第4章单相变压器

1、第4章 单相变压器 内容提要:变压器的用途和结构。变压器的运行原理。阐述分析变压器运行的三种方法电磁平衡关系、等值电路和向量图。变压器参数的测定。衡量变压器运行性能的重要标志是外特性和效率特性。掌握这些知识为选择、使用、维护变压器奠定基础。4.1 变压器的用途、分类和结构4.1.1变压器的工作原理电力变压器主要由一闭合铁芯作为主磁路和两个匝数不同、而又相互绝缘的线圈（绕组）作为电路组合而成，如图4.1所示。图4.1双绕组变压器示意图4.1 变压器的用途、分类和结构4.1.2变压器的应用由于变压器具有变换电压，变换电流和变换阻抗的功能，所以在电力系统和电子线路中得到极为广泛的应用，它是电能的传输

2、、分配和使用的重要电气设备。图4.2电力系统示意图4.1 变压器的用途、分类和结构4.1.3变压器的结构对于变压器运行维护人员，首先应了解变压器结构，才能正确使用，便于监视和检测，进行维护和修理，从而提高运行的可靠性。变压器结构如图4.3所示，它由以下几部分组成：4.1 变压器的用途、分类和结构(1)铁芯的作用和材料铁芯既是变压器的主磁路，又是机械骨架。为减小变压器的铁耗，铁芯一般采用高导磁的0.35mm或0.5mm两面涂有绝缘漆的硅钢片叠成。铁芯由铁芯柱和铁轭两部分组成，铁芯柱上套有绕组，铁轭仅起连接铁芯柱，使磁路形成闭合回路的作用。4.1 变压器的用途、分类和结构1.铁芯(1)铁芯的作用和

3、材料图4.5心式变压器结构图4.6壳式变压器结构1.1 直流电机基本工作原理(2)铁芯叠装方法图4.6硅钢片的叠法4.1 变压器的用途、分类和结构2.绕组绕组是变压器的电路部分，它由铜线或铝线绕制而成。按高、低压绕组在铁芯柱上的排列方式，可分为以下两类。(1)同心式绕组(2)交叠式绕组4.1 变压器的用途、分类和结构1.同心式绕组2交叠式绕组4.1 变压器的用途、分类和结构3.油箱和变压器油4.1 变压器的用途、分类和结构4.储油柜（又叫油枕）图4.10三相变压器器身结构4.1 变压器的用途、分类和结构5.气体继电器和安全气道气体继电器装在储油柜与油箱之间的连通管内，是变压器内部发生故障时的保

4、护装置，如图4.11所示。图4.11储油柜和安全气道4.1 变压器的用途、分类和结构6.导管和调压装置导管是将变压器绕组引出线，从油箱内部引到箱外，绝缘导管由瓷质的绝缘导筒和导电杆构成，导管外形做成多级伞形，级数越多耐压越高，如图所示。4.1 变压器的用途、分类和结构6.导管和调压装置油箱上还装有分接开关，可调节高压绕组匝数，用以调节副边输出电压的高低。通常输出电压的调节范围是额定电压5%，如图所示。4.1 变压器的用途、分类和结构4.1.4变压器的铭牌和额定值1变压器的型号含义2额定容量SN（kVA） 4.1 变压器的用途、分类和结构1变压器的型号含义2额定容量SN（kVA）单相变压器容量：

5、三相变压器容量： N1N 1N2N2NSUIUIN1N 1N2N2N33SUIUI4.1 变压器的用途、分类和结构3额定电压U1N、U2N（kV）U1N是指变压器额定运行时，根据绝缘强度和散热条件，规定加于原绕组的端电压；U2N指原绕组加额定频率f1=f1N的额定电压U1N，副绕组的空载电压U20，即U20= U2N。对于三相变压器额定电压指额定线电压。4.1 变压器的用途、分类和结构4额定电流I1N、I2N（A）额定电流是根据绝缘和发热要求，变压器原、副绕组长期允许通过的安全电流，对于三相变压器额定电流是指额定线电流。 4.2 单相变压器的空载运行 4.2.1空载运行时的物理状况图4.14变

6、压器空载运行原理图 4.2 单相变压器的空载运行 4.2.1空载运行时的物理状况与1s二者性质不同，从图4.14可见，是经过铁芯而闭合，而铁磁材料存在着饱和现象，磁阻为一变数，所以与I0呈非线性关系；1s是经过非导磁材料而闭合，磁阻为常数，故1s与I0呈线性关系。 4.2 单相变压器的空载运行4.2.2变压器的感应电势和变比1变压器各电磁量正方向的规定（1）同一支路中电压与的正方向一致。（2）磁通的正方向与产生它的电流正方向符合右手螺旋定则。（3）感应电势正方向与产生它的磁通符合右手螺旋定则。UIEI4.2 单相变压器的空载运行2感应电势由于外加电压为正弦波，则设、均按正弦规律变化：（1）感应

7、电势瞬时值。（2）感应电势的有效值。（3）感应电势的向量式。m1s1smsinsintt4.2 单相变压器的空载运行2感应电势由于外加电压为正弦波，则设、均按正弦规律变化：（1）感应电势瞬时值。m1s1smsinsinttm1111m1m1mm2222m2m2md(sin)dcosddsin(/2)sin(/2)d(sin)dcosddsin(/2)sin(/2)teNNNtttNtEtteNNNtttNtEt 1s1sm1s1111s1smdd(sin)cosddsin(/2)teNNNtttEt4.2 单相变压器的空载运行2感应电势由于外加电压为正弦波，则设、均按正弦规律变化：（2）感应电

8、势的有效值。m1s1smsinsintt1m1m11m2m2m22m1sm11sm1s11sm4.44224.44224.4422ENEfNENEfNENEfN4.2 单相变压器的空载运行2感应电势由于外加电压为正弦波，则设、均按正弦规律变化：（3）感应电势的向量式。m1s1smsinsintt11m22mj4.44j4.44EfNEfN 11s1sm11smjj4.442NEfN 11sm1s02NLI11s1sm01s01jjj2NEILI X 2111s2XfN 4.2 单相变压器的空载运行3电势平衡方程式上式表明U1与E1在数值上相等，在方向上相反，在波形上相同。的大小取决于U1、N1

9、、f的大小；当U1、N1、f不变时，则基本不变，磁路饱和程度也基本不变。由于副边空载，I2=0，则副绕组内无压降产生，副边空载电压U20等于副边电势E2，即：上式说明U20与E2既同方向，又同大小。1110 11010 110 1110 1j(j )sUE EI rEI XI rEI rXEI Z 2020UE4.2 单相变压器的空载运行4变压器的变比K变比K是变压器的一个重要参数，但需注意：（1）K一般取高压边与低压边电势或电压之比。（2）对三相变压器是指原、副边相电势（相电压）之比。1212120KEENNUU4.2 单相变压器的空载运行4.2.3变压器的空载电流i0变压器空载电流严格地讲

10、可以分为两个分量:或00P0QIII2200P0QIII4.2 单相变压器的空载运行4.2.4变压器空载时的向量图和等值电路1变压器空载时的等值电路变压器运行时既有电路，又有电和磁的相互联系，若能用纯电路的形式“等效”地表示出来，就可使变压器分析大为简化。4.2 单相变压器的空载运行2变压器空载时的向量图为了直观地反映变压器各物理量的大小和相位关系，可用向量图来表示空载运行时的情况，其具体画法见教材。4.3 变压器的负载运行4.3.1变压器负载时物理状况图4.17变压器负载运行原理图4.3 变压器的负载运行4.3.1变压器负载时物理状况上式说明，变压器负载变化（I2变化）时，必将引起原边电流I

11、1和功率随之变化。1L122221L21INI NNIIINK 1L122221L21INI NNIIINK 4.3 变压器的负载运行4.3.2变压器负载时磁势平衡方程式变压器负载后，原绕组磁势和副绕组磁势都同时作用于主磁路上，共同产生主磁通，故磁势平衡方程式为：或111FI N222FI N112201I NI NI N120FFF2120122102001L2NIIINNIIIIIIINK2120122102001L2NIIINNIIIIIIINK1122212112I NI NIIKINKIN 1122212112I NI NIIKINKIN4.3 变压器的负载运行4.3.3变压器负载时

12、电势平衡方程式变压器负载时各物理量电磁关系如下：1 1I r11s11jsEI X11111UII NF0m1FE2E2222II NF2 2I r2s2s2s2jEI X4.3 变压器的负载运行4.3.3变压器负载时电势平衡方程式综上所述，可得变压器基本方程式为：111122222L10m112201UEI ZUEI ZI ZEI ZI NI NI N 4.3 变压器的负载运行4.3.4变压器绕组折算1变压器折算原则2折算的方法4.3 变压器的负载运行4.3.5变压器负载时的等值电路副绕组经折算后的基本方程式如下：1111111110mm0m2222222222L21101L02(j)(j)

13、(j)()UEI rXEI ZEIrXI ZUEIrXEI ZUI ZEEIIIII 4.3 变压器的负载运行1“T”形等值电路4.3 变压器的负载运行2简化等值电路简化等值电路对应的电压平衡方程式为：11kk21k2(j)UI rXUI ZU4.4 变压器参数的测定4.4.1变压器空载试验1变压器空载试验的目的2变压器试验接线图3变压器空载试验方法4变压器激磁参数的计算5变压器空载试验注意事项4.4 变压器参数的测定4.4.2变压器短路试验1变压器短路试验目的2变压器短路试验接线图3变压器短路试验方法4变压器短路参数的计算4.5 变压器的运行特性4.5.1变压器的外特性和电压变化率1变压器的

14、外特性2变压器的电压变化率（电压调整率）3变压器外特性曲线4.5 变压器的运行特性4.5.2变压器的效率特性4.5 变压器的运行特性1.变压器损耗(1)铁耗PfeP0PFe(2)铜耗PCu2211212221212Cu1CuCurIrIrIrIPPP222222Cu1 1221k11N1N kk(/)PI rI rI rIIIrP4.5 变压器的运行特性2.变压器的效率%100%1001112PPPPP%100)1 (2PPP%100)1 (CuFe2CuFePPPPP%100)1 (k2Fe2k2FePPPPP2N2N222222coscoscosSIUIUP%100cos1k2Fe2Nk2

15、FePPSPP4.5 变压器的运行特性3.变压器的效率特性0k2mCuPPPk0mPP%1002cos2102Nm0mPSP4.5 变压器的运行特性例 4 . 2 一 台 三 相 变 压 器 ， SN= 1 0 0 k V A ，U1N/U2N=6000/400，I1N/I2N=9.36/144A，Y,yn0接法，在环境温度=20时进行空载和短路试验，测得数据如表4.2所示。试求：（1）变比K和激磁参数Zm、rm、Xm。（2）短路参数Zk、rk、Xk。（3）当变压器额定负载且cos2=0.8（感性）时的电压变化率U%，效率，最高效率m。表4.2空载试验和短路试验数据空载试验（低压边加电压）空载

16、试验（低压边加电压）短路试验（高压边加电压）短路试验（高压边加电压）U20(V)I20(A)P0(W)Uk(V)Ik(A)Pk(W)4009.376003179.419204.5 变压器的运行特性解：（12N1UUK520.554537. 93040153220202mIUKZ547.51237. 930601532222002mIPKr783.552165.304900872m2mmrZX4.5 变压器的运行特性解：（2）折算到75时的短路参数值为：243. 74 . 930192322kkkIPr470.194 . 937313kkkIUZ073.18243. 7470.19222k2kkrZX808. 8243. 7202357523523575235kC75krr105.20073.18808. 8222k2C75kC75kXrZ4.5 变压器的运行特性解：（3）当满载且cos2=0.8时，则=1.0，sin2=0.6。对于Y接法，则I1N=