,i,1,Z,L,图2-39 变压器的阻抗变换作用,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

13、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,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,应,用,举,例,R,0,a,b,R,L,N,1,图2-40 例2.16示意图,LC,串联电路,R,0,E,E,N,2,R,L,LC,并联电路,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,W,R,R,R,E,R,I,P,L,L,L,17

14、6,0,8,8,800,120,2,2,0,2,2,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,10,8,800,L,L,L,R,R,R,信号源的输出功率为,W,R,R,R,E,R,I,P,L,L,L,5,4,800,800,800,120,2,2,0,2,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

15、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

16、,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,SCB10,1600/6,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

17、,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,E,Cu58,绕制。绕

18、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

19、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

20、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,2QF,1QF,I-I,WB,跳开关,WB,图,差动保护原理,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

21、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,0.35,0.5mm,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

22、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

23、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,

24、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

25、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，

26、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

27、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，

28、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,6,10KV,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,0.5,0.7s,时,还应装设电流速断保护。容量在,800KV,A,及以上的油浸式,变压器,和,400KV,A,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,400KV,A,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

29、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,10000KV,A,及以上和并列运行的,变压器,每台容量在,6300KV,A,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

30、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